Завьялов Владимир Семенович

МЕТАНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ,

 

1. В ОАО «Энергомаш» в настоящее время (февраль 2015 г.) не наблюдается интереса к работам с метаном. Реальная перспектива видится в продолжении работ по кислородно- керосиновым двигателям семейства РД-170. Это РД-180 для «Атлас-5», РД-181 для «Антарес», РД- 191 для «Ангары» и РД-195 на перспективу, РД-193 для «Союз-2.1в». Есть предложения по созданию РН сверхтяжелого класса на основе двигателей типа РД-170 или РД-175. Остаются хрупкие надежды на возобновления работ с Морского Старта. Большие надежды возлагаются на будущие крупные контракты с Китаем по двигателям семейства РД-170.

    Расчеты и проектные проработки по метановому двигателю есть только в диссертации И.А.Клепикова и патентах от группы лиц «Энергомаша». Никаких экспериментов с метаном не проводилось, хотя проектно-расчетные работы по применению метана начались в 1981 г.

Следует отметить, что разговоры о новых топливах и о новых способах горения в КС ЖРД ведутся давно (ацетам, детонационное горение), но без экспериментов. Еще 60 лет назад было принято, что без проведения экспериментов это разговоры чистая болтовня.  У В.П.Глушко были специальные двигатели на которых проводились поверочные испытания. У Д.Д.Севрука (в ОКБ-3 НИИ-88) эти испытания проводились по государственной программе освоения новых топлив на серийных двигателях.  

    2. ОАО КБХА в ЭП «Союз-5» «ГРЦ-Прогресс» представлено двигателем РД-0164. Тяга 340,0/390,7 (это очевидно с выдвижным насадком), Удельный импульс 311,5/358,0, диапазон Рк 100-40 %, Мсух. 3000 кг., схема ДВВГ. Никаких экспериментов с двигателем или с его прототипами (РД-162) не проводились.

На двигателе РД-0146 проведено 6 включений на топливной паре кислород-метан с общим временем работы 200 сек. Параметры не известны, как и время выхода на режим.

По договору с итальянской фирмой AVIO в 2014 г. завершены испытания двигателя-демонстратора тягой 10 т. на основе двигателя РД-0146 с метаном, но головка КС и метановый насос спроектированы и изготовлены в Италии.

Продолжаются работы (бумажные) по созданию метанового двигателя-демонстратора тягой 40 т. по теме МРКС-1. Эти работы не связаны с созданием РН семейства «Союз-5», но каким-то образом финансируются.

3. В КБХМ расчетные и экспериментальные работы с метаном начались в 1994 г. на материальной части двигателей, оставшихся от 11Д56 и КВД-1. В настоящее время результаты испытаний по внедрению метана в РКТ на двигателях С5.86 тягой 7,5 т. (на основе КВД-1) являются пока наиболее полными в России и пока в мире.

4. Работы по метану в Европейском Космическом Агенстве (ЕКА).

Первый раз я услышал о них в 2001 г. на конференции ЕКА по «зеленым топливам» в Нордвайке (Голландия). От России были приглашены КБХМ (В.С.Завьялов), КБХА (В.Д.Горохов). были еще от ГИПХ по перекиси водорода. В одном из основных докладов представительница КНЕС рассказала о перспективах перевода ТТУ Ариана-5 на метан, что приведет к улучшению энергомассовых характеристик РН и снижению стоимости выводимого ПН. В наших рекламных докладах не было ничего интересного, но к нам было множество вопросов. Двигатель КБХА РД-0120 по размерности подходил для метаноых ускорителей будущих модернизаций РН «Ариан». Двигатель КБХМ на метане уже работал десятками секунд, и готовилось испытание на 500 сек. О чем я и рассказал, говоря о результатах испытаний полноразмерного двигателя тягой 7,5 т.  Этот двигателей очень заинтересовал представителей ЕКА и КНЕС и др., как двигатель-демонстратор будущих ЖРД больших тяг на метане. В докладе КНЕС подчеркивалось особые преимущества метана на нижних ступенях.

На этом все радужные перспективы для КБХМ по метану закончились. ЕКА предложило Роскосмосу контракт на проведение проектных и экспериментальных работ по внедрению метана в РКТ (Программа «Волга»). Запахло валютой. В исполнители при головной роли Центра Келдыша были включены «Энергомаш» и «КБХА», а КБХМ  исключено из числа исполнителей. Центр Келдыша определен как разработчик и изготовитель метанового двигателя-демонстратора. Далее последовали контракты по работам с метаном с Южной Кореей и Японией при головной роле Центра Келдыша. Создать двигатель-демонстратор Центру Келдыша естественно не удалось, хотя он расплачивался на стороне наличными деньгами за конструкторскую документацию и изготовление агрегатов. Работы по метану в Южной Корее и Японии после мудрого руководства Центра Келдыша были прекращены. В следующей программе ЕКА «Урал» работы по двигателю-демонстратору были закреплены за КБХМ, но при головной роли Центра Келдыша, который считался разработчиком ТЗ на двигатель С5.86 и определял объем финансирования на изготовление двигателя и его испытания в НИИХИММАШ.

