Где производят двигатели для космических кораблей: специальный репортаж ОТВ

Общество

12 Апреля 2017, 22:32

Малая тяга к большому космосу: специалисты нижнесалдинского предприятия «НИИМАШ» более полувека создают двигатели для космических аппаратов. В их числе орбитальный комплекс «Мир», шаттл «Буран» и корабли «Союз».

Микрушка – так ласково инженеры-испытатели называют ракетный двигатель малой тяги. Он весит меньше трех килограммов, но, чтобы стать частью космического корабля, должен доказать свою сверхпрочность.

Игорь Дудин, инженер научно-испытательного комплекса НИИ машиностроения: «Будет проводиться огонь, для проведения огня нам нужно провести опрессовку. Другими словами, это испытание давлением для контроля герметичности изделия и камеры сгорания. Если у нас будет негерметична камера сгорания, мы даже не начнем испытания».

Во время опрессовки на этот с виду небольшой двигатель давят сразу 20 атмосфер. После его помещают в газо-инжекторную установку. Здесь испытатели в буквальном смысле дают «микрушке» жару.

Владислав Либанов, начальник научно-испытательного комплекса НИИ машиностроения: «Ну, вот вы видите на экране монитора запуск изделия. В случае если мы получаем соответствие техническим условиям на данное изделие, это изделие считается годным».

Валерий Спиридонов, начальник управления по подготовке и проведению испытаний НИИ машиностроения: «Нельзя с ними церемониться, почему? Потому что… Эти аппараты, в конце концов, отвечают за жизнь экипажа, который должен вернуться с орбиты, прежде всего, поэтому подход особый к этому всему».

Испытание огнем проводят в отдельном комплексе в 30 километрах от института машиностроения. Как ни странно, именно здесь начинается история «НИИМАШ». В 60-е тут не производили, а лишь испытывали ракетные двигатели, причем большой тяги:

«Вот этот вот двигатель – это первое изделие, которое было испытано. Ракетный двигатель на наших стендах, но двигатель был не наш».

Теперь это лишь музейный раритет, рассказывает главный конструктор Сергей Булдашев. С 1969 года в «НИИМАШ» начали выпускать двигатели малой тяги. У инженеров стояла задача создать агрегат, который годами сможет работать в космосе.

Сергей Булдашев, заместитель директора по научно-исследовательской работе, главный конструктор НИИ машиностроения: «Началось это восемь месяцев, десять, сейчас это доведено уже до 15 лет. 15 лет в космосе двигатель работает, без ремонта, без замены, без ничего».

Двигатели малой тяги помогают космическому кораблю маневрировать в открытом космосе. Ключевой элемент полета – стыковка: важно доставить новый экипаж на МКС. За все время работы институт машиностроения выпустил почти 16 тысяч микродвигателей, которые показали себя в космосе. Свердловские агрегаты установлены на кораблях «Союз», «Буран», они же регулируют положение МКС на орбите.

Сейчас производство в «НИИМАШ» на потоке. Есть и секретные проекты, поэтому вход во многие цеха закрыт. Журналистам согласились показать еще один испытательный блок.

Усиленная вибрация имитирует взлет ракеты, а ударный стенд – стыковку. В этом блоке работает старейший испытатель института Валентина Присташ. В свои 67 она ловко орудует отверткой, закрепляя болты на баке с ксеноном.

Валентина Присташ, испытатель специальных изделий НИИ машиностроения: «Космос и космическая отрасль, что значат… сроднились? Это наше будущее и детей, наших, внуков – вот это всё наше».

Люди – главная гордость института, считает руководство предприятия. В 60-е сюда приехали молодые инженеры со всего Союза, сегодня здесь работают целые династии. Новое поколение уже сегодня создает задел для дальнейших достижений. А вот будущее пилотируемой космонавтики. Сейчас этот двигатель проходит испытания. Такие установят на корабле «Федерация», который после 2020 года полетит в космос. Специалисты «НИИМАШ» также готовы взяться за проекты, которые пока кажутся фантастическими.

Полет человека к другим планетам – возможно, именно свердловские микродвигатели доставят летательный аппарат к орбите спутника Марса – Фобосу. Там, считают ученые, может зародиться жизнь.

