¿Por qué los estadounidenses no pueden fabricar motores espaciales?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

El creador de los mejores motores de cohetes propulsores líquidos del mundo, el académico Boris Katorgin, explica por qué los estadounidenses todavía no pueden repetir nuestros logros en esta área y cómo mantener la ventaja soviética en el futuro.

El 21 de junio, en el Foro Económico de San Petersburgo, se entregaron los ganadores del Premio Global de Energía. Una comisión autorizada de expertos de la industria de diferentes países seleccionó tres solicitudes de las 639 presentadas y nombró a los ganadores del premio 2012, que comúnmente se denomina "Premio Nobel para ingenieros de energía". Como resultado, 33 millones de rublos premium este año fueron compartidos por el famoso inventor de Gran Bretaña, el profesor Rodney John Allam, y dos de nuestros científicos destacados: los académicos de la Academia de Ciencias de Rusia Boris Katorgin y Valery Kostyuk.

Los tres están relacionados con la creación de tecnología criogénica, el estudio de las propiedades de los productos criogénicos y su aplicación en diversas centrales eléctricas. El académico Boris Katorgin fue galardonado "por el desarrollo de motores cohete propulsores líquidos altamente eficientes sobre combustibles criogénicos, que proporcionan un funcionamiento confiable de sistemas espaciales con parámetros de alta energía para el uso pacífico del espacio". Con la participación directa de Katorgin, que dedicó más de cincuenta años a la empresa OKB-456, ahora conocida como NPO Energomash, se crearon motores de cohetes de propulsión líquida (LRE), cuyo rendimiento todavía se considera el mejor del mundo. El propio Katorgin se dedicó al desarrollo de esquemas para organizar el proceso de trabajo en motores, formación de mezclas de componentes de combustible y eliminación de pulsaciones en la cámara de combustión. También se conocen su trabajo fundamental sobre motores de cohetes nucleares (NRE) con un alto impulso específico y desarrollos en el campo de la creación de potentes láseres químicos continuos.

En los tiempos más difíciles para las organizaciones rusas intensivas en ciencia, de 1991 a 2009, Boris Katorgin dirigió NPO Energomash, combinando los puestos de Director General y Diseñador General, y logró no solo mantener la empresa, sino también crear una serie de nuevos motores. La ausencia de un pedido interno de motores obligó a Katorgin a buscar un cliente en el mercado externo. Uno de los nuevos motores fue el RD-180, desarrollado en 1995 específicamente para participar en una licitación organizada por la corporación estadounidense Lockheed Martin, que eligió un motor de cohete de propulsor líquido para el vehículo de lanzamiento Atlas que se estaba actualizando en ese momento. Como resultado, NPO Energomash firmó un acuerdo para el suministro de 101 motores y a principios de 2012 ya había suministrado más de 60 motores de cohetes a los Estados Unidos, 35 de los cuales fueron operados con éxito en Atlas en el lanzamiento de satélites para diversos fines..

Antes de la entrega del premio, el Experto conversó con el académico Boris Katorgin sobre el estado y las perspectivas del desarrollo de los motores de cohetes de propulsión líquida y descubrió por qué los motores basados en desarrollos de hace cuarenta años todavía se consideran innovadores, y el RD-180 no se pudo recrear en las fábricas estadounidenses.

- Boris Ivanovich, ¿cuál es exactamente su mérito en la creación de motores a reacción domésticos de propulsante líquido, que ahora se consideran los mejores del mundo?

- Para explicarle esto a un profano, probablemente necesite una habilidad especial. Para los motores de cohetes de propulsante líquido, desarrollé cámaras de combustión, generadores de gas; en general, supervisó la creación de los propios motores para la exploración pacífica del espacio exterior. (En las cámaras de combustión, el combustible y el oxidante se mezclan y se queman, y se forma un volumen de gases calientes que, luego expulsados a través de las boquillas, crean el empuje real del chorro; los generadores de gas también queman la mezcla de combustible, pero ya para el funcionamiento de turbobombas, que bombean combustible y oxidante a una presión enorme en la misma cámara de combustión. - "Experto".)

- Está hablando de exploración espacial pacífica, aunque es obvio que todos los motores con empuje de varias decenas a 800 toneladas, que se crearon en NPO Energomash, estaban destinados principalmente a necesidades militares.