У меня создалось представление, что экспериментальные работы подтверждающие возможность применения метана в РКТ умышленно тормозились по различным причинам.

1. В стране шла разработка экологически чистого РН «Ангара», который должен был полностью заменить РН «Протон» по выводу ПН, как МО и народно-хозяйственных, так и коммерческих, включая ГСО. Модульный принцип «Ангары» позволял охватить весь диапазон ПН РН легкого, среднего и тяжелого класса, и все это при пусках с отечественного полигона. В этих условиях создание РН, использующих в качестве горючего метан для тех же ПН считалось непозволительной роскошью, что было в значительной мере оправдано.

2. Кислородно-керосиновые двигатели НПО «Энергомаш» семейства РД-170 при высоком удельном импульсе показывали надежную работу. Функционировал единственный мире «Морской старт» с двигателем РД-170 на РН «Зенит». 100% надежность показывает двигатель РД-180 в РН «Атлас-5», который обеспечивает все заказы Пентагона и ВВС США к будущей Космической войне. Это кроме престижа для отечественной космонавтики дает и валютные поступления несмотря на объявленные санкции, а также дает возможность на их основе создать сверхтяжелый носитель для будущих межпланетных экспедиций. В этих условия проблема замены керосина на метан выглядит очень проблематичной.

3. КБХМ оказалось единственной организацией, которая перешла от теоретических разговоров о преимуществе метана к его практическому внедрению в РКТ, опираясь на результаты испытаний двигателей тягой 7,5-10,0 т. Это произошло не за счет дара предвидения работников КБХМ, а потому, что там были бесхозные водородные двигатели, которые на первых порах было легко доработать под метановые. Эти работы без энтузиазма были встречены Роскосмосом и НИИ отрасли.

3.1. НИИ считали, что это глубокий НИР для перехода на 3-х компонентные двигатели или  многоразовые РН, поэтому этой темой должны заниматься НИИ, а не ОКБ. Финансирование должно идти через НИР, которыми кормились НИИ, а ОКБ может быть у них только в качестве соисполнителя. А.С.Коротеев мне лично говорил улыбаясь: «В.С. скажите, ну какие НИР могут быть. Вообще, по ЖРД?».

3.2. Роскосмос выделял на НИР ограниченное финансирование, порядка 5% от своего бюджета, и оно рассматривалось, как средство сохранения научных кадров тех же НИИ. Так было в конце 90-х и начале 2000-х, не знаю, как сейчас. Я неоднократно просил Б.В.Бодина увеличить финансирование по метану (темы «Иней» и «Свеча»). Он мне отвечал, что ты меня агитируешь, я за метан, но разбирайся со своим главком. А.Н.Кузнецов (нач. упр.) и И.И.Белоусов (нач. отд.) отправляли меня и тему в Центр Келдыша, и круг замыкался.

3.3. В КБХМ было дело не лучше. Собственных денег было мало, испытания проводились на стороне (в Загорске). На собственные деньги все таки нужно было делать конкретное железо, а для НИР это считалось невыгодным, т.к. денег не хватало на нищенскую зарплату. В 2003 г. директор и генеральный конструктор КБХМ Е.П.Селезнев (2001-2006 гг.)  мне говорил: «Я жалею, что еще раньше не закрыл НИР по метану».

3.4. Директора НИИХМ (1988-2007 гг.) А.А.Макарова интересовали только деньги. Поэтому испытания метанового двигателя вместо 6-го объекта, где испытывались  двигатели 11Д56 и КВД-1, и который был прекрасно оборудован, он определил на 5 –й объект, который простаивал без работы. Этот кислородно-керосиновый стенд требовал значительной доработки под метан даже для работы на несколько десятков секунд. Требовалась доработка по средствам измерения, к тому же на стенде было мало квалифицированных кадров.

3.5. Испытания на 5-м объекте с 1977 г. по 2009 г. на 4-х двигателях при 6-и испытаниях продолжительностью не свыше 60 секунд, и при взаимных ошибках конструкторов и испытателей все же дали уверенность в возможность многоразовых включений с продолжительностбю работы метанового двигателя в сотни секунд. Появился интерес в РФ и за рубежом. Однако, оставались вопросы, которые требовали подтверждения огневыми испытаниями, среди них вопрос о сажеобразовании при продолжительных испытаниях.  

