Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В космос на бытовом газе Как идет создание ракетного двигателя на метане

В космос на бытовом газе Как идет создание ракетного двигателя на метане. Новости России. Последние новости России сегодня, 19 января 2016 года. Последние новости России сегодня

Как идет создание ракетного двигателя на метане

Фото: Марина Лысцева/ТАСС

Роскосмос объявил о намерении создать к 2025 году ракетный двигатель, работающий на метане. То есть на сжиженном природном газе. Для чего просит выделить из бюджета 25 млрд. рублей. Однако при внимательном изучении истории деятельности одного из самых неэффективных наших высокотехнологичных ведомств выясняется, что эта работа была уже, по сути, выполнена.

Достоинства и недостатки ракетного топлива

Метановая ракета — это сейчас общемировой тренд. Ее использование способно дать значительные выгоды. И не только экономические. В последнее время практически во всех «космических» странах в той или оной степени готовности разрабатываются двигатели, в которых в качестве горючего будет использоваться метан.

В настоящий момент для ракет-носителей используют жидкий водород, керосин и гептил.

С керосина начиналась космическая отрасль в далеких 50-х годах. Он и сейчас является наиболее востребованным в космическом ракетостроении. Первые наши ракеты «Восток» использовали это горючие в паре с жидким кислородом, окислителем. Сейчас на керосине летают американские ракеты — как с нашими двигателями РД-180, так и собственной разработки Falcon. А также наша новая «Ангара» и совсем старый «Союз».

Керосин имеет высокий удельный импульс — это физическая величина, определяющая отношение количества движения, т.е. импульса (произведение массы на скорость) к скорости расходования топлива. Также у керосина высокая плотность, в связи с чем необходимое количество топлива можно размещать в баках со сравнительно небольшим объемом.

Однако в последнее время ракетчики начали нервничать в связи с грядущим сокращением производства ракетного керосина. Дело в том, что для его получения подходит нефть определенного качества. И такого рода месторождений сравнительно немного. И они постепенно опустошаются. В России, как утверждают двигателисты самарского ЦСКБ «Прогресс», такая нефть добывается в основном на Анастасиевско-Троицком месторождении в Краснодарском крае.

Прекрасным топливом является жидкий водород. Он имеет самый высокий удельный импульс. И производство его не зависит от каких-либо невозобновляемых природных источников. Однако у водорода есть существенный недостаток — низкая плотность, в три раза меньшая, чем у керосина. В связи с чем его не используют на первых ступенях ракет, слишком большое количество требуется на начальном этапе полета. Так, первая ступень самой мощной ракеты — американской «Сатурн-5» — работала на керосине. Вторая и третья — на жидком водороде. В космическом челноке и вовсе на первом этапе полета использовался твердотопливный ускоритель.

Однако для разгонных блоков — ступеней, идущих после первой — это горючее подходит идеально. Но есть и еще один недостаток. Жидкий водород — низкокипящее топливо. В заправленной ракете его необходимо держать при температуре — 255 градусов, что требует использования мощной криогенной аппаратуры. Также в заправленном состоянии ракета может находиться недолго. В случае отмены старта ее приходится перезаправлять.

Существует лишь одна ракета-носитель, в которой в качестве топлива используется жидкий водород в двигателях всех ступеней. Это американская «Дельта-4». Ее маршевый двигатель развивает тягу, равную 300 тоннам силы.

В начале 60-х годов в качестве ракетного топлива и в Советском Союзе, и в США начали использовать гептил. Он имеет практически ту же плотность, что и керосин. И при этом у него выше удельный импульс в паре с жидким кислородом (окислителем) — 344 с против 335 с. (У жидкого водорода — 428 с). Гептил находится в жидком агрегатном состоянии при обычной температуре, то есть не требует криогенной аппаратуры. При соединении с окислителем воспламенение происходит автоматически.

