Por que os americanos não podem fazer motores espaciais?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

O criador dos melhores motores de foguete de propelente líquido do mundo, o acadêmico Boris Katorgin, explica por que os americanos ainda não conseguem repetir nossas conquistas nesta área e como manter a vantagem soviética no futuro.

Em 21 de junho, no Fórum Econômico de São Petersburgo, os vencedores do Prêmio Global de Energia foram premiados. Uma comissão autorizada de especialistas do setor de diferentes países selecionou três inscrições entre 639 inscritas e indicou os vencedores do prêmio de 2012, comumente chamado de "Prêmio Nobel para Engenheiros de Energia". Como resultado, 33 milhões de rublos premium este ano foram compartilhados pelo famoso inventor da Grã-Bretanha, Professor Rodney John Allam, e dois de nossos cientistas notáveis - Acadêmicos da Academia Russa de Ciências Boris Katorgin e Valery Kostyuk.

Todos os três estão relacionados à criação da tecnologia criogênica, ao estudo das propriedades dos produtos criogênicos e à sua aplicação em várias usinas de energia. O acadêmico Boris Katorgin foi premiado "pelo desenvolvimento de motores de foguete de propelente líquido altamente eficientes com combustíveis criogênicos, que fornecem operação confiável de sistemas espaciais com parâmetros de alta energia para o uso pacífico do espaço". Com a participação direta de Katorgin, que dedicou mais de cinquenta anos ao empreendimento OKB-456, hoje conhecido como NPO Energomash, foram criados motores de foguete de propelente líquido (LRE), cujo desempenho ainda é considerado o melhor do mundo. O próprio Katorgin estava empenhado no desenvolvimento de esquemas para organizar o processo de trabalho em motores, formação de mistura de componentes de combustível e eliminação de pulsação na câmara de combustão. Também são conhecidos seus trabalhos fundamentais em motores de foguetes nucleares (NRE) com um alto impulso específico e desenvolvimentos no campo da criação de poderosos lasers químicos contínuos.

Nos momentos mais difíceis para as organizações intensivas em ciência russas, de 1991 a 2009, Boris Katorgin chefiou a NPO Energomash, combinando os cargos de Diretor Geral e Designer Geral, e conseguiu não só manter a empresa, mas também criar uma série de novos motores. A ausência de pedido interno de motores obrigou a Katorgin a procurar um cliente no mercado externo. Um dos novos motores foi o RD-180, desenvolvido em 1995 especificamente para participação em uma licitação organizada pela corporação americana Lockheed Martin, que escolheu um motor de foguete de propelente líquido para o veículo lançador Atlas em atualização na época. Como resultado, a NPO Energomash assinou um acordo para o fornecimento de 101 motores e no início de 2012 já havia fornecido mais de 60 motores de foguete para os Estados Unidos, dos quais 35 foram operados com sucesso no Atlas no lançamento de satélites para diversos fins.

Antes da entrega do prêmio, o especialista conversou com o acadêmico Boris Katorgin sobre o estado e as perspectivas do desenvolvimento de motores de foguete de propelente líquido e descobriu por que motores baseados em desenvolvimentos de quarenta anos atrás ainda são considerados inovadores, e o RD-180 não poderia ser recriada em fábricas americanas.

- Boris Ivanovich, qual é exatamente o seu mérito na criação dos motores domésticos a jato de propelente líquido, hoje considerados os melhores do mundo?

- Para explicar isso a um leigo, você provavelmente precisa de uma habilidade especial. Para motores de foguete de propelente líquido, desenvolvi câmaras de combustão, geradores de gás; em geral, ele supervisionava a criação dos próprios motores para a exploração pacífica do espaço sideral. (Nas câmaras de combustão, o combustível e o oxidante são misturados e queimados, e um volume de gases quentes é formado, que, em seguida, ejetado pelos bicos, cria o impulso do jato real; os geradores de gás também queimam a mistura de combustível, mas já para o operação de bombas turbo, que bombeiam combustível e oxidante sob enorme pressão na mesma câmara de combustão. - "Especialista".)

- Você está falando sobre exploração espacial pacífica, embora seja óbvio que todos os motores com empuxo de várias dezenas a 800 toneladas, que foram criados na NPO Energomash, foram destinados principalmente para necessidades militares.