3.6. В 2010 г. было принято решение перевести испытания метанового двигателя на водородный стенд. К этому времени сменилось руководство в КБХМ вместо Е.П.Селезнева в 2006 г. директором стал В.А.Петрик. НИИХИММАШ вошел в состав вновь образованного НИЦ РКП, А.А.Макаров ушел в отставку. Испытания в 2010-2011гг. двигателя С5.86 №2 на стенде В2А ИС-105 с рекордным временем непрерывной работы свыше 2000 сек., и суммарной наработкой в 3389 сек. за 4-е включения фактически перевели работы по метану из НИР в ОКР. В «ЦСКБ-Прогрес» началась разработка ЭП семейства метановых РН «Союз-5», в США начались разработки метановых ЖРД в ведущих частных компаниях. Но никаких изменений в  финансировании экспериментальных работ по метану в КБХМ не произошло.

3.7. Под эгидой Центра Келдыша в рамках «Двигатель 2015» в 2011-2013гг. велось изготовление двигателя С5.86 №2А (год на КС, год на ТНА и год на общую сборку), и это при максимальном использовании агрегатов и деталей, оставшихся от прежних двигателей. На испытании в сентябре 2013 г. на 530 сек. произошло возгорание насоса «О». Причина однозначно не установлена. Это может быть посторонняя частица между шнеком и корпусом насоса (на двигателе проводилась подварка подводящих трубопроводов) или уменьшение зазора из-за разрушения подшипника «О», или за счет  температурных деформаций.  С конца 2013г. ведется изготовление нового двигателя С5.86, вернее восстановление старого. Он должен быть готов к отправке на испытания в мае 2015г. Еще не решен вопрос с финансированием и датой проведения испытания. Такого положения не было даже в пресловутые 90-е годы.

3.8. Затянулась защита ЭП по РН «Союз-5», она намечалась на конец 2014г. Это связано с тем, что до сих пор не принята космическая программа на период 2016-2025г. Более 2-х лет идет перестройка РКП. Разъединяют и объединяют заказчиков и исполнителей, меняют руководителей основных предприятий РКП, а чем они должны заниматься со следующего года, нет ясности.

4. В то же время в США ведутся интенсивные работы по внедрению метана в РКП. Ведущую роль в этом процессе играют частные коммерческие фирмы. Строятся стенды для испытаний метановых двигателей. Ведется отработка агрегатов. Метановые двигатели привязаны к конкретным средствам выведения. Крупнейшие ракетные фирмы принимают участие в финансировании работ по метану. Я остановлюсь только на 2-х работах. Это работы Джозеффа Безоса и Элона Маска.

  4.1. Миллиардер Д.Безос организовал в 2000г. компанию Blue Origin для туристических полетов человека в космос на высоту примерно 100км. На своем ранчо в штате Техас он построил космопорт и стенды для испытания двигателей. 5-й испытательный полет 24.08.2011г. пилотируемого модуля New Shepard окончился аварийно. К этому времени Д.Безос истратил 500 млн. долларов собственных денег. По техническим и финансовым причинам он в очередной раз поменял направление развития своего бизнеса, но он был уже увлечен ракетно-космической техникой и, конечно, не хотел мириться с потерей своих средств. Он отказался от использования ЖРД, работающего на перекиси водорода с керосином, который был на его туристическом модуле. За 3 года разработал многоразовый кислородно-водородный двигатель тягой 50 т. «Ве-3» с наилучшими энерго-массовыми характеристиками для 2-х ступеней РН, но не нашел ему применения. Испытания метанового двигателя С5.86 №2 не могли пройти без внимания Д.Безоса и он начал заниматься метаном. Ему помог Д.О.Рагозин, который пригрозил прекращением поставок в США двигателей РД-180 для 1-й ступени РН «Атлас-5». Д.Безос предложил вместо РД-180 свой кислородно-метановый двигатель «В-4». В сентябре 2014г. было объявлено о заключении соглашения между                             Blue Origin и ULA (Объединенная компания Боинг и Локхид Мартин, которая ведет эксплуатацию РН Атлас-5 и Дельта-4) о совместной разработке двигателей Ве-4 для первых ступеней модернизации РН Атлас и Дельта.

Двигатель Ве-4 имеет тягу 230т., которая считается оптимальной для кислородно метановых двигателей и дает преимущества в выведении ПН перспективных Атласов и Дельта. Д.Безос утверждает, что работы над Ве-4 ведутся уже 3 года. В 2015г. будут проведены испытания ТНА и основных агрегатов. На 2016г. планируются испытания полноразмерного двигателя и выход на ЛКИ в 2019г., с началом эксплуатации с 2020г. На отработку Ве-4 Д.Безос и ULA планируют один миллиард долларов.

Меня смущает один вопрос. Упоминается, что при схеме с восстановительным газогенератором затруднена система регулирования двигателя по сравнению со схемой с окислительным газогенератором. Я задавал этот вопрос в 5-м отделе (М.Голдовскому), но не получил ответа. Какая схема принята в Ве-4, я так и не понял из перевода по гугл.

Несмотря на то, что Ве-4 разрабатывается как многоразовый, он будет применяться пока в одноразовых РН. В этом гарантия, что мы скоро увидим в лете метановый двигатель. Досадно только, что этот двигатель будет не российский.

4.3.  Продолжает удивлять Э.Маск. За несколько лет он сделал в деле возвращения первой ступени РН и возможного повторного использования двигателей больше, чем было сделано за несколько десятилетий. Относительно возможности возвращения 1-й ступени только за счет своих основных двигателей я узнал из интервью В.П.Мишина, который дал его бывшему работнику КБХМ А.Локтеву на даче в Болшево. О таком способе возвращения 1-й ступени он неоднократно говорил в своих лекциях в МАИ. Практически осуществить это взялся Э.Маск.

В 2012г. не без впечатления от результатов испытания метанового двигателя КБХМ С5.86 №2, Э.Маск отказался от дальнейшего совершенствования своих кислородно-керосиновых «Мерлинов», выполненных по открытой схеме и отдал предпочтение метановым ЖРД. Но и здесь он остался верен себе. Максимальные удельные параметры двигателя он хочет получить при умеренных параметрах Рк за счет самой прогрессивной схемы замкнутых ЖРТ «Газ-газ». До сих пор эта схема по техническим причинам не нашла практического применения.

Я помню, как А.М.Исаев поручил разработку такой схемы С.Г.Милюкову во 2-м отделе. Были какие-то испытания в 16 отд. Возможно на кислородно-метановом ЖРД Э.Маску  удастся осуществить эту схему. Что касается самого С.Г.Милюкова, то он был единственным из сотрудников КБХМ, кому разрешили поехать в КНДР создавать ракетную технику, т.к. он успел оформить себе выход на пенсию.

Маск надеется, что при помощи кислородно-метановых ЖРД человеку удастся достичь Марса еще при его жизни.

4.3. Европейское космическое агентство по политическим и финансовым причинам отложило переход с твердотопливных ускорителей на «Ариане-6» на кислородно-метановые. «Вега» также осталась без кислородно-метановой 3-й ступени. Изготовление твердотопливных ускорителей при финансировании ЕКА ведется в Италии, экономика которой находится в предкризисном состоянии. В ЕКА не все согласны с таким решением. В январе 2015г. Французкое космическое агентство КНЕС заключило договор с фирмами Германии о разработке метанового двигателя-демонстратора. Это вызвано тем, что работы по созданию двигателя-демонстратора в рамках программ «Волга» и «Урал» не были полностью выполнены, а работы КБХМ по качеству и темпам не удовлетворяют европейцев. Новых результатов по метану нет с 2011г.

4.4. В КНР отслеживаются работы по метану в других странах. Практически они приступят к работе, когда где-нибудь появится метановый РН, и они, учась на чужих ошибках, смогут его творчески копировать.

4.5. К работам по метановым ЖРД, вслед за США, могут приступить и другие страны, развивающие свою ракетно-космическую промышленность. Надежные, простые в изготовлении. экологически чистые двигатели пригодные к многократному использованию найдут широкое применение в 21 веке.

5. В Эскизном проекте «Союз-5» КБХМ представлено двигателем 2-й ступени РД С5.867 Тяга 73т. Удельный импульс 370 сек. Масса сухого двигателя 850 кг. Для того, чтобы получить заказы на метановые ЖРД нужно твердо помнить, что метановые ЖРД для подтверждения своей надежности должны быть многоразовыми, как при автономной отработке, при поставочных КВИ и при ОСИ ступени. И все это без каких-либо переборок.

Для возрождения настоящего КБ нужно вновь учиться работать с серийными заводами, как это было при А.М.Исаеве, В.Н.Богомолове и Н.И.Леонтьеве. А.М.Исаев взялся за разработку двигателей комплекса Д9 не имея для этого ни производственной ни экспериментальной базы. Попытки брать заказы только по возможностям своего опытного производства ведут с снижению профессионального уровня конструкторов и превращения ОКБ в серийное заводское КБ.

6. Отдельно по работам с двигателем-демонстратором. Размерность двигателя должна быть 4-5 т. Это наиболее подходящая размерность для вывода спутников на стационар. Рк порядка 150атм. Двигатель многоразовый с возможностью форсирования и дросселирования.

7. Вскоре будет принята новая космическая программа на 2016-2025г. В ней в средствах выведения «ГРЦ-Прогресс» метан займет ведущие место. У нас нет миллиардеров типа Д.Безоса и Э.Маска, но их место в какой-то степени может заменить «Газпром». В июньском номере журнала Gasworld за 2014г. опубликована моя статья о применения метана в РКТ.