Яна Юмакаева

Итоги недели: космический праздник в Екатеринбурге

15 Апреля 2017, 22:00

В историческом сквере Екатеринбурга отпраздновали День космонавтики

12 Апреля 2017, 22:38

Школьники Первоуральска присоединились к космической акции «Подними голову»

12 Апреля 2017, 21:16

Евгений Куйвашев поздравил свердловчан с Днём космонавтики

12 Апреля 2017, 12:23

«Чичерина» и «АлоэВера» выступят в Екатеринбурге в честь Дня космонавтики

10 Апреля 2017, 22:33

Вселенский масштаб: Екатеринбург стал центром дискуссий о космическом туризме

10 Апреля 2017, 18:45

Ближе к звёздам: уральские студенты узнали, кого берут в космонавты

10 Апреля 2017, 18:40

Города Свердловской области

10 Мая 2022, 00:00

Губернатор Свердловской области Евгений Куйвашев

10 Мая 2022, 00:00

Коронавирус в Свердловской области

08 Апреля 2022, 00:00

Редкие кадры

20 Ноября 2019, 00:00

ВЗГЛЯД / Россия готовит принципиально новые двигатели для космических кораблей :: Общество

Исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко заявил, что для скоростных перемещений человечества в космосе потребуется разработка двигателей, основанных на новых физических принципах. О чем идет речь, какими будут космические двигатели будущего и какие разработки на эту тему ведутся в России и в мире?

Начать придется издалека, с самой простой теории.

Наша планета Земля – удобное место для жизни, но и столь же неудобное для начала космической экспансии. Дело в том, что среди планет земной группы Земля имеет самое высокое ускорение свободного падения. С одной стороны, это позволяет нашей планете удерживать возле себя плотную атмосферу, но с другой – создает неудобный гравитационный «колодец», выход из которого на орбиту стоит немалых усилий.

Из-за наличия такого колодца, того самого притяжения Земли, для стартовых ракетных двигателей очень важным становится параметр отношения реактивной тяги двигателей к массе всей ракеты. Именно поэтому для стартов с поверхности Земли мы до сих пор используем ракеты на химическом топливе. Да, неэффективно, но зато тяги получается вполне достаточно, чтобы вытолкнуть космический аппарат на орбиту, за пределы атмосферы Земли. А вот масса очень интересных двигателей – ионных, плазменных, солнечных парусов, которые имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, совсем не годятся для старта с планеты. Они просто не могут вытащить нас из земного гравитационного колодца. Тяга их слишком слаба для того, чтобы поднять корабль на орбиту.

Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: либо экономичные и слабосильные – для космоса, либо мощные и прожорливые – для старта. В мире космических ракет экономичный и эффективный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы. И это – ключевое понятие для понимания всей проблематики создания новых космических двигателей, на новых физических принципах.

Магия удельного импульса

Удельный импульс двигателя – это, можно сказать, «святой Грааль» космического двигателестроения. Измеряется удельный импульс в метрах в секунду, и его физический смысл прост – это скорость истечения рабочего тела. От чего, в свою очередь, прямо зависит и скорость космического корабля. Фраза о «рабочем теле» вместо «продуктов сгорания» химического двигателя взялась неслучайно – во многих космических двигателях ничего не горит, а кинетическая энергия и импульс «закачиваются» в рабочее тело иными способами. Например, в ионном или плазменном двигателе рабочее тело разгоняется в электромагнитном поле. А в солнечном парусе импульс и вовсе передается в обратную сторону – от фотонов солнечного ветра на конструкции паруса, закрепленного на космическом корабле.

Чем выше удельный импульс двигателя – тем большее приращение скорости можно получить за счет эквивалентного количества рабочего тела. А рабочее тело, напомним, нам надо каким-то образом еще вывести на околоземную орбиту вместе с космическим кораблем. Ну или добыть на какой-нибудь негостеприимной Луне, Марсе или астероидах, тоже с немалыми затратами. Приращение космических скоростей обозначают символом Dv и считают в его балансе как ускорения, так и торможения – ведь на каждое из таких действий в космосе требуется расходы рабочего тела.

Удельный импульс лучших кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, которые пригодны для старта с Земли, составляет около 4500 м/с. Кажущаяся громадной цифра скорости истечения (без малого 4,5 километра в секунду) оказывается предельно скромной для обеспечения выхода из гравитационного колодца Земли – ракета буквально «выползает» на орбиту, да еще и сбрасывая ступени. Напомним, огромная американская лунная ракета «Сатурн-5» при стартовой массе 3000 тонн выводила на орбиту всего лишь 140 тонн полезной нагрузки, менее 5% от своего общего веса. А к Луне получалось отправить и того меньше – всего около 65 тонн.