Все это очень хорошо. Однако гептил — сильнодействующий яд. И претензии казахов к запуску на Байконуре гептиловых ракет более чем обоснованы. Даже отработанные топливные баки, падающие на землю, наносят природе ощутимый вред. Аварии же являются экологическими катастрофами. Гептил был хорош во время «холодной войны», когда на такие «мелочи» не обращали внимания. К «нервно-паралитическому» классу ракет относятся лишь наши «Протоны». Американцы, французы, японцы и даже китайцы к настоящему моменту отказались от использования в качестве топлива гептила.

Чем хорош метан

Использование метана в качестве ракетного топлива обладает целым рядом достоинств. Он не ядовит. Дешев. В обозримом будущем не предвидится сокращения его добычи. Имеет более низкую взрывоопасность, чем водород и керосин. Топливная система ракеты, использующей метан, прекрасно приспособлена для многократного применения — остатки горючего легко испаряются при нормальной температуре.

По прочим параметрам он занимает промежуточное положение между жидким водородом и керосином. Плотность СПГ в 6 раз выше, чем у жидкого водорода. Но в 2 раза ниже, чем у керосина. Однако с учетом более высокого соотношения расходов окислителя и горючего, чем у жидкого кислорода (ЖК) и керосина, общий объем окислителя и горючего (ЖК + СПГ) лишь на 20% выше, чем у пары ЖК + керосин.

Если же учитывать высокий удельный импульс СПГ, то по сумме характеристик двигатель на СПГ должен иметь энергетическое преимущество в сравнении с керосиновым порядка 3% — 5%.

Поскольку температура испарения СПГ значительно выше, чем у жидкого водорода, то существенно упрощается криогенное оборудование.

И еще одно громадное достоинство пока еще не появившегося двигателя. Он не имеет существенных отличий, усложняющих процесс конструирования и испытаний, от водородных двигателей.

Роскосмос борется за бюджет

Федеральная космическая программа 20015 — 2025 г. г. (ФКП) направлена в правительство для согласования и утверждения. Надо сказать, что 25 млрд., запрашиваемые на метановый двигатель, это сущие крохи. На все же грандиозные прожекты ФКП Роскосмос просит 1 521 млрд. Совсем недавно эта сумма составляла 2 300 млрд., но в связи с ухудшением экономической ситуации аппетиты пришлось умерить. Среди секвестированных проектов — создание к 2025 году ракеты с ядерным двигателем.

Что же касается непосредственно двигателя на СПГ, то планы его создания у Роскосмоса более чем странные. Предполагается создать демонстратор метанового двигателя средней тяги второй ступени и разгонных блоков, чтобы не отстать в плане технологий от зарубежных конкурентов. Но при этом разработка будет засунута в ящик, неизвестно насколько долго: выпуск двигателя к 2025 году не планируется. А о создание ракеты с метановым двигателем и вовсе не идет речи.

Во-первых, прекрасно известно, что разработки, не воплощенные в серийную продукцию, довольно скоро реализовать невозможно. В силу различных как объективных, так и субъективных причин. Прекрасное тому подтверждение — челнок «Буран».

Во-вторых, похоже, Роскосмос плохо ориентируется в том, что же происходит на предприятиях отрасли. ФКП предполагает, что метановый двигатель сможет разработать либо химкинское НПО «Энергомаш» им. В.П.Глушко, либо воронежское КБ Химавтоматики, либо самарское ЦСКБ «Прогресс». Но дело в том, что эти предприятия специализируются на использовании в качестве топлива керосина и гептила — высококипящих жидкостей. Лишь воронежцы много лет назад делали водородный двигатель.

А для создания метанового двигателя необходим, прежде всего, опыт в разработке водородных двигателей, наиболее близких к метановым по конструкции.

Такой опыт имеется у неупомянутого авторами ФКП королёвского КБ Химмаш им. А.М.Исаева. Более того, готов и двигатель на СПГ. К работе над новой темой исаевцы приступили в 1994 году. После проведения НИР было решено использовать в качестве прототипа кислородно-водородный двигатель КВД1 с тягой 7,5 тонны. После доработки двигателя были проведены огневые испытания всех его систем. А летом 1997 года модернизированный двигатель выдал полновесную тягу при использовании в качестве топлива СПГ.

