В России ведется активная работа над созданием новой ракеты-носителя среднего класса "Союз-5", которая может вывести на орбиту перспективный пилотируемый корабль "Федерация" в 2022 году. Тяжелые ракеты "Ангара-А5" в ближайшие годы будут задействованы в запусках 600 спутников системы "Сфера". Научно-производственное объединение (НПО) "Энергомаш" ведет работы над новыми двигателями для обоих типов ракет — РД-171МВ и РД-191М.
На каком этапе находится разработка, какие новые технологии и в каком объеме будут применяться в РД-171МВ и РД-191М, чем закончились испытания детонационного двигателя и зачем российские ракеты переводить на метан, рассказал в интервью ТАСС главный конструктор НПО "Энергомаш" Петр Левочкин.
— Какие перспективные разработки ведутся сегодня в конструкторском бюро НПО "Энергомаш"?
— КБ сегодня очень плотно занято разработкой двигателя РД-171МВ для перспективной ракеты-носителя "Союз-5". Несмотря на то, что он заимствует многие решения РД-171М, — это новая модификация двигателя. Отмечу, что в РД-171МВ используется только российская элементная база, в том числе системы управления и регулирования полностью отечественные.
"Ангара" в будущем выйдет на рынок коммерческих пусков
Большой объем работ ведется по повышению надежности и снижению стоимости двигателя РД-191 (используется на первой ступени ракет-носителей "Ангара" — прим. ТАСС). "Ангара" будет жить, и мы делаем все возможное, чтобы это был носитель, востребованный не только министерством обороны РФ, по заказу которого она и создавалась, но также в будущем выйдет на рынок коммерческих пусков.
В рамках Федеральной космической программы и за счет собственных средств нами ведется ряд разработок по применению в ракетном двигателестроении композитных материалов. Продолжаются работы по исследованию детонации в ЖРД. Ведутся разработки кислородно-метанового двигателя, прорабатываются варианты применения аддитивных технологий и многое другое.
— Какие работы по двигателю РД-171МВ будут выполнены в этом году?
— В конце 2017 года мы разработали эскизный проект двигателя и передали его в РКЦ "Прогресс" (будет производить "Союз-5" — прим. ТАСС). Сейчас в НПО "Энергомаш" полным ходом, в том числе с помощью 3D-моделирования, идет выпуск конструкторской документации по этому двигателю, ведется подготовка производства и стендовой базы. В этом году должны будем изготовить конструкторский макет, позволяющий увязать все элементы двигателя. Также в этом году мы должны поставить в РКЦ "Прогресс" макет РД-171МВ для проведения динамических испытаний.
— Когда планируется поставить опытный образец двигателя для огневых испытаний?
— Огневые испытания первого доводочного двигателя РД-171МВ запланированы на 2019 год. Первый товарный двигатель мы должны поставить заказчику в 2021 году для первого беспилотного запуска "Союза-5", который должен состояться в 2022 году. Для пилотируемого запуска ракеты, который запланирован на 2024 год, мы планируем поставить двигатель РД-171МВ в 2023 году.
— Вы упомянули про РД-191, а когда будет создан опытный образец нового двигателя для "Ангары-А5В" — РД-191М?
— НПО "Энергомаш" по заданию ГКНПЦ им. Хруничева работало над созданием модификации двигателя РД-191, который получил название РД-191М (тяга на 10% выше), для использования его на "Ангаре-А5В". Мы выпустили технический проект двигателя, а также согласовали объемы его отработки с головными научно-исследовательскими институтами отрасли. Следующим шагом должно было стать развертывание работ по производству и началу отработки двигателя, но контракт на эти работы с ГКНПЦ пока не заключен.
— Но все же новый двигатель на "Ангару-А5В" устанавливать планируется?
Сейчас "Ангара" будет летать с базовым двигателем, в том числе и с космодрома Восточный
— Безусловно. Однако создание ракеты-носителя "Ангара-А5В" — это не только двигатель РД-191М, это модернизация всей ракеты плюс создание абсолютно нового кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя для третьей ступени. Поэтому сейчас "Ангара" будет летать с базовым двигателем, в том числе и с космодрома Восточный.
— Сегодня много говорится о новых легких и средних коммерческих ракетах-носителях, планируете ли создавать под них двигатель?
— В свое время НПО "Энергомаш" разработало двигатель РД-120 для второй ступени ракеты-носителя "Зенит", созданием которого руководил один из ведущих конструкторов нашего предприятия, мой предшественник на посту главного конструктора Владимир Константинович Чванов. Тяга РД-120 варьируется от 80 тонн до 93 тонн в форсированном режиме. Наши маркетологи оценили этот продукт с точки зрения коммерческой привлекательности и сделали вывод, что если бы у нас был сегодня двигатель с тягой 80–100 тонн по хорошей цене, он бы нашел своего потенциального коммерческого пользователя.
Но здесь стоит задача не просто воспроизвести двигатель, а спроектировать его заново, сделать его менее трудоемким с точки зрения производства, чтобы он имел не только отличные энергетические характеристики, но и привлекательную, конкурентоспособную стоимость. Такую работу мы планируем делать на опережение. Пока идут предварительные расчеты, после которых будет принято решение по диапазону тяги и схеме двигателя. Новый двигатель будет создан полностью в цифре, планируем максимально использовать аддитивные технологии и композитные материалы.
