Ученые МАИ участвуют в разработке перспективных ракетных двигателей
 |
| Гарри Попов |
| Источник: vpk-news.ru |
Создателей космической техники иногда упрекают в консерватизме. Мол, пилотируемые полеты до сих пор осуществляются с помощью ракеты-носителя, разработанной еще Королевым. Директор НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ академик РАН Гарри Попов считает иначе, подтверждая свою правоту примерами из личного опыта.
– Если сравнивать авиацию и космонавтику, то создается ощущение, что первая всю дорогу развивалась стремительно, тогда как вторая очень неохотно внедряла какие-то новшества. Речь не о военном ракетостроении, а о пилотируемых полетах. За 60 лет, прошедших после полета братьев Райт, самолеты приобрели принципиально иной облик, ушли на сверхзвук и в стратосферу… За 60 лет пилотируемой космонавтики как Гагарин полетел на «семерке» (Р-7), так и нынешние космонавты стартуют с Байконура на модификациях все той же ракеты. Яблони на Марсе никак не желают цвести…
– Вы не правы. Со времен «семерки» создано большое количество принципиально новых ракет-носителей, разработаны двигатели с немыслимыми для первых шагов космонавтики характеристиками. Да, конструкция Р-7 оказалась на редкость удачной, и грех было бы не использовать весь ее потенциал.
“В ближайшей перспективе зайдет речь о доставке больших объемов грузов на Луну и на Марс, если подразумевается их колонизация. В этих проектах электроракетные двигатели будут использоваться как маршевые”
Но тот же проект «Энергия» – «Буран» создан с нуля, все технологии на тот момент были уникальными. И то, что его свернули, вовсе не вина разработчиков. Теперь опять стоит вопрос о производстве мощных водородно-кислородных двигателей сродни тем, что стояли на «Энергии». Но после катастрофического уменьшения финансирования космической науки и техники в 90-е годы восстанавливать наши прошлые разработки очень тяжело. Да и технологии изменились, потому многое приходится изобретать заново исходя из нынешних условий.
Но денег нет. В Федеральной космической программе сейчас заложено 1 триллион 400 миллиардов рублей – крайне мало, особенно притом что все непрерывно дорожает, в том числе и конечная продукция. Но я уверен, что несмотря на сложную обстановку, ракетно-космическая промышленность будет развиваться и решать многие задачи на качественно новом уровне.
По сравнению с авиацией ракетное направление впереди. В значительной мере это связано с тем, что в 90-е был создан Роскосмос, которым многие годы руководил Юрий Коптев. Небольшое отступление. Когда я учился, у меня заведующим кафедрой был профессор Александр Васильевич Квасников, легендарная личность. В Первую мировую он, будучи одним из лучших летчиков Российской армии, впервые на самолете использовал пороховую ракету, сжег ею немецкий наблюдательный аэростат. Квасников вместе с техниками сделал пусковую установку для зажигательной ракеты. Так что первая ракета «воздух-воздух» появилась почти сто лет назад, в августе 1917-го. Впоследствии Квасников стал одним из известнейших в СССР специалистов в области ракетных двигателей. Именно он совместно с руководителями МАИ в 1960 году создал в институте кафедру электроракетных двигателей – то направление, которым мы сейчас занимаемся.
– То есть существует альтернатива химическим ракетным двигателям, жидкостным и твердотопливным?
– Это не альтернатива, а дополнительное расширение возможностей, во всяком случае на обозримое будущее. Циолковский еще в 1911 году писал, что будущее за электрическими ракетами. Технических решений у него не было, конечно, но он уже тогда понимал принципиальное преимущество двигателей электрических перед химическими. Если в качестве примера взять возможности ЭРД в части доставки-довыведения на геостационарную орбиту (ГСО) КА повышенной массы, то масса аппарата, его полезной нагрузки может быть увеличена до полутора раз и более. Апогейный ЭРД может иметь удельный импульс тяги, в несколько раз превышающий подобный показатель химических ракетных двигателей, лучшие из которых имеют 400–450 с. А ЭРД – от 1500 с до 3000–5000 с и выше. Больше скорость – значит, в соответствии с формулой Циолковского требуется меньший запас рабочего тела.