Читать еще:  Что означает контрактный двигатель на автомобиле

Правда, это был еще не двигатель, а, по сути, стенд. Или, как значится в ФКП, «демонстратор». Двигатель, получивший название С5.86, был построен в количестве двух экземпляров. Его характеристики таковы:

Тяга в пустоте — 7500 кгс

Удельный импульс — 370 с

Суммарный расход топлива — 20,27 кг/с.

Следует обратить внимание на то, что удельный импульс этого двигателя существенно выше, чем у керосинового.

Понятно, что с такой тягой первая ступень ракеты быть не может. Но ФКП этого и не требует. С5.86 способен прекрасно работать при использовании его в разгонных блоках. Однако в арсенате КБ Химмаш есть и двигатели (водородные) с тягой в 50 тонн. В случае их модернизации под СПГ можно получить двигатель второй ступени.

Тем не менее, в ФКП КБ Химмаш не упоминается в качестве разработчика нового двигателя.

Справедливости ради следует сказать, что на втором месте по готовности нового двигателя находится воронежское КБ Химавтоматики. Здесь недавно был создан демонстрационный образец двигателя, получившего название РД0162. Он имеет солидную тягу в 200 тонн. Правда, удельный импульс пониже, чем у С5.86, — 350 с.

Также под большим вопросом находится утверждение авторов федеральной программы о том, что использование СПГ позволит снизить стоимость запусков в полтора-два раза. И это при том, что стоимость горючего не превышает 0,3% от стоимости ракеты. Какой-то эффект может быть получен в случае многоразового использования двигателя. То есть ракета должна быть многоразовой. Однако судьба такой ракеты в нашей стране покрыта мраком и неизвестностью. Так, согласно ФКП на 2006 — 2015 г. г., она должна быть уже готова. И новый пилотируемый космический корабль, созданный на основе новых технологий, также уже должен летать. Увы, наши космические программы в некоторых своих частях напоминают сочинения фантаста Роберта Желязны.

Что же касается зарубежных разработок двигателя на СПГ, то о них объявило более десятка компаний. Вот некоторые из них:

— SpaiceX — для ракеты Falcon;

— United Launch Alliance (ULA) — для ракеты Vulcan. Новый двигатель на СПГ должен использоваться взамен российского РД-180;

— FireFly Space Systems;

Почему политикам на Земле труднее договориться, чем людям на орбите?

РФ и Европа готовят площадку для освоения Красной планеты

В США недовольны тем, что вынуждены сотрудничать с Россией

ВЕ-4 против РД-180

С ообщение о получении первого двигателя BE-4 United Launch Alliance (ULA) опубликовала в своем твиттере. Как рассказал представитель Blue Origin изданию Space News, силовая установка не является серийной и будет использоваться для испытаний вместе с носителем. Второй двигатель BE-4 планируется поставить до конца июля.

Российскими двигателями РД-180 оснащаются ракеты Atlas, на замену которым придут носители Vulcan — на них и будут ставить BE-4. Ракеты Atlas используют для критически важных космических запусков, осуществляемых в интересах национальной безопасности Соединенных Штатов.

Консультанты Конгресса США считают, что альтернативы российскому ракетному двигателю не будет как минимум до 2030 года. Об этом сообщал телеканал RT со ссылкой на доклад аналитиков для Конгресса.

Даже в случае плавного и осуществленного по графику перехода от РД-180 к другим двигателям и ракетам-носителям, показатели результативности и надежности, которые достигнуты к настоящему времени при использовании российского двигателя, удастся воспроизвести не ранее 2030 года

По их мнению, даже в случае плавного и осуществленного по графику перехода от РД-180 к другим двигателям и ракетам-носителям, показатели результативности и надежности, которые достигнуты к настоящему времени при использовании российского двигателя, удастся воспроизвести не ранее 2030 года.

