И вместо сердца — пламенный мотор. С центральным телом

0
10

Проректор ЮУрГУ Сергей Ваулин — о том, почему мы по‑прежнему делаем ракеты и что нового в этой области придумали челябинские ученые

И вместо сердца — пламенный мотор. С центральным телом

Сегодня на полигоне Нижнесалдинского НИИ машиностроения (НИИМаш, г. Нижняя Салда, Свердловская область) успешно прошли испытания модельного жидкостного ракетного двигателя (своего рода демонстратора технологии) для первой российской возвращаемой ракеты-носителя. Проект создания возвращаемой ракеты — идея Государственного ракетного центра им. Макеева (ГРЦ, г. Миасс, входит в корпорацию «Роскосмос»), разработка двигателя — крупнейший проект Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ) «Передовые производственные технологии и материалы», и осуществляется учеными ЮУрГУ в сотрудничестве со специалистами ГРЦ и НИИМаш. ИА «Первое областное» попросило проректора ЮурГУ по научно-образовательным центрам и комплексным научно-техническим программам Сергея Ваулина рассказать об особенностях разработки.

И вместо сердца — пламенный мотор. С центральным телом

— Все большая коммерциализация, использование возможностей космоса, космической техники для больших, массовых коммерческих проектов — одна из основных тенденций современной космонавтики. А коммерция — это прежде всего вопросы себестоимости полетов и цены как собственно выводимого на орбиту груза, так и носителей, выводящих этот груз на орбиту. И, конечно, наиболее эффективно будет работать с возвращаемыми носителями, многоразовыми. Отсюда и идея полностью возвращаемой ракеты-носителя.

В этой идее абсолютно нового нет ничего — как вы знаете, человечество уже создавало многоразовые носители — будь то американские «Шаттлы» или наш, советский «Буран». Но те подходы, при всем величии этих программ, все-таки были другими. И форма возвращаемого носителя была ближе к самолетам, и все равно при запуске большая часть системы доставки — ракета, разгонные блоки и т. д. — все равно погибали.

— Но есть и современные проекты возвращаемых носителей. Взять хотя бы ракеты компании Илона Маска.

— Безусловно. Но и эти разработки предполагают возвращение на землю лишь части ракеты, ее первой ступени, а не всей ракеты целиком.

У деления ракеты на ступени есть свои плюсы, но есть и минус — это именно ступенчатость, когда разные части ракеты, отработав свое на разных высотах, должны как-то вернуться назад. И то — по частям, а не вместе, в первоначальном виде.

Главная же «загвоздка» в том, что те двигатели, которые у ракеты работают в космосе, не смогут работать при возвращении в условиях земной атмосферы, ее нижних слоев. Все просто, основные законы физики — уровень давления атмосферы на разных высотах разный.

Соответственно единственный вариант полностью возвращаемой ракеты — одноступенчатый. И в том случае, когда на ней используется определенный тип двигателя — реактивный двигатель с центральным телом, вокруг которого расположены камеры сгорания. Такая схема позволяет двигателю, у которого просто нет внешней стенки сопла, эффективно работать в куда бoльшем диапазоне давления, и, соответственно, на самых разных высотах. 

И вместо сердца — пламенный мотор. С центральным телом

— То есть ракета будет и взлетать, и садиться с помощью одного и того же двигателя?

— Именно так. Плюс, конечно же, кроме маршевого двигателя у ракеты будут и двигатели управления, которые будут установлены в самых разных ее частях.

Конечно, двигатели с центральным телом разрабатывались и раньше. Но они требовали либо так называемой кольцевой камеры сгорания, либо каких-то других решений. Для области малых тяг это решение вполне применимо, и такие двигатели испытывались, и способны работать в верхних слоях атмосферы. Хоть и не без минусов — яркое свечение, расхождение исходящих газов и так далее. И эти минусы в итоге и не дали развить эти двигатели до уровня массового применения.

А когда речь идет про двигатели, рассчитанные на большую тягу (а параметры разрабатываемой ракеты — это около 30 метров в высоту, примерно 300 тонн массы и, в зависимости от места старта от 8 до 12 тонн полезной нагрузки, выводимой на орбиту), то возникает вопрос: а как достичь необходимых для подъема и вывода на орбиту 400—500 тонн тяги? Добавьте к этому требования по надежности — различные части ракеты должны быть рассчитаны на 25-, 50- и даже 100-кратное использование. 