- Não tivemos que lançar uma única bomba atômica, não lançamos ao alvo uma única carga nuclear de nossos mísseis, graças a Deus. Todos os desenvolvimentos militares foram para um espaço pacífico. Podemos nos orgulhar da enorme contribuição de nossos foguetes e tecnologia espacial para o desenvolvimento da civilização humana. Graças à astronáutica, surgiram clusters tecnológicos inteiros: navegação espacial, telecomunicações, televisão por satélite e sistemas de detecção.

- O motor do míssil balístico intercontinental R-9, no qual você trabalhou, formou a base de quase todo o nosso programa tripulado.

- No final dos anos 1950, realizei trabalhos computacionais e experimentais para melhorar a formação da mistura nas câmaras de combustão do motor RD-111, que se destinava àquele mesmo foguete. Os resultados do trabalho ainda são usados nos motores RD-107 e RD-108 modificados para o mesmo foguete Soyuz, cerca de dois mil voos espaciais foram realizados neles, incluindo todos os programas tripulados.

- Há dois anos entrevistei seu colega, o Acadêmico Laureado pela Energia Global Alexander Leontyev. Em uma conversa sobre especialistas fechados ao público em geral, que o próprio Leontyev já foi, ele mencionou Vitaly Ievlev, que também fez muito pela nossa indústria espacial.

- Muitos acadêmicos que trabalhavam para a indústria de defesa foram classificados - isso é fato. Agora, muito foi desclassificado - isso também é um fato. Conheço Alexander Ivanovich muito bem: ele trabalhou na criação de métodos de cálculo e métodos para resfriar as câmaras de combustão de vários motores de foguete. Resolver esse problema tecnológico não foi fácil, principalmente quando começamos a espremer ao máximo a energia química da mistura combustível para obter o impulso específico máximo, aumentando, entre outras medidas, a pressão nas câmaras de combustão para 250 atmosferas. Vamos pegar nosso motor mais potente - RD-170. Consumo de combustível com um agente oxidante - querosene com oxigênio líquido passando pelo motor - 2,5 toneladas por segundo. Os fluxos de calor chegam a 50 megawatts por metro quadrado - uma energia enorme. A temperatura na câmara de combustão é de 3,5 mil graus Celsius. Foi necessário chegar a um resfriamento especial para a câmara de combustão para que ela pudesse trabalhar calculada e suportar a carga térmica. Alexander Ivanovich fez exatamente isso e, devo dizer, ele fez um excelente trabalho. Vitaly Mikhailovich Ievlev - Membro Correspondente da Academia Russa de Ciências, Doutor em Ciências Técnicas, Professor, que, infelizmente, morreu muito cedo, - era um cientista do mais amplo perfil, possuía uma erudição enciclopédica. Como Leontiev, ele trabalhou muito na metodologia de cálculo de estruturas térmicas de alta tensão. Seu trabalho se cruzou em algum lugar, em algum lugar onde foram integrados, e como resultado, um excelente método foi obtido pelo qual é possível calcular a intensidade do calor de qualquer câmara de combustão; agora, talvez, usando-o, qualquer aluno pode fazê-lo. Além disso, Vitaly Mikhailovich participou ativamente no desenvolvimento de motores nucleares de foguetes de plasma. Aqui, nossos interesses se cruzaram nos anos em que a Energomash fazia o mesmo.

- Em nossa conversa com Leontyev, mencionamos a venda dos motores RD-180 energomash nos EUA, e Alexander Ivanovich disse que em muitos aspectos esse motor é o resultado de desenvolvimentos que foram feitos apenas durante a criação do RD-170, e em certo sentido, pela metade. Isso é realmente o resultado do backscaling?

- Qualquer motor em uma nova dimensão é, claro, um novo aparelho. O RD-180 com um empuxo de 400 toneladas é na verdade metade do tamanho do RD-170 com um empuxo de 800 toneladas. O RD-191, projetado para nosso novo foguete Angara, tem um empuxo de 200 toneladas. O que esses motores têm em comum? Todos eles têm uma bomba turbo, mas o RD-170 tem quatro câmaras de combustão, o "americano" RD-180 tem duas, e o RD-191 tem uma. Cada motor precisa de seu próprio turbo bomba - afinal, se o RD-170 de quatro câmaras consome cerca de 2,5 toneladas de combustível por segundo, para o qual foi desenvolvida uma turbo bomba com capacidade de 180 mil quilowatts, o que é mais de duas vezes maior do que, por exemplo, a potência do reator do quebra-gelo atômico "Arktika", então o RD-180 de duas câmaras - apenas metade, 1, 2 toneladas. No desenvolvimento das turbo bombas para os RD-180 e RD-191, participei diretamente e ao mesmo tempo liderei a criação desses motores como um todo.