- No tuvimos que lanzar una sola bomba atómica, no lanzamos una sola carga nuclear de nuestros misiles al objetivo, y gracias a Dios. Todos los desarrollos militares entraron en un espacio pacífico. Podemos estar orgullosos de la enorme contribución de nuestra tecnología espacial y de cohetes al desarrollo de la civilización humana. Gracias a la astronáutica nacieron agrupaciones tecnológicas enteras: navegación espacial, telecomunicaciones, televisión por satélite y sistemas de detección.

- El motor del misil balístico intercontinental R-9, en el que trabajó, formó la base de casi todo nuestro programa tripulado.

- A fines de la década de 1950, realicé trabajo computacional y experimental para mejorar la formación de mezclas en las cámaras de combustión del motor RD-111, que estaba destinado a ese mismísimo cohete. Los resultados del trabajo todavía se utilizan en los motores RD-107 y RD-108 modificados para el mismo cohete Soyuz; se realizaron alrededor de dos mil vuelos espaciales en ellos, incluidos todos los programas tripulados.

- Hace dos años entrevisté a su colega, el académico Laureado Global Energy, Alexander Leontyev. En una conversación sobre especialistas cerrada al público en general, que el mismo Leontyev alguna vez fue, mencionó a Vitaly Ievlev, quien también hizo mucho por nuestra industria espacial.

- Muchos académicos que trabajaban para la industria de defensa fueron clasificados, esto es un hecho. Ahora se han desclasificado muchas cosas, esto también es un hecho. Conozco muy bien a Alexander Ivanovich: trabajó en la creación de métodos de cálculo y métodos para enfriar las cámaras de combustión de varios motores de cohetes. Resolver este problema tecnológico no fue fácil, sobre todo cuando comenzamos a exprimir al máximo la energía química de la mezcla de combustible para obtener el máximo impulso específico, aumentando, entre otras medidas, la presión en las cámaras de combustión a 250 atmósferas. Tomemos nuestro motor más potente: el RD-170. Consumo de combustible con un agente oxidante, queroseno con oxígeno líquido que pasa por el motor, 2,5 toneladas por segundo. Los flujos de calor en él alcanzan los 50 megavatios por metro cuadrado; esta es una energía enorme. La temperatura en la cámara de combustión es de 3, 5 mil grados centígrados. Fue necesario idear una refrigeración especial para la cámara de combustión para que pudiera funcionar calculada y resistir la cabeza térmica. Alexander Ivanovich hizo precisamente eso y, debo decir, hizo un excelente trabajo. Vitaly Mikhailovich Ievlev - Miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor, quien, lamentablemente, murió bastante temprano, - era un científico del perfil más amplio, poseía una erudición enciclopédica. Al igual que Leontiev, trabajó mucho en la metodología para calcular estructuras térmicas de alta tensión. Su trabajo en algún lugar se cruzó, en algún lugar se integraron y, como resultado, se obtuvo un método excelente mediante el cual es posible calcular la intensidad del calor de cualquier cámara de combustión; ahora, quizás, usándolo, cualquier alumno pueda hacerlo. Además, Vitaly Mikhailovich participó activamente en el desarrollo de motores de cohetes de plasma nucleares. Aquí nuestros intereses se cruzaron en los años en que Energomash estaba haciendo lo mismo.

- En nuestra conversación con Leontyev, mencionamos la venta de los motores energomash RD-180 en los EE. UU., Y Alexander Ivanovich dijo que, en muchos sentidos, este motor es el resultado de desarrollos que se realizaron justo durante la creación del RD-170., y en cierto sentido es la mitad. ¿Es este realmente el resultado del retroceso?

- Cualquier motor en una nueva dimensión es, por supuesto, un nuevo aparato. El RD-180 con un empuje de 400 toneladas es en realidad la mitad del tamaño del RD-170 con un empuje de 800 toneladas. El RD-191, diseñado para nuestro nuevo cohete Angara, tiene un empuje de 200 toneladas.¿Qué tienen estos motores en común? Todos tienen una bomba turbo, pero el RD-170 tiene cuatro cámaras de combustión, el RD-180 "americano" tiene dos y el RD-191 tiene una. Cada motor necesita su propia unidad de bomba turbo; después de todo, si el RD-170 de cuatro cámaras consume aproximadamente 2,5 toneladas de combustible por segundo, para lo cual se desarrolló una bomba turbo con una capacidad de 180 mil kilovatios, que es más de dos veces más alto que, por ejemplo, la potencia del reactor del rompehielos atómico "Arktika", luego el RD-180 de dos cámaras - solo la mitad, 1, 2 toneladas. En el desarrollo de turbobombas para el RD-180 y RD-191, participé directamente y al mismo tiempo lidere la creación de estos motores en su conjunto.