Таких камер сгорания, таких двигательных установок с центральным телом подобной тяги еще не делали.
Возникла идея окружить центральное тело обычными ракетными двигателями, которые и будут направлять исходящие из них потоки газов под центральное тело. Первые публикации на эту темы были сделаны в начале 2000-х годов, и вообще нужно сказать, что за рубежом наши коллеги выполнили довольно большой объем расчетно-теоретических работ. 

Были и экспериментальные работы. Наиболее близкая к нашей работа была проведена в США, кажется в 2010 году, на компонентах топлива «спирт-кислород». Но эта работа так и не была завершена, потому что опыты оказались неудачными — на испытаниях были зафиксированы отказы двигателей.

Были еще и так называемые «холодные продувания», когда камеры сгорания продувались холодным воздухом. Да, убедились, что сама идея работает — потоки газов подстраиваются под давление окружающей атмосферы. Увеличивали и количество камер сгорания — начинали с восьми и в итоге дошли до 16. Большим количеством уже очень трудно управлять.

Мы в ЮУрГУ, в общем, тоже пошли по этому же пути, но в нашем варианте двигателя довольно много изменений по сравнению с тем, что создавали наши коллеги раньше. Отработали это все и в итоге создали «в металле» установку, которая является своего рода демонстратором технологий. Теперь нам важно испытать его в деле.

Вообще же задача по созданию многоразовой возвращаемой ракеты предполагает огромный объем работ, исследований, компетенций не только в части двигателей, но и по части баллистики, материаловедения, ракетного топлива, систем управления, навигации, связи… Задача в чем-то равнозначная по уровню тому же «Бурану». Но — уверен — решаемая.

И вместо сердца — пламенный мотор. С центральным телом

— Вы перечислили области компетенций, необходимых для создания ракеты. Чем из этого обладает ЮурГУ?

— Прежде всего — в областях материаловедения, систем управления, двигательных установок.

Но мы же все-таки высшее учебное заведение и занимались не только наукой. В последние лет 10, когда ЮУрГУ был структурирован по-новому и был воссоздан политехнический институт, мы начали возвращаться к проектному обучению, которое на самом деле часто использовалось во времена СССР. То есть — делать проекты на реальные темы. Без отрыва от учебного процесса. И раз есть реальная тема, то по ней работают все — и профессорско-преподавательский состав, и молодежь, в том числе студенты. И этот симбиоз позволяет нам браться (и решать) за те задачи, которые еще недавно мы бы не взялись делать.

Ели же говорить о двигателе для возвращаемой ракеты, то идея, повторюсь, возникла у специалистов ГРЦ им. Макеева, и мы работаем по этой теме вместе с ними и со специалистами нижнесалдинского НИИМаш, который является одними из ведущих структур в части создания и изготовления ракетных двигателей малой тяги для управления полетом космических аппаратов.

Возвращаясь же собственно к разработке, отмечу, что термин «демонстратор технологии» — очень точный, хоть и не присутствует в стандартах. Мы привыкли к терминам «опытный образец», «промышленный образец», «макет» и так далее. Но они не совсем верно отражают то, что именно и для чего именно мы сделали.

Ученые ГРЦ имени Макеева, конечно, продумывая изначальную идею, понимали, насколько сложная и рискованная тема с двигателем. И именно они предложили нам начать, что называется, с «малых форм». Хотя поначалу мы, честно говоря, сопротивлялись, хотели идти более широкими шагами. Но в итоге поняли, что коллеги правы и начинать надо с демонстраторов тех технологий, которые будут применяться в готовом изделии.

Это не только демонстратор двигательной установки, но и, например, демонстратор технологии топливных баков — ведь на реальной ракете в качестве топлива и окислителя будут использоваться жидкие водород и кислород, а это значит, температуры в –252 и –183 градуса Цельсия соответственно. И демонстратор технологии системы управления.

— Каждая из 16 камер сгорания с виду довольно просто устроена…

— Это кажущаяся простота. И не только потому, что малые размеры требуют большей точности при изготовлении изделия. А как охлаждать такой небольшой по площади поверхности двигатель? Ведь чем больше размер, тем больше и возможностей охлаждения. В этом плане маленький двигатель сложнее большого. И это отчасти объясняет то, что созданием и изготовлением микродвигателей, в том числе для ракетно-космической техники, занимаются очень серьезные предприятия.