– Но ЭРД, насколько я знаю, все-таки больше вспомогательную роль играют, главным образом для коррекции орбиты...
– Нет, картина иная. Если такой двигатель довыведения включить на Земле, то вы не заметите даже, что он работает. Мощность – 4,5 кВт, тяга – меньше тридцати граммов. На поверхности Земли она ничего не значит, но на орбите это уже сила. Многие скептики говорят: с такой тягой разгон будет происходить слишком долго. Но давайте просчитаем два варианта полета КА в далекий космос. Тяга ЖРД, к примеру, сто тонн, а работает он две минуты. А ЭРД пусть и с малой тягой, но ускоряет космический аппарат непрерывно в течение долгого времени. Нет, сейчас ЭРД все более начинают играть роль маршевых двигателей. Конкретно для этого ОКБ «Факел» создал ЭРД СПД-140Д мощностью 4,5 кВт и тягой 28–29 граммов. Указанные маршевые двигатели могут применяться только на относительно большом расстоянии от Земли в невесомости. Для выполнения баллистической задачи требуется в первом приближении так называемый суммарный импульс тяги – произведение тяги двигателя на его моторное время. Оценки показывают, что в этом случае суммарный импульс тяги СПД-140Д составляет около двух эквивалентных ЖРД с тягой ≈ 1 тс и моторным временем масштаба две минуты.
– Когда появились первые электроракетные двигатели?
– Первые стендовые испытания ЭРД, конкретно импульсных плазменных двигателей, были осуществлены Валентином Глушко в 1929 году. Пионерами современных электроракетных двигателей стали физики Курчатовского института. Исследованные и разработанные ими ЭРД были испытаны в космосе в 1964-м. На первом этапе это были импульсные плазменные двигатели, которые выполняли задачу ориентации солнечных батарей на КА «Зонд-2». В Курчатовском институте были созданы и исследованы холловские двигатели (А. В. Жаринов и А. И. Морозов), ионные двигатели (П. М. Морозов). Ионные двигатели и стационарные плазменные двигатели испытаны в космосе, а с 1972 года последние были впервые апробированы в качестве двигателей – исполнительных органов систем управления движением космических аппаратов (КА «Метеор»). Начиная с 1983-го СПД используются в качестве двигателей коррекции геостационарных аппаратов (из российских аппаратов в основном КА, создаваемых в ИСС имени академика Решетнева). Подобные двигатели СПД-70, СПД-00 в большинстве были произведены в Калининградском ОКБ «Факел». В настоящее время СПД ОКБ «Факел» применяются на американских и европейских КА. СПД создаются и в центре Келдыша. В настоящее время СПД используются и как маршевые двигатели в системах довыведения американских и российских геостационарных КА. В качестве рабочего тела в СПД используется ксенон. После довыведения указанные двигатели могут функционировать и в качестве двигателей коррекции.
Практический опыт довыведения наших спутников на геостационарную орбиту у нас уже имеется, толчком к этому послужила банальная ошибка в техническом задании. Когда создавали спутники «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6», оказалось что в соответствии с техническим заданием они были несколько тяжелее и по стандартной схеме вывести указанные КА на ГСО не было возможным. Решение проблемы нашли три организации: решетневская фирма (ИСС имени академика М. Ф. Решетнева), калининградское ОКБ «Факел», производитель двигателей коррекции орбиты, и наш НИИ ПМЭ МАИ. Решение было такое: развернуть аппарат относительно направления его движения так, чтобы двигатель коррекции стал маршевым и при помощи этого двигателя привести спутник связи в нужную точку стояния.
26 декабря 2013 года «Экспресс-АМ5» вывели на опорную орбиту, и за два месяца с помощью ЭРД он достиг расчетной точки стояния. Масса спутника была увеличена всего на 110 килограммов, что при новой схеме выведения оказалось вполне допустимым. При этом плановый срок работоспособности спутника не изменился, он прослужит 15 лет, ресурсы для коррекции его орбиты на весь этот период удалось сохранить. Аппарат «Экспресс-АМ6» аналогичным образом доставлен на орбиту в 2015 году.
– Если смотреть в будущее, есть ли какие-то теоретические изыскания, которые позволят перевести космические полеты на совершенно иной уровень?
– Я практик. Нынешние проблемы требуют неординарных решений. В ближайшее время в России чего-то более перспективного, нежели дальнейшее развитие электроракетных двигателей в околоземном космосе, я не вижу.
– А если помечтать, Гарри Алексеевич?
– У меня мечты – чтобы двигатели были полезны для жизни, для решения насущных задач. Увеличить в полтора раза полезную нагрузку, выводимую на геостационарную орбиту при той же мощности носителя, – разве это не достижение?
– Но с нынешней тягой электроракетные двигатели вряд ли применимы для пилотируемой космонавтики...
– Почему же. ЭРД с ядерной энергетической установкой – такие идеи прорабатываются. Этим, в частности, занимается ГНЦ «Центр Келдыша». Межпланетные пилотируемые полеты с использованием ЭРД в качестве маршевых двигателей – дело пусть и не близкое, но реальное. Помимо этого существует множество проектов использования ЭРД в околоземном пространстве, скажем, некий транспортный модуль, который может менять орбиты. Он и буксир, и космический мусорщик, собирающий летающие вокруг Земли техногенные обломки...
В ближайшей перспективе зайдет речь о доставке больших объемов и масс грузов на Луну и Марс, если подразумевается их колонизация. В этих проектах ЭРД будут использоваться как маршевые двигатели. Нужны задание на их разработку и средства, хотя с ними сейчас достаточно тяжело. Федеральная космическая программа существенно урезана по сравнению с вариантом, опубликованным в 2014 году. Это понятно и оправданно – в настоящий момент важно сохранить в рабочем состоянии уже имеющуюся космическую группировку. Хочется отметить, что, как и ранее, наука и промышленность работают в связке. И очень важно, что в вузах к решению задач привлекаются студенты и аспиранты. Они работают по нашим темам и понимают – за будущее нашего космоса отвечать придется им. У нас в МАИ отличная испытательная база, на которой решаются задачи для ОКБ, проводятся исследования молодыми специалистами, аспирантами и, что очень важно, в работах принимают участие ученые, профессора, преподаватели. Тут даже не знаешь, что важнее: долгожданная ученая степень или тот факт, что к чему ты приложил голову и руки, летает в космосе и приносит пользу.
По орбите – на гидразине
Одним из ведущих производителей электроракетных двигателей в России является ОКБ «Факел» в Калининграде. Предприятию более 60 лет. Оно создавалось для разработки торпедных двигателей, но с началом космической эры было перепрофилировано под нынешний ассортимент. Рассказывает генеральный директор ОКБ Михаил Коркунов.
В первые годы после создания ОКБ «Факел» мы могли делать всего несколько двигателей в год. Этого было вполне достаточно. Сейчас выпускаем до 70 двигателей в год и можем больше, если будут заказы. Но не надо забывать, что все наши нынешние возможности уходят корнями в советское прошлое, когда была создана и технологическая, и научная база. Продукция наша пользуется спросом, благо, порядка 40 процентов запускаемых космических аппаратов оснащается электроракетными двигателями разных типов. Скажем, помимо стационарно-плазменных, используемых на спутниках связи типа «Экспресс» мы выпускаем еще и термокаталитические двигатели на гидразине – ими, в частности, оснащены все аппараты группировки ГЛОНАСС. Порядка сорока процентов наших двигателей продается за рубеж, в числе покупателей почти все ведущие иностранные компании, занимающиеся созданием спутников связи. Так что не только нефтью может торговать Россия.
Гарри Попов
Беседовал Алексей Песков
Опубликовано в газете "Военно-промышленный курьер" выпуске № 20 (635) за 1 июня 2016 года