- Então a câmara de combustão é a mesma em todos esses motores, só que o número é diferente?

- Sim, e esta é a nossa principal conquista. Em uma dessas câmaras, com um diâmetro de apenas 380 milímetros, um pouco mais de 0,6 toneladas de combustível por segundo é queimado. Sem exageros, esta câmera é um equipamento exclusivo de alto estresse por calor com cintas especiais para proteção contra poderosos fluxos de calor. A proteção é realizada não apenas devido ao resfriamento externo das paredes da câmara, mas também devido a um método engenhoso de "forrar" uma película de combustível sobre elas, que evapora e resfria a parede. Com base nesta câmera excepcional, que não tem igual no mundo, fabricamos nossos melhores motores: RD-170 e RD-171 para Energia e Zenit, RD-180 para o Atlas americano e RD-191 para o novo míssil russo "Angara".

- "Angara" deveria substituir o "Proton-M" há vários anos, mas os criadores do foguete enfrentaram sérios problemas, os primeiros testes de vôo foram adiados repetidamente e o projeto parece continuar paralisado.

- Realmente houve problemas. A decisão agora foi tomada para lançar o foguete em 2013. A peculiaridade do Angara é que, com base em seus módulos universais de foguetes, é possível criar toda uma família de veículos lançadores com capacidade de 2,5 a 25 toneladas de carga útil para lançar cargas em órbita terrestre baixa com base no Motor universal oxigênio-querosene RD-191. O Angara-1 terá um motor, o Angara-3 - três com empuxo total de 600 toneladas, o Angara-5 terá 1000 toneladas de empuxo, ou seja, será capaz de colocar em órbita mais carga do que o Proton. Além disso, em vez do muito tóxico heptilo, que é queimado nos motores Proton, usamos um combustível ecologicamente correto, após o qual apenas resta água e dióxido de carbono.

- Como aconteceu que o mesmo RD-170, que foi criado em meados da década de 1970, ainda permaneça, de fato, um produto inovador, e suas tecnologias sejam utilizadas como base para novos motores de foguetes?

- Uma história semelhante aconteceu com uma aeronave criada após a Segunda Guerra Mundial por Vladimir Mikhailovich Myasishchev (um bombardeiro estratégico de longo alcance da série M, desenvolvido pelo Moscou OKB-23 da década de 1950 - "Expert"). Em muitos aspectos, o avião estava trinta anos à frente de seu tempo, e os elementos de seu projeto foram então emprestados por outros fabricantes de aeronaves. Então é aqui: no RD-170 há muitos novos elementos, materiais, soluções de design. De acordo com minhas estimativas, eles não se tornarão obsoletos por várias décadas. Isso se deve principalmente ao fundador da NPO Energomash e seu designer geral Valentin Petrovich Glushko e Membro Correspondente da Academia Russa de Ciências Vitaly Petrovich Radovsky, que dirigiu a empresa após a morte de Glushko. (Observe que a melhor energia do mundo e as características operacionais do RD-170 são em grande parte devido à solução de Katorgin para o problema de suprimir a instabilidade de combustão de alta frequência, desenvolvendo defletores de antipulsação na mesma câmara de combustão. - "Especialista".) E o primeiro motor RD-253 de estágio para o foguete "Proton"? Introduzido em 1965, é tão perfeito que ainda não foi superado por ninguém. Foi assim que Glushko ensinou a projetar - no limite do possível e sempre acima da média mundial. Também é importante lembrar outra coisa: o país investiu no seu futuro tecnológico. Como foi na União Soviética? O Ministério da Construção Geral de Máquinas, que, em particular, era responsável pelo espaço e foguetes, gastou 22% de seu enorme orçamento apenas em P&D - em todas as áreas, incluindo propulsão. Hoje, o financiamento da pesquisa é muito menor e isso diz muito.

- Não é a conquista de algumas qualidades perfeitas por esses motores de foguete, e isso aconteceu meio século atrás, que um motor de foguete com uma fonte de energia química está em certo sentido desatualizado: as principais descobertas foram feitas nas novas gerações de motores de foguete, agora estamos falando mais sobre as chamadas inovações de apoio?