Первый РД-180 поставили в США в 1999 году. Из-за обострения отношений между Москвой и Вашингтоном в 2015 году Конгресс запретил закупки РД-180, однако позже отменил ограничения из-за невозможности найти им замену.

За все время американцы получили 116 двигателей. Реализовано 90 пусков, все успешные. Космические запуски с использованием РД-180 включают миссию к Плутону «Новые горизонты» (2006), к Луне LRO (2009), миссию аппарата для исследования Солнца «Обсерватория солнечной динамики» (2010), миссию к Юпитеру «Юнона» (2011), миссии к Марсу MRO (2005), «Марсианская научная лаборатория» (2011), MAVEN (2013) и InSight (2018), миссию за грунтом астероида OSIRIS-REx (2016).

Создан двигатель в середине 1990-х годов на основе мощнейшего советского РД-170, производится в НПО «Энергомаш» имени академика В. П. Глушко. Проект РД-180 разработан под руководством ученого и конструктора Бориса Каторгина. При его непосредственном участии в СССР была заложена основа создания высокоэффективных жидкостно-реактивных двигателей, одним из представителей которого и является РД-180.

Первоначально эти двигатели в варианте РД-170 были разработаны и успешно применены для носителя «Энергия», его боковых блоков, позже использованных как ракета-носитель среднего класса «Зенит». Она применялась для проекта «Морской старт». В рамках последнего было произведено более 30 пусков, дальнейшее сотрудничество с разработчиком и изготовителем «Зенита» прекратилось, поскольку он находится на территории Украины. Было остановлено и производство двигателей РД-170.

«Двигатель РД-180 был и остается самым совершенным в мире, если это совершенство измерять по такой характеристике, как удельный импульс, и если принимать во внимание надежность»

«Энергомаш» оперативно отреагировал на изменение конъюнктуры рынка и перешел на модифицированный под заказчика вариант двигателя РД-170, получивший обозначение РД-180. Практически это был тот же самый двигатель, но если у РД-170 четыре камеры, то у РД-180 —только две, при этом турбонасосный агрегат остался прежним.

«Двигатель РД-180 был и остается самым совершенным в мире, если это совершенство измерять по такой характеристике, как удельный импульс, и если принимать во внимание надежность, — рассказал “Стимулу” ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт. — Этого удалось достичь за счет применения так называемой замкнутой схемы двигателя, когда все топливо (рабочее тело) проходит через камеру и сопло двигателя, а также достижения в камере рекордно высокого давления (заметим, что в рекламируемом американцами новом двигателе давление в камере практически вдвое ниже)».

По словам ученого, двигатель с такими параметрами не может быть отработан за счет численного моделирования процессов в камере сгорания — это можно сделать только в ходе натурных испытаний. А это чрезвычайно дорого и опасно, поскольку любая ошибка при таком давлении (порядка 250 атмосфер) означает взрыв на стенде.

«В “Энергомаше” научились предсказывать развитие процессов, приводящих к взрыву, и мгновенно выключать двигатель, если телеметрические измерения указывают на развитие опасных явлений в камере. Умеют ли это делать американские специалисты? Есть предположения, что нет, — считает Натан Эйсмонт. — Так что говорить, что они достигли обещанного, можно будет после подтверждения заявленных характеристик на уверенном статистическом уровне».

«В “Энергомаше” научились предсказывать развитие процессов, приводящих к взрыву, и мгновенно выключать двигатель, если телеметрические измерения указывают на развитие опасных явлений в камере. Умеют ли это делать американские специалисты? Есть предположения, что нет»

Как отмечает эксперт, объявленный удельный импульс американского двигателя достигается на метановом топливе. Но баки для метана имеют больший объем, чем керосиновые для той же массы, так что здесь неизбежен определенный суммарный проигрыш.

«Кроме того, если мы меняем двигатель, то нужно менять и носитель, так что мгновенно отказаться от РД-180 не получается. Процесс перехода — это годы», — подчеркнул Натан Эйсмонт. По его мнению, если замена двигателя все же пройдет успешно, то потеря американского рынка не приведет к большим убыткам, поскольку с разворачиванием производства «Ангары-5» возникает спрос на РД-191. Этот двигатель в значительной мере является развитием РД-180. Так что «Энергомаш» не пострадает, скорее даже наоборот.