- ¿Entonces la cámara de combustión es la misma en todos estos motores, solo que su número es diferente?

- Sí, y este es nuestro principal logro. En una de esas cámaras con un diámetro de solo 380 milímetros, se quema un poco más de 0,6 toneladas de combustible por segundo. Sin exagerar, esta cámara es un equipo único de alto estrés por calor con cinturones especiales para proteger contra los potentes flujos de calor. La protección se lleva a cabo no solo debido al enfriamiento externo de las paredes de la cámara, sino también debido a un ingenioso método de "revestir" una película de combustible sobre ellas, que evapora y enfría la pared. Sobre la base de esta cámara excepcional, que no tiene igual en el mundo, fabricamos nuestros mejores motores: RD-170 y RD-171 para Energia y Zenit, RD-180 para el Atlas americano y RD-191 para el nuevo misil ruso. "Angara".

- Se suponía que "Angara" reemplazaría a "Proton-M" hace varios años, pero los creadores del cohete enfrentaron serios problemas, las primeras pruebas de vuelo se pospusieron repetidamente y el proyecto parece seguir estancado.

- Realmente hubo problemas. Ahora se ha tomado la decisión de lanzar el cohete en 2013. La peculiaridad del Angara es que, sobre la base de sus módulos de cohetes universales, es posible crear una familia completa de vehículos de lanzamiento con una capacidad de carga útil de 2,5 a 25 toneladas para lanzar carga en órbita terrestre baja sobre la base del Motor universal de oxígeno-queroseno RD-191. Angara-1 tiene un motor, Angara-3: tres con un empuje total de 600 toneladas, Angara-5 tendrá 1000 toneladas de empuje, es decir, podrá poner más carga en órbita que Proton. Además, en lugar del muy tóxico heptilo, que se quema en los motores Proton, utilizamos combustible ecológico, después del cual solo queda agua y dióxido de carbono.

- ¿Cómo sucedió que el mismo RD-170, que fue creado a mediados de la década de 1970, sigue siendo, de hecho, un producto innovador, y sus tecnologías se utilizan como base para nuevos motores de cohetes?

- Una historia similar sucedió con un avión creado después de la Segunda Guerra Mundial por Vladimir Mikhailovich Myasishchev (un bombardero estratégico de largo alcance de la serie M, desarrollado por el OKB-23 de Moscú de la década de 1950 - "Experto"). En muchos aspectos, el avión se adelantó treinta años a su tiempo, y otros fabricantes de aviones tomaron prestados los elementos de su diseño. Así es aquí: en el RD-170 hay muchos elementos nuevos, materiales, soluciones de diseño. Según mis estimaciones, no se volverán obsoletos hasta dentro de varias décadas. Esto se debe principalmente al fundador de NPO Energomash y su diseñador general Valentin Petrovich Glushko y miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia Vitaly Petrovich Radovsky, quien dirigió la empresa después de la muerte de Glushko. (Tenga en cuenta que las mejores características energéticas y operativas del mundo del RD-170 se deben en gran medida a la solución de Katorgin al problema de suprimir la inestabilidad de la combustión de alta frecuencia mediante el desarrollo de deflectores antipulsaciones en la misma cámara de combustión. - "Experto"). Y el primero -¿Etapa del motor RD-253 para el cohete portador "Proton"? Introducido en 1965, es tan perfecto que aún no ha sido superado por nadie. Así es como Glushko enseñó a diseñar, al límite de lo posible y siempre por encima de la media mundial. También es importante recordar otra cosa: el país ha invertido en su futuro tecnológico.¿Cómo fue en la Unión Soviética? El Ministerio de Construcción General de Maquinaria, que, en particular, estaba a cargo del espacio y los cohetes, gastó el 22 por ciento de su enorme presupuesto solo en I + D, en todas las áreas, incluida la propulsión. Hoy en día, la financiación de la investigación es mucho menor y eso dice mucho.

- El logro de algunas cualidades perfectas por estos motores de cohetes, y esto sucedió hace medio siglo, ¿no es que un motor de cohete con una fuente de energía química está en cierto sentido desactualizado? Los principales descubrimientos se han hecho en nuevas generaciones de motores de cohetes., ¿ahora estamos hablando más de las llamadas innovaciones de apoyo?