В нашем случае разработка камер сгорания — совместная с коллегами из НИИМаша. Мы давно сотрудничаем, там работают выпускники ЮУрГУ. Тяга каждого из 16 элементов — от 10 до 30 килограммов, в зависимости от давления, с которым подаются компоненты топлива.

— Не поверю, если вы скажете, что до сегодняшнего запуска установки вы совсем не испытывали ее компоненты в деле.

— Пробные испытания уже были, и они также прошли успешно. Сегодня у нас был демонстрационный пуск, который мы совершили в соответствии с контрактом, заключенным нами с министерством образования и науки Челябинской области.

И вместо сердца — пламенный мотор. С центральным телом

— Создание такого демонстратора технологий — дорогое удовольствие?

— Достаточно дорогое, как и все, что связано с самыми передовыми научно-техническими разработками. И здесь я не могу не поблагодарить губернатора Челябинской области Алексея Леонидовича Текслера за поддержку (контракт с региональным Минобром — 70 миллионов рублей. — Прим. ред.). Не было бы этой поддержки — ничего бы не было. Кроме областных денег 5 миллионов рублей собственных средств вложил в разработку университет. Плюс мы получили финансирование в Уральском межрегиональном научно-образовательном центре — еще три миллиона. Итого — 78 миллионов. Но дорого это или нет? Для разработок такого уровня — не так уж и затратно.

— Демонстрационный пуск, испытания прошли успешно. Что дальше?

— Сейчас мы продемонстрировали то, что эта технология возможна. С компонентами топлива в виде спирта и кислорода. Думаю, что в следующем году мы перейдем на топливную пару «водород-кислород» в газообразном состоянии. При тех же размерах, что сейчас, двигатели будут давать гораздо более высокую тягу.

А дальше мы перейдем к криогенике, к топливу из жидких водорода и кислорода. Это уже будет максимальное приближение к реальной ракете. И вот тогда мы сможем перейти к демонстраторам технологий ракеты-носителя в целом. Думаю, что такой демонстратор будет раз в пять-шесть меньше реальной ракеты, но должен будет выполнять все реальные функции, включая посадку.

Это очень сложная задача. И касается не только двигательной установки, но и, как я говорил, всех систем ракеты. Например, системами управления занимается целая группа ученых во главе с нашим ректором Александром Леонидовичем Шестаковым. Он сам лично включился в работу. Благо, как вы знаете, является выпускником кафедры систем автоматического управления приборостроительного факультета, доктором технических наук, специалистом в этой области, про которую знает практически всё.

— Разработка, опыты, испытания, создание двигателя, ракеты — это все увлекательно и по-хорошему прекрасно. Но что проект даст университету и Челябинской области в целом?

— На этом проекте уже сейчас растут и учатся студенты, повышают квалификацию молодые ученые и преподаватели. Мы создали молодежное конструкторское бюро, в котором трудятся больше 100 студентов, а также молодежную лабораторию, в которой будут заниматься и физикой с химией процессов, происходящих с топливом, и газовой динамикой.

Кроме того, это серьезные научные исследования, которые были сделаны в рамках наших разработок. Мы подали заявки на патенты двигательной установки и системы управления. Будут написаны (и уже пишутся) научные работы, защищены диссертации… На этом проекте вырастут ученые, и не только двигателисты, но и ракетчики.

Наконец, мы получим целое поколение прекрасных молодых специалистов. Те ребята, которые пройдут школу молодежного конструкторского бюро и лаборатории, гораздо легче будут адаптироваться к работе на тех предприятиях, в которых они устроятся после окончания университета. Студенты, которые в ходе учебы прошли через проекты, подобные этому, поверьте, будут очень востребованы в самых передовых компаниях, занимающихся теми же двигателями, ракетно-космической техникой, системами управления. Мы, конечно, прежде всего думаем о наших коллегах и товарищах из Государственного ракетного центра имени Макеева (улыбается), перед которыми стоят задачи не только оборонного профиля.

— И все равно — «мы делаем ракеты»?

— Мы это умеем. И, собственно, почему мы должны отказываться от этих навыков? Они востребованы не только в военном деле, но и в мирной жизни.