Читать еще:  Биполярный шаговый двигатель как запустить

Двигатель НК-33 готовят к серийному производству

Российские и американские конструкторы строят амбициозные планы использования советского двигателя НК-33 на современных ракетах. На заводе «Кузнецов» думают над восстановлением его серийного производства, говорится в публикации «Независимой газеты».

Исполнилось 45 лет с момента первого старта знаменитой советской ракеты Н-1. Ее собственная судьба оказалась печальной. А вот ее двигатели продолжают жить. Более того, шаг за шагом укрепляют успех отечественной космонавтики как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

В 2013 году двигатели НК-33 трижды использовалась при запуске новых ракет – российской «Союз-2-1в» и американской Antares. Благодаря этим удачным стартам, у двигателей НК-33 появилась перспектива восстановления в серийном производстве. А ведь 40 лет назад их чуть было не уничтожили – из-за закрытия в СССР лунной программы.

В 60–70-х годах прошлого века у Сергея Королева и его коллектива возникла идея построить ракету для полета на Марс. Потом цели были пересмотрены, и конфигурацию ракеты изменили под задачи «лунного» проекта.

«Для полета в космос нужны были двигатели с высокой степенью эффективности, надежности, с большой отдачей каждого килограмма топлива в тягу, – говорит главный конструктор ракетных двигателей ОАО «Кузнецов» Валерий Данильченко. – Королев считал, что для этого требуется реализовать замкнутую схему двигателя, чтобы все топливные компоненты поступали через камеру сгорания, создавали повышенный удельный импульс».

Сергей Павлович начал искать конструктора, который бы смог приступить к подобной разработке. Общался он и к авиаконструктору Андрею Туполеву. Но в итоге работать над проектом было предложено конструктору авиационных двигателей – Николаю Кузнецову.

«Особенностью Николая Дмитриевича Кузнецова было то, что он, помимо конструкторского таланта, оставался и великолепным организатором – создал уникальный коллектив, который с полной отдачей работал над поставленной задачей, – вспоминает начальник отдела опытно-конструкторского бюро ОАО «Кузнецов» Александр Иванов. – Узлы двигателя создавались командой специалистов, которые работали до этого над авиационной газотурбинной техникой, именно это определило его особые свойства».

В конструкторском бюро на предприятии под названием «Почтовый ящик 276», которое специализировалось на разработке авиационных моторов, шло создание двигателей, которые затем серийно производились на заводе № 24 имени М.В. Фрунзе. Конструкция НК-33 проста, но обеспечивает высокую надежность. Минимальная стоимость подготовки производства и изготовления при высокой надежности и простоте конструкции – до сих пор один из главных секретов востребованности НК-33.

В 1974 году «лунная программа» была закрыта. Это чуть не привело к трагедии – созданную партию НК-33 было приказано уничтожить. Кузнецову еле удалось их спасти.

То, что произошло спустя 40 лет, символично, ведь фактически состоялся отложенный триумф уникального двигателя. В 90-е годы НК-33 был представлен на одной из выставок в Москве, где вызвал колоссальный интерес отечественных и зарубежных партнеров. И у двигателя началась новая жизнь.

В 1992 году российские специалисты совместно с американской двигателестроительной компанией Aerojet Rocketdyne подписали протокол о применении НК-33 на ракетах-носителях США. Причем подписывал соглашение еще сам Кузнецов.

Прошло 15 лет, прежде чем и отечественные заказчики обратились к разработке. Американский и российский проекты вышли на стартовую линию практически одновременно.

2013-й стал важнейшим с точки зрения реализации работы по НК-33. В апреле прошлого года в США два модернизированных двигателя НК-33 обеспечили первый успешный старт ракеты Antares. Второй ее запуск состоялся 18 сентября – на МКС был доставлен груз для экипажа станции. А 28 декабря 2013 года двигатели НК-33 обеспечили старт новейшей российской ракеты легкого класса «Союз-2-1в».