- Certamente não. Motores de foguete de propelente líquido estão em demanda e continuarão por muito tempo, porque nenhuma outra tecnologia é capaz de levantar uma carga da Terra de maneira mais confiável e econômica e colocá-la em órbita baixa. Eles são ecologicamente corretos, especialmente aqueles que funcionam com oxigênio líquido e querosene. Mas para voos para estrelas e outras galáxias, motores de foguetes de propelente líquido, é claro, são completamente inadequados. A massa de toda a metagalaxia é de 10 a 56 graus de gramas. Para acelerar em um motor de propelente líquido a pelo menos um quarto da velocidade da luz, uma quantidade absolutamente incrível de combustível é necessária - 10 a 3200 gramas, então até pensar nisso é estúpido. O motor de foguete de propelente líquido tem seu próprio nicho - motores sustentadores. Em motores líquidos, você pode acelerar o transportador até a segunda velocidade cósmica, voar para Marte e pronto.

- A próxima fase - motores de foguetes nucleares?

- Certamente. Não se sabe se viveremos para ver alguns dos estágios, mas muito foi feito para o desenvolvimento de motores de foguetes movidos a energia nuclear já na era soviética. Agora, sob a liderança do Centro Keldysh, chefiado pelo acadêmico Anatoly Sazonovich Koroteev, o chamado módulo de transporte e energia está sendo desenvolvido. Os projetistas chegaram à conclusão de que é possível criar um reator nuclear refrigerado a gás menos estressante do que na URSS, que funcionará tanto como usina quanto como fonte de energia para motores de plasma em viagens espaciais.. Esse reator está sendo projetado agora no NIKIET em homenagem a N. A. Dollezhal, sob a liderança do Membro Correspondente da Academia Russa de Ciências, Yuri Dragunov. O escritório de design de Kaliningrado "Fakel" também participa do projeto, onde os motores de propulsão elétrica estão sendo criados. Como nos tempos soviéticos, não será possível sem o Voronezh Design Bureau of Chemical Automatics, onde turbinas a gás e compressores serão fabricados para acionar um refrigerante - uma mistura de gases em um circuito fechado.

- Nesse ínterim, vamos para o motor do foguete?

- Claro, e vemos claramente as perspectivas para o desenvolvimento desses motores. Existem tarefas táticas de longo prazo, não há limite aqui: a introdução de novos revestimentos mais resistentes ao calor, novos materiais compósitos, uma diminuição na massa dos motores, um aumento em sua confiabilidade e uma simplificação do controle esquema. Vários elementos podem ser introduzidos para controlar melhor o desgaste de peças e outros processos que ocorrem no motor. Existem tarefas estratégicas: por exemplo, o desenvolvimento de metano liquefeito e acetileno como combustível junto com amônia ou combustível de três componentes. A NPO Energomash está desenvolvendo um motor de três componentes. Esse motor de foguete de propelente líquido poderia ser usado como um motor para o primeiro e segundo estágios. No primeiro estágio, ele usa componentes bem desenvolvidos: oxigênio, querosene líquido e se você adicionar cerca de cinco por cento a mais de hidrogênio, o impulso específico aumentará significativamente - uma das principais características de energia do motor, o que significa que mais carga útil pode ser enviado para o espaço. No primeiro estágio, todo o querosene é produzido com a adição de hidrogênio e, no segundo, o mesmo motor passa da operação com um combustível de três componentes para um de dois componentes - hidrogênio e oxigênio.

Já criamos um motor experimental, embora de pequena dimensão e empuxo de apenas 7 toneladas, fizemos 44 testes, fizemos elementos de mistura em escala real nos bicos, no gerador de gás, na câmara de combustão e constatamos que você pode trabalhar primeiro em três componentes e, em seguida, alternar suavemente para dois. Tudo está funcionando, uma alta eficiência de combustão é alcançada, mas para ir além, precisamos de uma amostra maior, precisamos modificar as arquibancadas para lançar os componentes que vamos usar em um motor real na câmara de combustão: hidrogênio líquido e oxigênio, bem como querosene. Acho que essa é uma direção muito promissora e um grande passo em frente. E espero ter tempo para fazer algo durante a minha vida.

- Por que os americanos, tendo recebido o direito de reproduzir o RD-180, não o podem fazer há muitos anos?

- Os americanos são muito pragmáticos. Nos anos 1990, logo no início de seu trabalho conosco, eles perceberam que no campo da energia estávamos muito à frente deles e tínhamos que adotar essas tecnologias de nós. Por exemplo, nosso motor RD-170 em uma partida, devido a um impulso específico mais alto, poderia levar uma carga útil duas toneladas a mais do que seu F-1 mais poderoso, o que na época significava US $ 20 milhões em ganho. Eles anunciaram uma competição para um motor de 400 toneladas para seus Atlases, que foi vencido por nosso RD-180. Então os americanos pensaram que começariam a trabalhar conosco e em quatro anos pegariam nossas tecnologias e as reproduziriam eles mesmos. Eu disse a eles de uma vez: vocês vão gastar mais de um bilhão de dólares e dez anos. Quatro anos se passaram e eles dizem: sim, são necessários seis anos. Mais anos se passaram, eles dizem: não, precisamos de mais oito anos. Dezessete anos se passaram e eles não reproduziram um único motor. Eles agora precisam de bilhões de dólares apenas para equipamentos de bancada. Na Energomash temos estandes onde o mesmo motor RD-170 pode ser testado em uma câmara de pressão, cuja potência do jato chega a 27 milhões de quilowatts.

- Eu ouvi direito - 27 gigawatts? Isso é mais do que a capacidade instalada de todas as centrais nucleares da Rosatom.

- Vinte e sete gigawatts é a potência do jato, que se desenvolve em um tempo relativamente curto. Durante os testes no estande, a energia do jato é extinta primeiro em uma piscina especial, depois em um duto de dispersão de 16 metros de diâmetro e 100 metros de altura. É preciso muito dinheiro para construir uma bancada de testes como esta, que pode abrigar um motor que gera essa potência. Os americanos já desistiram disso e estão pegando o produto acabado. Por isso, não estamos vendendo matéria-prima, mas um produto de grande valor agregado, no qual é investida uma mão de obra altamente intelectual. Infelizmente, na Rússia, este é um raro exemplo de vendas de alta tecnologia no exterior em um volume tão grande. Mas isso prova que, com a formulação correta da pergunta, muito somos capazes.

- Boris Ivanovich, o que fazer para não perder a vantagem conquistada pela construção do motor de foguete soviético? Provavelmente, além da falta de financiamento para P&D, outro problema também é muito doloroso - pessoal?

- Para se manter no mercado mundial, é preciso avançar o tempo todo, criar novos produtos. Aparentemente, até o fim de nós foi pressionado e o trovão explodiu. Mas o estado precisa perceber que sem novos desenvolvimentos ele se encontrará às margens do mercado mundial, e hoje, neste período de transição, embora ainda não tenhamos crescido para o capitalismo normal, ele deve antes de tudo investir no novo - o Estado. Em seguida, você pode transferir o desenvolvimento do lançamento de uma série para uma empresa privada em termos benéficos tanto para o estado quanto para os negócios. Não creio que seja impossível inventar métodos razoáveis de criação de algo novo, sem eles é inútil falar de desenvolvimento e inovações.

Existem pessoal. Sou chefe de um departamento do Instituto de Aviação de Moscou, onde treinamos especialistas em motores e especialistas em laser. Os caras são espertos, querem fazer o negócio que estão aprendendo, mas é preciso dar a eles um impulso inicial normal para que não saiam, como muitas pessoas fazem agora, de escrever programas de distribuição de mercadorias nas lojas. Para isso é necessário criar um ambiente laboratorial adequado, para dar um salário digno. Construir a estrutura correta de interação entre a ciência e o Ministério da Educação. A mesma Academia de Ciências resolve muitos problemas relacionados ao treinamento de pessoal. De fato, entre os atuais membros da academia, membros correspondentes, há muitos especialistas que administram empresas de alta tecnologia e institutos de pesquisa, poderosas agências de design. Eles estão diretamente interessados nos departamentos designados às suas organizações para formar os especialistas necessários no campo da tecnologia, física, química, para que recebam imediatamente não apenas um diploma universitário especializado, mas um especialista pronto com alguma vida e ciência e experiência técnica. Sempre foi assim: os melhores especialistas nasceram em institutos e empresas onde existiam departamentos educacionais. Na Energomash e na NPO Lavochkin temos departamentos da sucursal do Instituto de Aviação de Moscovo “Kometa”, da qual estou a cargo. Existem quadros antigos que podem passar a experiência aos jovens. Mas resta muito pouco tempo e as perdas serão irrecuperáveis: para simplesmente voltar ao nível atual, você terá que despender muito mais esforço do que o necessário hoje para mantê-lo.