Еще печальнее становилась ситуация, если на химических двигателях просчитывали полет куда-то дальше, чем Луна, например, к Марсу. Когда американцы в 1960-х годах посчитали стоимость полета на Марс на химическом топливе, они ужаснулись. Получалось, что от Земли надо стартовать кораблем массой 4000 тонн, для вывода которого на околоземную орбиту потребуется минимум 40 ракет, эквивалентных «Сатурну-5».

Немного улучшить ситуацию могли ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Разработки, проведенные в СССР и США в 1960-х годах, показали, что ЯРД могут иметь удельный импульс в пределе 8500-9500 м/с – вдвое больше, чем у лучших ЖРД. Но даже уникальный ЯРД не обеспечивал настоящего освоения Марса – на орбите Земли пришлось бы все равно собирать громадного «марсианского монстра» весом больше 1200 тонн, а результатом бы была двухлетняя экспедиция на Марс трех космонавтов, причем на Марсе они бы провели всего 30 суток.

Так что, всё, Марс недостижим? Нет, не так. Ведь ЯРД – отнюдь не рекордсмен в части величины удельного импульса, а разгонятся к Марсу или другим планетам можно медленно и не спеша. Но в итоге получить впечатляющую скорость перелета и прилететь даже быстрее корабля с ЯРД.

Первое крыло – высокий удельный импульс

Несмотря на то, что скорость истечения рабочего тела у ЯРД всего лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, поднять ее выше уже было практически невозможно. Все дело в том, что и в ЖРД, и в ЯРД скорость истечения задается температурой рабочего тела, а обеспечить дополнительный нагрев внутри корпуса ЯРД было нереально – разрушался сам реактор, который не мог нагреваться выше 3000 градусов К.

Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования ЯРД, стало разделение процессов получения энергии и последующего нагрева рабочего тела. Вместо прямого теплообмена с нагретыми конструкциями реактора рабочее тело решили греть с использованием промежуточного носителя энергии – электричества. В силу этого, уже начиная с начала 1970-х годов, усилия конструкторов пошли по двум независимым направлениям. С одной стороны, началось конструирование максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей. С другой стороны, стартовала разработка столь же компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля.

Наиболее доведенными высокоимпульсными космическими двигателями пока что являются ионные. Им сегодня принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: еще в 1998 году ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space-1 массой 374 килограмма на Dv, равную 4,3 км/c, потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона. Аналогичное приращение Dv, если бы его пришлось обеспечивать за счет химического топлива, потребовало бы разгонного блока весом в добрую тонну.

Однако у ионных двигателей есть и неустранимое слабое место – электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает его ресурс. Сегодня лучшие образцы ионных двигателей работали в космосе не более трех лет и не более пяти лет на земных стендах. Кроме того, конструкция с погруженными в плазму электродами ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-40 км/c. Увеличить ее затруднительно по тем же причинам – электроды разрушатся еще быстрее. Самый совершенный ионный двигатель NEXT в арсенале НАСА на сегодняшний день имеет удельный импульс, равный 41,9 км/c. Но за такие рекордные параметры ионным двигателям приходится платить малой тягой – NEXT обеспечивает лишь 327 мН (32,7 грамма тяги) при потребляемой мощности в 7,7 кВт.

Справедливые надежды возлагаются на еще одну разработку – двигатель VASIMR, магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом.

Внутри VASIMR плазму, которая выступает в качестве рабочего тела, помещают в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счет высокой температуры.

Разработки VASIMR ведутся в США уже более 20 лет и за это время были достигнуты впечатляющие успехи. В августе 2019 года очередной прототип VX-200SS продемонстрировал тягу в 5,4 Н (540 граммов тяги) на мощности 200 кВт и при удельном импульсе в диапазоне от 50 до 300 км/c, на порядок больше ионных двигателей. Такой импульс в идеале позволит с помощью VASIMR добраться до Марса всего лишь за 39 дней вместо 250 суток, как в случае использования ЖРД или ЯРД.

Но для этого, конечно, тяга плазменных двигателей должна измеряться сотнями килограммов, а не сотнями граммов. Впечатляющим должен быть и источник электричества на борту такого гипотетического марсианского корабля – он должен иметь мощность около 200 МВт.