- Ciertamente no. Los motores de cohetes de propulsión líquida están en demanda y lo estarán durante mucho tiempo, porque ninguna otra tecnología es capaz de levantar una carga de la Tierra de manera más confiable y económica y ponerla en órbita terrestre baja. Son respetuosos con el medio ambiente, especialmente los que funcionan con oxígeno líquido y queroseno. Pero para vuelos a estrellas y otras galaxias, los motores de cohetes de propulsión líquida, por supuesto, son completamente inadecuados. La masa de toda la metagalaxia es de 10 a 56 grados de gramos. Para acelerar en un motor de propulsión líquida a al menos una cuarta parte de la velocidad de la luz, se requiere una cantidad absolutamente increíble de combustible: de 10 a 3200 gramos, por lo que incluso pensar en ello es una estupidez. El motor de cohete de propulsante líquido tiene su propio nicho: los motores sustentadores. En motores líquidos, puede acelerar el vehículo a la segunda velocidad cósmica, volar a Marte y eso es todo.

- La siguiente etapa: ¿motores de cohetes nucleares?

- Ciertamente. No se sabe si viviremos para ver algunas de las etapas, pero ya se ha hecho mucho para el desarrollo de motores de cohetes de propulsión nuclear en la época soviética. Ahora, bajo la dirección del Centro Keldysh, encabezado por el académico Anatoly Sazonovich Koroteev, se está desarrollando el llamado módulo de transporte y energía. Los diseñadores llegaron a la conclusión de que es posible crear un reactor nuclear refrigerado por gas que sea menos estresante que en la URSS, que funcionará como central eléctrica y como fuente de energía para los motores de plasma cuando se viaje al espacio.. Un reactor de este tipo se está diseñando ahora en el NIKIET que lleva el nombre de N. A. Dollezhal bajo el liderazgo del miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, Yuri Dragunov. La oficina de diseño de Kaliningrado "Fakel" también participa en el proyecto, donde se están creando motores de propulsión eléctrica. Como en la época soviética, no funcionará sin la Oficina de Diseño de Automáticos Químicos de Voronezh, donde se fabricarán turbinas de gas y compresores para impulsar un refrigerante, una mezcla de gas en un circuito cerrado.

- Mientras tanto, ¿vamos al motor del cohete?

- Por supuesto, y vemos claramente las perspectivas de un mayor desarrollo de estos motores. Hay tareas tácticas a largo plazo, aquí no hay límite: la introducción de nuevos recubrimientos más resistentes al calor, nuevos materiales compuestos, una disminución en la masa de los motores, un aumento en su confiabilidad y una simplificación del control. esquema. Se pueden introducir varios elementos para controlar mejor el desgaste de las piezas y otros procesos que ocurren en el motor. Hay tareas estratégicas: por ejemplo, el desarrollo de metano licuado y acetileno como combustible junto con amoníaco o combustible de tres componentes. NPO Energomash está desarrollando un motor de tres componentes. Tal motor de cohete propulsor líquido podría usarse como motor tanto para la primera como para la segunda etapa. En la primera etapa, utiliza componentes bien desarrollados: oxígeno, queroseno líquido, y si agrega aproximadamente un cinco por ciento más de hidrógeno, entonces el impulso específico aumentará significativamente, una de las principales características energéticas del motor, lo que significa que más carga útil se puede enviar al espacio. En la primera etapa, todo el queroseno se produce con la adición de hidrógeno, y en la segunda, el mismo motor pasa de funcionar con combustible de tres componentes a uno de dos componentes: hidrógeno y oxígeno.

Ya hemos creado un motor experimental, aunque de pequeñas dimensiones y un empuje de solo unas 7 toneladas, realizamos 44 pruebas, hicimos elementos de mezcla a gran escala en las boquillas, en el generador de gas, en la cámara de combustión y descubrimos que primero puede trabajar en tres componentes y luego cambiar suavemente a dos. Todo va funcionando, se consigue una alta eficiencia de combustión, pero para ir más allá, necesitamos una muestra mayor, necesitamos modificar los caballetes para poder lanzar los componentes que vamos a utilizar en un motor real a la cámara de combustión: hidrógeno líquido y oxígeno, así como queroseno. Creo que esta es una dirección muy prometedora y un gran paso adelante. Y espero tener tiempo para hacer algo durante mi vida.

- ¿Por qué los estadounidenses, habiendo recibido el derecho de reproducir el RD-180, no han podido hacerlo durante muchos años?

- Los estadounidenses son muy pragmáticos. En la década de 1990, al comienzo de su trabajo con nosotros, se dieron cuenta de que en el campo de la energía estábamos muy por delante de ellos y teníamos que adoptar estas tecnologías. Por ejemplo, nuestro motor RD-170 en un arranque, debido a un impulso específico mayor, podría sacar una carga útil dos toneladas más que su F-1 más poderoso, lo que en ese momento significaba $ 20 millones de ganancia. Anunciaron un concurso para un motor de 400 toneladas para sus Atlas, que ganó nuestro RD-180. Luego, los estadounidenses pensaron que comenzarían a trabajar con nosotros, y en cuatro años tomarían nuestras tecnologías y las reproducirían ellos mismos. Les dije de inmediato: gastarán más de mil millones de dólares y diez años. Han pasado cuatro años y dicen: sí, se necesitan seis años. Han pasado más años, dicen: no, necesitamos otros ocho años. Han pasado diecisiete años y no han reproducido ni un solo motor. Ahora necesitan miles de millones de dólares solo para equipos de banco. En Energomash disponemos de stands donde se puede probar el mismo motor RD-170 en una cámara de presión, cuya potencia a reacción alcanza los 27 millones de kilovatios.

- Escuché bien - ¿27 gigavatios? Esto es más que la capacidad instalada de todas las centrales nucleares de Rosatom.

- Veintisiete gigavatios es la potencia del jet, que se desarrolla en un tiempo relativamente corto. Durante las pruebas en el stand, la energía del chorro se extingue primero en una piscina especial, luego en una tubería de dispersión de 16 metros de diámetro y 100 metros de altura. Se necesita mucho dinero para construir un banco de pruebas como este que pueda albergar un motor que genere tal potencia. Los estadounidenses ahora se han rendido en esto y están aceptando el producto terminado. Como resultado, no estamos vendiendo materias primas, sino un producto con un gran valor agregado, en el que se invierte una mano de obra altamente intelectual. Desafortunadamente, en Rusia este es un raro ejemplo de ventas de alta tecnología en el extranjero en un volumen tan grande. Pero esto prueba que con la correcta formulación de la pregunta, somos capaces de mucho.

- Boris Ivanovich, ¿qué se debe hacer para no perder la ventaja ganada por la construcción de motores de cohetes soviéticos? Probablemente, además de la falta de financiación para I + D, otro problema también es muy doloroso: ¿el personal?

- Para permanecer en el mercado mundial, hay que ir adelante todo el tiempo, crear nuevos productos. Aparentemente, hasta que el final de nosotros fue presionado y el trueno golpeó. Pero el estado debe darse cuenta de que sin nuevos desarrollos se encontrará al margen del mercado mundial, y hoy, en este período de transición, aunque todavía no hemos llegado al capitalismo normal, primero debe invertir en el nuevo - el estado. Luego, puede transferir el desarrollo para el lanzamiento de una serie a una empresa privada en términos beneficiosos tanto para el estado como para las empresas. No creo que sea imposible encontrar métodos razonables para crear algo nuevo, sin ellos es inútil hablar de desarrollo e innovaciones.

Hay personal. Soy el jefe de un departamento en el Instituto de Aviación de Moscú, donde capacitamos tanto a especialistas en motores como a especialistas en láser. Los chicos son inteligentes, quieren hacer el negocio que están aprendiendo, pero hay que darles un impulso inicial normal para que no se vayan, como hace mucha gente ahora, a escribir programas de distribución de mercancías en las tiendas. Para ello es necesario crear un entorno de laboratorio adecuado, para dar un salario digno. Construir la correcta estructura de interacción entre la ciencia y el Ministerio de Educación. La misma Academia de Ciencias resuelve muchos problemas relacionados con la formación del personal. De hecho, entre los miembros actuales de la academia, miembros correspondientes, hay muchos especialistas que administran empresas de alta tecnología e institutos de investigación, poderosas oficinas de diseño. Están directamente interesados en los departamentos asignados a sus organizaciones para educar a los especialistas necesarios en el campo de la tecnología, la física, la química, de modo que reciban de inmediato no solo un graduado universitario especializado, sino un especialista preparado con algo de vida y ciencia y experiencia técnica. Siempre ha sido así: los mejores especialistas nacieron en institutos y empresas donde existían departamentos educativos. En Energomash y en NPO Lavochkin tenemos departamentos de la rama del Instituto de Aviación de Moscú “Kometa”, del cual estoy a cargo. Hay cuadros viejos que pueden transmitir la experiencia a los jóvenes. Pero queda muy poco tiempo y las pérdidas serán irrecuperables: para simplemente volver al nivel actual, tendrá que dedicar mucho más esfuerzo del que se necesita hoy para mantenerlo.