Американцы обратили внимание на НК-33 по нескольким причинам.

Во-первых, он сохранился в материальном заделе, вследствие чего не требовал большого срока воспроизводства. На отработку такого проекта с нуля ушло бы много времени. А ракета Antares, по сути, была создана за пять лет – фантастически короткий срок. «Работы по американской ракете-носителю начались в 2008 году, а в 2013-м мы уже осуществили старты, – отмечает исполнительный директор ОАО «Кузнецов» Николай Якушин. – НК-33 дождался своего космического полета».

Во-вторых, двигатель НК-33 имеет чрезвычайно высокую надежность – 999,4. «Николай Дмитриевич Кузнецов в свое время решил это доказать, – рассказывает Александр Иванов. – Были проведены длительные испытания до отказа. НК-33 отработал без съема со стенда 16 пусков, наработал 15 тысяч секунд».

В-третьих, особенности конструкции. Умеренное по сравнению с аналогами давление в камере сгорания двигателя НК-33 (150 атмосфер) позволяет с высокой степенью безопасности использовать его в пилотируемой космонавтике.


Фото Vitaly V Kuzmin

Разработчики НК-33 возлагают большие надежды на проект его возрождения. «Нашему коллективу крайне важно, чтобы НК-33 был востребован и в России, – делится Александр Иванов. – Я часто говорю нашей молодежи: когда мы уйдем, вы будете работать с этим изделием еще долго – это источник для многих технических решений. Существующие ракетные двигатели вышли на предел своих энергетических характеристик. У НК-33 огромное будущее, и работы по его модернизации и восстановлению в серийном производстве имеют огромное значение».

Мечта заводчан – добиться пуска НК-33 в серию. «Мы сохранили двигатель в чертежах и товарном заделе, – говорит конструктор Данильченко. – И сегодня наша цель – восстановить его серийное производство. Эта работа уже началась. Реализуется она руками молодых специалистов на современном оборудовании».

Поскольку на ракетные двигатели есть спрос, на ОАО «Кузнецов» уже сформирован график восстановления их производства. «В настоящий момент вопрос воспроизводства двигателя мы решаем совместно с Объединенной двигателестроительной корпорацией, куда входит предприятие. Мы говорим о начале поставок новых двигателей с 2017–2018 года, – отмечает Якушин. – С учетом прогноза востребованности изделий, к 2020 году мы должны выйти на уровень производства 15–20 двигателей в год».

Есть у завода и другой перспективный проект – НК-39, еще один «лунный» двигатель. Объект пристального внимания со стороны европейских заказчиков. Но об этом речь впереди.

ОАО «Кузнецов» – одно из крупнейших предприятий авиационного и космического двигателестроения. Входит в состав «Объединенной двигателестроительной корпорации».

«Объединенная двигателестроительная корпорация» – интегрированная структура, производящая двигатели для военной и гражданской авиации, космические программы, установки различной мощности для производства электрической и тепловой энергии, газоперекачивающие и корабельные газотурбинные агрегаты. Объединяет более 85% ведущих предприятий отрасли.

События, связанные с этим

Antares с российскими двигателями стартовал успешно

Топливо взрывается — полет нормальный

Детонация — это взрыв. Можно ли ее сделать управляемой? Можно ли на базе таких двигателей создать гиперзвуковое оружие? Какие ракетные двигатели будут выводить необитаемые и пилотируемые аппараты в ближний космос? Об этом наш разговор с заместителем гендиректора — главным конструктором «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко» Петром Левочкиным.

Петр Сергеевич, какие возможности открывают новые двигатели?

Петр Левочкин: Если говорить о ближайшей перспективе, то сегодня мы работаем над двигателями для таких ракет, как «Ангара А5В» и «Союз-5», а также другими, которые находятся на предпроектной стадии и неизвестны широкой публике. Вообще наши двигатели предназначены для отрыва ракеты от поверхности небесного тела. И она может быть любой — земной, лунной, марсианской. Так что, если будут реализовываться лунная или марсианская программы, мы обязательно примем в них участие.