— По композитным материалам какие именно работы у вас ведутся?
— В этом году совместно с Центром Келдыша на модельной камере проведены исследования по использованию неохлаждаемого сопла из композитных материалов. Это большая перспектива по снижению веса наших двигателей, снижению трудоемкости их изготовления. Температура, где работает этот неохлаждаемый насадок, достигает 1300 градусов Цельсия, то есть температуры плавления сталей, жаропрочные никелевые сплавы при такой температуре теряют свою прочность.
Первым двигателем, на котором мы планируем использовать композитное сопло, должен стать РД-191 или его модификация
Сегодня стенка камеры и сопла двигателя состоит из двух оболочек, спаянных между собой. В процессе работы между оболочками течет один из компонентов ракетного топлива, обеспечивая охлаждение внутренней оболочки. Такая конструкция доказала свою состоятельность и работоспособность, однако является достаточно трудоемкой в производстве и, соответственно, дорогой.
Известно применение композитных сопел для двигателей верхних ступеней как в России, так и за рубежом. Однако для первых ступеней такое сопло еще не применялось. Первым двигателем, на котором мы планируем использовать композитное сопло, должен стать РД-191 или его модификация.
— Аддитивные технологии в каких двигателях будете применять?
— Благодаря развитию аддитивных технологий, сегодня у нас появляется возможность за несколько часов сделать ту работу, на которую раньше ушли бы месяцы. Например, печать такой сложной сборочной единицы, как смесительная головка. Снижение трудоемкости — колоссальное. Но есть и сложности. Одна из них — подбор и применение материалов, обладающих хорошей прочностью и хорошей теплопроводностью. Работаем вместе с ведущими металлургическими институтами страны и все работы проводим за собственные средства.
Мы уже определили для себя ряд агрегатов, где применение аддитивных технологий может быть актуальным, попробуем их изготовить, проведем автономную обработку, после чего примем решение — внедрять это на двигатель или нет. В основном это достаточно сложные, трудоемкие в обычной механике сборочные единицы двигателей РД191 и РД171МВ. Но пока это экспериментальный вариант, мы только изучаем возможность использования аддитивных технологий в ракетном двигателе.
— Как продвигается разработка кислородно-метанового двигателя, какие результаты получены?
— В настоящее время КБХА и НПО "Энергомаш" в рамках опытно-конструкторской работы отрабатывают технологии использования метана в качестве компонента топлива в перспективных ЖРД — это формирование научно-технического задела на будущее. Выпущен эскизный проект, где рассмотрены все типы схем ЖРД. В ближайшее время должен пройти научно-технический совет интегрированной структуры ракетного двигателестроения по выбору варианта для дальнейшей разработки. Но, к сожалению, конкретной ракеты-носителя, под которую разрабатывается двигатель, пока нет.
— Зачем нужен двигатель на метане?
— В свое время основатель НПО "Энергомаш" Валентин Глушко, возглавляя совет по ракетным топливам при Академии наук, исследовал комбинации веществ в качестве окислителя и горючего применительно к ракетным топливам. Была исследована практически вся таблица Менделеева, в том числе и метан. И в результате было показано, что при более высоком удельном импульсе (на примерно 10–15%), чем у кислородно-керосиновых ЖРД, баки РН с метаном той же массы, что и керосин, будут тяжелее из-за более чем двухкратной разницы плотности (конструкция самого бака будет весить больше — прим. ТАСС). Ожидаемого эффекта для первых ступеней не будет. Поэтому, проведя ряд теоретических проработок, НПО "Энергомаш" в дальнейшем сосредоточилось на работах с традиционными компонентами топлива, такого как кислород и керосин.
Энергетическая эффективность метана может обеспечить вывод большой массы полезной нагрузки
Другое дело верхние ступени РН. Там, где согласно законам физики влияние удельного импульса выше, энергетическая эффективность метана может обеспечить вывод большой массы полезной нагрузки. Понимая это, Центр Келдыша совместно с КБХА и КБХМ продолжили исследования по возможности использования метана в ракетных двигателях. Надо отдать должное их успехам в этом направлении, так как сегодня проведены не только теоретические исследования, но и самые настоящие огневые испытания ракетных двигателей на кислородно-метановом топливе. В отрасли накоплен определенный опыт работы с таким взрывоопасным веществом как метан.
Кроме того, на основе созданных в КБХА проектов ЖРД на метане в РКЦ "Прогресс" разработана линейка ракет от легкого до сверхтяжелых классов под этот вид топлива. Создание научно-технического задела по метановому направлению продолжается, тем более что в перспективе метан должен быть более дешевым компонентом топлива из-за его широкой сырьевой базы. К тому же метан есть на Марсе, и уже сегодня некоторые компании создают двигатель и ракету для полетов к Красной планете на метане, ставя задачу вернуться домой на топливе, добытом там.
— Как продвинулись работы по созданию двигателя с детонационным горением?
— Совместно с Институтом гидродинамики им. Лаврентьева, МАИ, Центром Келдыша, Центральным институтом авиационного моторостроения им. Баранова, Механико-математическим факультетом МГУ мы создали несколько вариантов камеры жидкостного ракетного двигателя, которая работает по принципу непрерывной спиновой детонации — топливо сгорает со сверхзвуковой скоростью.
Курировал эту работу Фонд перспективных исследований (ФПИ). Теоретически предполагалось, что детонационное горение даст нам выигрыш по тяге двигателя. Огневые испытания показали, что выигрыш действительно есть, однако не такой ощутимый, как мы предполагали.
— На этом исследования детонационного двигателя завершены?
С помощью технологии детонационного горения потенциально ракетный двигатель можно сделать более легким и более надежным
— Проект, который мы делали под эгидой ФПИ, — закончен. Мы доказали, что детонация в ЖРД возможна, сконструировали камеру. Однако в своих изысканиях мы не остановились: проводя работы, мы получили интересный результат: помимо прироста по энергетике, который в целом был ожидаем, мы получили прирост тяги при достаточно низком уровне давления подачи топлива. Это заманчиво, потому что позволяет в перспективе повысить надежность и увеличить ресурс турбонасосного агрегата. А турбонасосный агрегат и камера сгорания — это два ключевых агрегата, во многом определяющие надежность ракетного двигателя. То есть с помощью технологии детонационного горения потенциально ракетный двигатель можно сделать более легким и более надежным.
Поэтому сейчас, уже за собственные деньги, мы проводим проектирование двух двигателей с тягой 5 и 20 тонн с использованием камеры, работающей по принципу детонационного горения. В рамках данной НИОКР мы пытаемся оценить результаты с точки зрения массогабаритных и вибропрочностных характеристик. Если результаты будут хорошие, то продолжим исследовательские работы.
— Какие двигатели наиболее перспективны для полетов в дальний космос?
Для увеличения тяги необходимо создать компактные, но мощные источники электрического тока
— Сегодня наши двигатели, обладая тягой в десятки и сотни тонн, выполняют самую тяжелую и неблагодарную работу — отрывают ракету от поверхности Земли. Альтернативы им в этом вопросе на дальнесрочную перспективу — нет. Можно их использовать (и так делается) и для полетов к Луне, Марсу и т.д. Но гораздо эффективнее использовать электроракетные двигатели (ЭРД), которые по эффективности в разы превышают ЖРД и ракетные двигатели на твердом топливе. Правда, есть проблема: сегодня тяги ЭРД измеряются в граммах и разгон космического аппарата до нужных скоростей может занять длительное время. Для увеличения тяги необходимо создать компактные, но мощные источники электрического тока. За этим направлением большое будущее.
Но все равно говорить о межгалактических полетах на имеющихся типах двигателей пока не приходится. Для преодоления расстояния в сотни и миллионы световых лет нужны другие двигатели, а может и способы перемещения.
— Какие направления в ракетно-космической отрасли, по-вашему, самые перспективные?
— Я бы назвал два основных. Первое — это освоение дальнего космоса с помощью имеющихся средств выведения и двигателей. В качестве первого этапа можно рассматривать Луну и Марс. Второе направление — это полеты в ближний космос, который постепенно переходит в коммерческое русло. И здесь наиболее перспективное направление — это создание на базе имеющихся носителей многоразовых возвращаемых ступеней. У нас такой опыт есть, двигатель РД-170 был сертифицирован на десятикратное полетное использование в рамках программы "Энергия-Буран". Сегодня в России под руководством генерального конструктора по средствам выведения А.А. Медведева ведутся работы по созданию научно технического задела по созданию многоразовых РН сверхлегкого класса.
Летательный аппарат будет выходить в ближний космос, преодолевать основное расстояние и совершать посадку в нужной точке Земли гораздо быстрее обычных самолетов
Дальнейшее развитие этого направления, по моему мнению, в создании одноступенчатых летательных аппаратов с комбинированным ракетным двигателем, способных самостоятельно летать в космос и возвращаться. Такие комплексы могут эффективно использоваться в том числе для коммерческих транспортных перевозок. Летательный аппарат будет выходить в ближний космос (~100 км), преодолевать основное расстояние и совершать посадку в нужной точке Земли гораздо быстрее обычных самолетов. Сегодняшний уровень разработок в металлургии, материаловедении позволяет сделать подобное, одноступенчатое средство выведения.
— Какие двигатели будут отгружены иностранным заказчикам в этом году?
— В настоящее время изготовление товарных двигателей в НПО "Энергомаш" идет в соответствии с заключенными контрактами. Отгрузка первой партии РД-180 и РД-181 в США запланирована на второй квартал 2018 года. А следующая партия этих двигателей отправится заказчикам в конце года. Что касается РД-191, то, согласно контракту, в конце года заказчику будут отправлены два двигателя. Кстати, на этих двигателях уже будут частично реализованы усовершенствования, которые мы внедряем в рамках программы повышения надежности и снижения стоимости.
Беседовала Валерия Решетникова