Второе крыло – энергетическая установка

Немалые электрические «аппетиты» ионных и особенно плазменных двигателей наглядно можно показать на примере VASIMR. Достаточно небольшой плазменный двигатель VX-200SS давно хотят отправить для испытаний на МКС. Если установить его на станцию, то можно радикально сократить расходы на постоянные усилия по поддержанию орбиты МКС. Ведь плазменный двигатель нуждается лишь в 1-2% рабочего тела по сравнению с ЖРД, что сегодня используют для подъема орбиты МКС.

Но установить VASIMR на МКС оказалось отнюдь не просто. Вся доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, хотя станция сегодня обладает самой внушительной площадью солнечных батарей и является самым энергетически мощным объектом человечества в космосе. Поэтому в проект МКС-VASIMR включили еще целую дополнительную систему солнечных батарей, которая будет часами накапливать энергию на 15-минутные циклы включений плазменного двигателя.

Следующий, напрашивающийся шаг после испытаний на МКС – это использование VASIMR для целей орбитального буксира. Например, если мы хотели бы достичь Луны за короткий промежуток времени, сопоставимый с временем полета миссии «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы пять двигателей VХ-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии. Чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна-5», сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, такой буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Однако получить 1,5 МВт электроэнергии за счет солнечных батарей – это пока что очень сложная задача. Для получения 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной 71 метр, гораздо больше любых существующих конструкций, включая МКС.

И вот здесь как раз и может сыграть роль опыт России в создании космических ядерных энергетических установок. Еще в 2009 году Роскосмосом была начата программа создания транспортно-энергетического модуля, ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) которого должна была обеспечивать около 1 МВт электрической мощности, чего бы хватило не только для околоземного, но и в перспективе – для лунного буксира. За прошедший период времени был выполнен значительный объем уникальных работ по конструкции космического ядерного реактора. Были созданы уникальные ионные двигатели ИД-500, чьи параметры оказались не хуже разработок НАСА.

При мощности 32-35 кВт российские двигатели ИД-500 обеспечили тягу в 375-750 мН и удельный импульс в 71 км/с.

К сожалению, в конце апреля 2020 года Роскосмос заявил, что приостанавливает создание космического буксира с ядерным двигателем из-за недостроенного стенда для его испытаний. Формально виноватым был назначен ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», который не смог обеспечить постройку испытательного стенда, где можно было бы проверить работоспособность действующего макета ЯЭДУ в условиях вакуума. Пока что дальнейшая судьба уникальных российских разработок неизвестна, хотя еще в январе 2020 года транспортно-энергетический модуль с ЯЭДУ фигурировал в презентации первого заместителя генерального директора Роскосмоса Юрия Урличича. Представленный на Королевских чтениях доклад сообщал о планах запустить в 2030 году на орбиту космический ядерный буксир для проведения его летных испытаний.

Насколько декларации Урличича и Блошенко соотносятся с реальными действиями представляемого ими Роскосмоса – вопрос открытый. Да, человечеству нужна новая космическая скорость. Да, у России есть уникальные наработки. И только от руководителей космической отрасли России зависит, насколько быстро все эти разработки воплотятся в новую реальность. В ту самую «птицу феникс», которая домчит людей и до Луны, и до Марса, и даже дальше.

Космические двигательные установки для спутников и космических аппаратов

Закрывать
Двухкомпонентные двигательные установки
Монотопливные силовые установки
Ионные двигательные установки
Службы поддержки

Полный ассортимент однотопливных, двухтопливных и ионно-электрических
двигательные системы.

Обзор

Более полувека мы производим силовые установки
для широкого спектра международных спутников и космических аппаратов. Мы
специализируется на монотопливных, двухтопливных и электрических ионных двигателях
и питания от составных частей и модулей подсистем, до
полные силовые установки и не только — с полным набором
услуги поддержки двигателей от доставки, интеграции и тестирования, а также
загрузка топлива, поддержка запуска кампании, после запуска и
операции на орбите.

Области применения

Типичные области применения нашей двигательной установки включают:

• Орбитальные спутники и космические корабли.
• Межпланетные космические корабли и зонды.
• Контроль возвращаемых аппаратов.
• Автоматизированные миссии по снабжению Международной космической станции.
• Управление подъемом по крену и стабилизация света до
  тяжелые ракеты-носители.
• Положение разгонного блока ракеты-носителя, орбитальное и
  контроль крена.

ДВУХТОПОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Наши двухтопливные двигательные установки в основном используются на средних и
тяжелые спутники и космические корабли, такие как миссия космического агентства и для
более крупные платформы коммерческих спутников.

Интеграция двухкомпонентной силовой установки

Унифицированные двигательные установки

Для большинства наших спутниковых
требования очень похожи. А именно впрыск апогея и отношение
маневр для перехода на орбиту, удержания станции и управления орбитой с последующим
путем схода с орбиты или перевода на кладбищенскую орбиту. Лампольдсхаузен
команда рано поняла, что отдельные системы, необходимые для этих
различные функции могут быть объединены в общую систему и что
стала известна как Унифицированная силовая установка (ЕПС).

Унифицированная силовая установка Включает:

• Топливный бак (700–1450 л).
• Бак окислителя (700–1450 л).
• Подруливающие устройства 10N — RCT.
• Усовершенствованный двигатель Apogee Boost.
• Узел контроля давления — PCA.
• Узел изоляции пороха – PIA.
• Баллон с гелием (51–90 л).
• Пироклапаны.
• Клапаны наполнения и слива.
• Регулятор давления.
• Датчик давления.
• Тепловой контроль движения.
• Центральный цилиндр с интерфейсным кольцом пусковой установки.

Схема унифицированной силовой установки

МОНОПРОПИТАЛЬНЫЕ ГИДРАЗИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Наши монотопливные гидразиновые двигательные установки используются для малых и
средний космический корабль для миссий LEO и MEO. Готовый стандарт
доступны двигательные установки, а также пользовательские модули для
спутники в классе от 220 кг до 2500 кг.

Монотопливный двигатель на гидразине Интеграция в
Средний космический корабль

Проверка встроенных гидразиновых двигателей

Осмотр заправочного и сливного клапана — привод на гидразине
Система для малого космического корабля

Мы также поставляем системы управления вращением и ориентацией (RACS) для верхних ступеней тяжелых и малых пусковых установок. RACS позволяет управлять пусковой установкой по крену и тангажу после сброса ее твердотопливных ускорителей. После этого он используется для точных маневров управления и точной ориентации верхней ступени перед разделением одной или нескольких полезных нагрузок.

Блок подруливающих устройств 240 Н

для Vega Small Launcher

Блок подруливающих устройств интегрирован в

Отсек Vega Avionics

ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Двигатели будущего уже сейчас
стать реальностью с радиочастотным ионным двигателем Лампольдсхаузена
систем, обеспечивающих удельный импульс в десять-двадцать раз выше, чем
самые эффективные на сегодняшний день жидкостные ракетные двигатели и от 30% до 50%
выше, чем альтернативные ионные двигательные установки.

Преимущества

 Электрические силовые установки обладают многими преимуществами по сравнению с химическими
силовые установки, в том числе:

• Самый высокий удельный импульс (>3000 с) обеспечивает >30% стартовой массы
  сохранение.
• Высокая производительность при низкой сложности.
• Уменьшена масса процессора мощности.
• Узкое расхождение луча.
• Надежная конструкция с широким диапазоном эксплуатационной стабильности.
• Большой диапазон дроссельной заслонки и адаптация к доступной электроэнергии.
• Превосходная стабильность тяги и быстрый отклик тяги.
• Непревзойденное высокоточное управление космическим кораблем.
• Способность к непрерывной тяге в течение многих месяцев,
  или лет.
• Самый высокий потенциал роста с увеличением электроэнергии в ближайшей и среднесрочной перспективе.
• Сравнительно безопаснее.

Подробнее об ионном двигателе
Системы, двигатели и их характеристики.

Электрический ионный двигатель — RIT 2X

УСЛУГИ ПО ПОДДЕРЖКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

Наши двигательные установки обслуживаются рядом специалистов
услуги поддержки, охватывающие каждый этап от старта до публикации
запуск и операции на орбите. Клиенты могут выбрать любой из этих
услуги в соответствии со своими потребностями.

Области компетенции, связанные с нашими космическими двигательными установками
предлагая нашим клиентам полную поддержку

Брошюры по силовой установке
(pdf)

Брошюры по вышеуказанным силовым установкам и вспомогательным услугам
доступны для просмотра в Интернете, откуда их можно скачать.

Если вам требуется печатная версия любой из этих брошюр или более
подробная информация, то, пожалуйста, свяжитесь с нами.

См. полный список наших
брошюры по космическим двигателям доступны для скачивания.

Силовая установка