Читать еще:  Большие обороты на прогретом двигателе 1nz

Какова эффективность современных ракетных двигателей и есть ли пути их совершенствования?

Петр Левочкин: Если говорить об энергетических и термодинамических параметрах двигателей, то можно сказать, что наши, как, впрочем, и лучшие зарубежные химические ракетные двигатели на сегодняшний день достигли определенного совершенства. Например, полнота сгорания топлива достигает 98,5 процента. То есть практически вся химическая энергия топлива в двигателе преобразуется в тепловую энергию истекающей струи газа из сопла.

Совершенствовать двигатели можно по разным направлениям. Это и применение более энергоемких компонентов топлива, введение новых схемных решений, увеличение давления в камере сгорания. Другим направлением является применение новых, в том числе аддитивных, технологий с целью снижения трудоемкости и, как следствие, снижение стоимости ракетного двигателя. Все это ведет к снижению стоимости выводимой полезной нагрузки.

Однако при более детальном рассмотрении становится ясно, что повышение энергетических характеристик двигателей традиционным способом малоэффективно.

Петр Левочкин: Увеличение давления и расхода топлива в камере сгорания, естественно, увеличит тягу двигателя. Но это потребует увеличение толщины стенок камеры и насосов. В результате сложность конструкции и ее масса возрастают, энергетический выигрыш оказывается не таким уж и большим. Овчинка выделки стоить не будет.

То есть ракетные двигатели исчерпали ресурс своего развития?

Петр Левочкин: Не совсем так. Выражаясь техническим языком, их можно совершенствовать через повышение эффективности внутридвигательных процессов. Существуют циклы термодинамического преобразования химической энергии в энергию истекающей струи, которые гораздо эффективнее классического горения ракетного топлива. Это цикл детонационного горения и близкий к нему цикл Хамфри.

Сам эффект топливной детонации открыл наш соотечественник — впоследствии академик Яков Борисович Зельдович еще в 1940 году. Реализация этого эффекта на практике сулила очень большие перспективы в ракетостроении. Неудивительно, что немцы в те же годы активно исследовали детонационный процесс горения. Но дальше не совсем удачных экспериментов дело у них не продвинулось.

Теоретические расчеты показали, что детонационное горение на 25 процентов эффективней, чем изобарический цикл, соответстветствующий сгоранию топлива при постоянном давлении, который реализован в камерах современных жидкостно-рактивных двигателей.

А чем обеспечиваются преимущества детонационного горения по сравнению с классическим?

Петр Левочкин: Классический процесс горения — дозвуковой. Детонационный — сверхзвуковой. Быстрота протекания реакции в малом объеме приводит к огромному тепловыделению — оно в несколько тысяч раз выше, чем при дозвуковом горении, реализованному в классических ракетных двигателях при одной и той же массе горящего топлива. А для нас, двигателистов, это означает, что при значительно меньших габаритах детонационного двигателя и при малой массе топлива можно получить ту же тягу, что и в огромных современных жидкостных ракетных двигателях.

Не секрет, что двигатели с детонационным горением топлива разрабатывают и за рубежом. Каковы наши позиции? Уступаем, идем на их уровне или лидируем?

Петр Левочкин: Не уступаем — это точно. Но и сказать, что лидируем, не могу. Тема достаточно закрыта. Один из главных технологических секретов состоит в том, как добиться того, чтобы горючее и окислитель ракетного двигателя не горели, а взрывались, при этом не разрушая камеру сгорания. То есть фактически сделать настоящий взрыв контролируемым и управляемым. Для справки: детонационным называют горение топлива во фронте сверхзвуковой ударной волны. Различают импульсную детонацию, когда ударная волна движется вдоль оси камеры и одна сменяет другую, а также непрерывную (спиновую) детонацию, когда ударные волны в камере движутся по кругу.

Насколько известно, с участием ваших специалистов проведены экспериментальные исследования детонационного горения. Какие результаты были получены?

Петр Левочкин: Были выполнены работы по созданию модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя. Над проектом под патронажем Фонда перспективных исследований работала большая кооперация ведущих научных центров России. В их числе Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, МАИ, «Центр Келдыша», Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Механико-математический факультет МГУ. В качестве горючего мы предложили использовать керосин, а окислителя — газообразный кислород. В процессе теоретических и экспериментальных исследований была подтверждена возможность создания детонационного ракетного двигателя на таких компонентах. На основе полученных данных мы разработали, изготовили и успешно испытали детонационную модельную камеру с тягой в 2 тонны и давлением в камере сгорания около 40 атм.

Данная задача решалась впервые не только в России, но и мире. Поэтому, конечно, проблемы были. Во-первых, связанные с обеспечением устойчивой детонации кислорода с керосином, во-вторых, с обеспечением надежного охлаждения огневой стенки камеры без завесного охлаждения и массой других проблем, суть которых понятна лишь специалистам.

Можно ли использовать детонационный двигатель в гиперзвуковых ракетах?

Петр Левочкин: И можно, и нужно. Хотя бы потому, что горение топлива в нем сверхзвуковое. А в тех двигателях, на которых сейчас пытаются создать управляемые гиперзвуковые летательные аппараты, горение дозвуковое. И это создает массу проблем. Ведь если горение в двигателе дозвуковое, а двигатель летит, допустим, со скоростью пять махов (один мах равен скорости звука), надо встречный поток воздуха затормозить до звукового режима. Соответственно, вся энергия этого торможения переходит в тепло, которое ведет к дополнительному перегреву конструкции.

А в детонационном двигателе процесс горения идет при скорости как минимум в два с половиной раза выше звуковой. И, соответственно, на эту величину мы можем увеличить скорость летательного аппарата. То есть уже речь идет не о пяти, а о восьми махах. Это реально достижимая на сегодняшний день скорость летательных аппаратов с гиперзвуковыми двигателями, в которых будет использоваться принцип детонационного горения.

Что будет дальше?

Петр Левочкин: Это сложный вопрос. Мы только приоткрыли дверь в область детонационного горения. Еще очень много неизученного осталось за скобками нашего исследования. Сегодня совместно с РКК «Энергия» мы пытаемся определить, как может в перспективе выглядеть двигатель в целом с детонационной камерой применительно к разгонным блокам.

На каких двигателях человек полетит к дальним планетам?

Петр Левочкин: По-моему мнению, еще долго мы будем летать на традиционных ЖРД занимаясь их совершенствованием. Хотя безусловно развиваются и другие типы ракетных двигателей, например, электроракетные (они значительно эффективнее ЖРД — удельный импульс у них в 10 раз выше). Увы, сегодняшние двигатели и средства выведения не позволяют говорить о реальности массовых межпланетных, а уж тем более межгалактических перелетов. Здесь пока все на уровне фантастики: фотонные двигатели, телепортация, левитация, гравитационные волны. Хотя, с другой стороны, всего сто с небольшим лет назад сочинения Жюля Верна воспринимались как чистая фантастика. Возможно, революционного прорыва в той сфере, где мы работаем, ждать осталось совсем недолго. В том числе и в области практического создания ракет, использующих энергию взрыва.

«Научно-производственное объединение Энергомаш» основано Валентином Петровичем Глушко в 1929 году. Сейчас носит его имя. Здесь разрабатывают и выпускают жидкостные ракетные двигатели для I, в отдельных случаях II ступеней ракет-носителей. В НПО разработано более 60 различных жидкостных реактивных двигателей. На двигателях «Энергомаша» был запущен первый спутник, состоялся полет первого человека в космос, запущен первый самоходный аппарат «Луноход-1». Сегодня на двигателях, разработанных и произведенных в НПО «Энергомаш», взлетает более девяноста процентов ракет-носителей в России.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector