Pourquoi les Américains ne peuvent-ils pas fabriquer de moteurs spatiaux ?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Le créateur des meilleurs moteurs de fusée à propergol liquide au monde, l'académicien Boris Katorgin, explique pourquoi les Américains ne peuvent toujours pas répéter nos réalisations dans ce domaine et comment garder l'avance soviétique à l'avenir.

Le 21 juin, au Forum économique de Saint-Pétersbourg, les lauréats du Global Energy Prize ont été récompensés. Une commission faisant autorité d'experts de l'industrie de différents pays a sélectionné trois candidatures sur 639 soumises et a nommé les lauréats du prix 2012, communément appelé le « Prix Nobel des ingénieurs en énergie ». En conséquence, 33 millions de roubles premium cette année ont été partagés par le célèbre inventeur britannique, le professeur Rodney John Allam, et deux de nos scientifiques exceptionnels - les académiciens de l'Académie des sciences de Russie Boris Katorgin et Valery Kostyuk.

Tous trois sont liés à la création de la technologie cryogénique, à l'étude des propriétés des produits cryogéniques et à leur application dans diverses centrales électriques. L'académicien Boris Katorgin a été récompensé "pour le développement de moteurs-fusées à propergol liquide hautement efficaces utilisant des carburants cryogéniques, qui assurent un fonctionnement fiable des systèmes spatiaux avec des paramètres énergétiques élevés pour l'utilisation pacifique de l'espace". Avec la participation directe de Katorgin, qui a consacré plus de cinquante ans à l'entreprise OKB-456, désormais connue sous le nom de NPO Energomash, ont été créés des moteurs-fusées à ergols liquides (LRE) dont les performances sont toujours considérées comme les meilleures au monde. Katorgin lui-même était engagé dans le développement de schémas d'organisation du processus de travail dans les moteurs, de formation de mélanges de composants de carburant et d'élimination des pulsations dans la chambre de combustion. Sont également connus ses travaux fondamentaux sur les moteurs de fusée nucléaires (NRE) à forte impulsion spécifique et les développements dans le domaine de la création de puissants lasers chimiques continus.

Dans les moments les plus difficiles pour les organisations russes à forte intensité scientifique, de 1991 à 2009, Boris Katorgin a dirigé NPO Energomash, combinant les postes de directeur général et de concepteur général, et a réussi non seulement à maintenir l'entreprise, mais aussi à créer un certain nombre de nouveaux moteurs. L'absence de commande interne de moteurs a obligé Katorgin à chercher un client sur le marché extérieur. L'un des nouveaux moteurs était le RD-180, développé en 1995 spécifiquement pour participer à un appel d'offres organisé par la société américaine Lockheed Martin, qui a choisi un moteur-fusée à propergol liquide pour le lanceur Atlas en cours de modernisation à l'époque. En conséquence, NPO Energomash a signé un accord pour la fourniture de 101 moteurs et au début de 2012 avait déjà fourni plus de 60 moteurs de fusée aux États-Unis, dont 35 ont été exploités avec succès sur Atlas dans le lancement de satellites à diverses fins..

Avant l'attribution du prix, l'expert s'est entretenu avec l'académicien Boris Katorgin de l'état et des perspectives du développement des moteurs de fusée à propergol liquide et a découvert pourquoi les moteurs basés sur les développements d'il y a quarante ans sont toujours considérés comme innovants, et le RD-180 ne pouvait pas être recréé dans les usines américaines.

- Boris Ivanovitch, quel est exactement votre mérite dans la création de réacteurs domestiques à propergol liquide, qui sont aujourd'hui considérés comme les meilleurs au monde ?

- Pour expliquer cela à un profane, vous avez probablement besoin d'une compétence particulière. Pour les moteurs-fusées à propergol liquide, j'ai développé des chambres de combustion, des générateurs de gaz; en général, il a supervisé la création des moteurs eux-mêmes pour l'exploration pacifique de l'espace extra-atmosphérique. (Dans les chambres de combustion, le carburant et le comburant sont mélangés et brûlés, et un volume de gaz chauds est formé, qui, ensuite éjecté par les buses, crée la véritable poussée du jet; les générateurs de gaz brûlent également le mélange de carburant, mais déjà pour le fonctionnement des turbopompes, qui pompent le carburant et le comburant sous une pression énorme dans la même chambre de combustion. - "Expert".)

- Vous parlez d'exploration spatiale pacifique, alors qu'il est évident que tous les moteurs de quelques dizaines à 800 tonnes de poussée, qui ont été créés à NPO Energomash, étaient destinés principalement à des besoins militaires.

- Nous n'avons pas eu à larguer une seule bombe atomique, nous n'avons pas livré une seule charge nucléaire sur nos missiles à la cible, et Dieu merci. Tous les développements militaires sont allés dans l'espace pacifique. Nous pouvons être fiers de l'énorme contribution de nos fusées et de notre technologie spatiale au développement de la civilisation humaine. Grâce à l'astronautique, des grappes technologiques entières sont nées: navigation spatiale, télécommunications, télévision par satellite et systèmes de détection.

- Le moteur du missile balistique intercontinental R-9, sur lequel vous avez travaillé, a alors constitué la base de la quasi-totalité de notre programme habité.

- À la fin des années 1950, j'ai effectué des travaux informatiques et expérimentaux pour améliorer la formation du mélange dans les chambres de combustion du moteur RD-111, qui était destiné à cette fusée même. Les résultats des travaux sont toujours utilisés dans les moteurs RD-107 et RD-108 modifiés de la même fusée Soyouz; environ deux mille vols spatiaux ont été effectués sur eux, y compris tous les programmes habités.

- Il y a deux ans, j'ai interviewé votre collègue, l'académicien lauréat du prix Global Energy Alexander Leontyev. Dans une conversation sur des spécialistes fermés au grand public, ce que Leontyev lui-même était autrefois, il a mentionné Vitaly Ievlev, qui a également beaucoup fait pour notre industrie spatiale.

- De nombreux universitaires qui ont travaillé pour l'industrie de la défense ont été classés - c'est un fait. Maintenant, beaucoup de choses ont été déclassifiées - c'est aussi un fait. Je connais très bien Alexandre Ivanovitch: il a travaillé à la création de méthodes de calcul et de méthodes de refroidissement des chambres de combustion de divers moteurs de fusée. Résoudre ce problème technologique n'a pas été facile, surtout lorsque nous avons commencé à extraire autant que possible l'énergie chimique du mélange carburé pour obtenir l'impulsion spécifique maximale, en augmentant, entre autres mesures, la pression dans les chambres de combustion à 250 atmosphères. Prenons notre moteur le plus puissant - RD-170. Consommation de carburant avec un agent oxydant - du kérosène avec de l'oxygène liquide passant par le moteur - 2,5 tonnes par seconde. Les flux de chaleur y atteignent 50 mégawatts par mètre carré - c'est une énergie énorme. La température dans la chambre de combustion est de 3, 5 mille degrés Celsius. Il était nécessaire de proposer un refroidissement spécial pour la chambre de combustion afin qu'elle puisse fonctionner de manière calculée et résister à la tête thermique. C'est exactement ce qu'a fait Alexander Ivanovich, et je dois dire qu'il a fait un excellent travail. Vitaly Mikhailovich Ievlev - membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie, docteur en sciences techniques, professeur, malheureusement décédé assez tôt, - était un scientifique du profil le plus large, possédait une érudition encyclopédique. Comme Leontiev, il a beaucoup travaillé sur la méthodologie de calcul des structures thermiques à fortes contraintes. Leur travail se recoupait quelque part, quelque part ils étaient intégrés, et en conséquence, une excellente méthode a été obtenue par laquelle il est possible de calculer l'intensité thermique de toutes les chambres de combustion; maintenant, peut-être, en l'utilisant, n'importe quel étudiant peut le faire. En outre, Vitaly Mikhailovich a participé activement au développement de moteurs de fusée à plasma nucléaires. Ici, nos intérêts se sont croisés dans les années où Energomash faisait de même.

- Dans notre conversation avec Leontyev, nous avons évoqué la vente des moteurs energomash RD-180 aux États-Unis, et Alexander Ivanovich a déclaré qu'à bien des égards, ce moteur est le résultat de développements réalisés juste pendant la création du RD-170, et dans un sens c'est la moitié. Est-ce vraiment le résultat de la rétrogradation ?

- Tout moteur dans une nouvelle dimension est, bien sûr, un nouvel appareil. Le RD-180 avec une poussée de 400 tonnes est en fait la moitié de la taille du RD-170 avec une poussée de 800 tonnes. Le RD-191, conçu pour notre nouvelle fusée Angara, a une poussée de 200 tonnes. Qu'est-ce que ces moteurs ont en commun ? Tous ont une pompe turbo, mais le RD-170 a quatre chambres de combustion, le RD-180 "américain" en a deux et le RD-191 en a une. Chaque moteur a besoin de sa propre unité de pompe turbo - après tout, si le RD-170 à quatre chambres consomme environ 2,5 tonnes de carburant par seconde, pour lequel une pompe turbo d'une capacité de 180 000 kilowatts a été développée, ce qui est plus de deux fois supérieure à, par exemple, la puissance du réacteur du brise-glace atomique "Arktika", puis le RD-180 à deux chambres - seulement la moitié, 1, 2 tonnes. Dans le développement des turbopompes pour les RD-180 et RD-191, j'ai participé directement et en même temps dirigé la création de ces moteurs dans leur ensemble.

- Donc la chambre de combustion est la même sur tous ces moteurs, seul leur nombre est différent ?

- Oui, et c'est notre principale réalisation. Dans une telle chambre d'un diamètre de seulement 380 millimètres, un peu plus de 0,6 tonne de carburant par seconde est brûlée. Sans exagération, cette caméra est un équipement unique à haute contrainte thermique avec des courroies spéciales pour protéger contre les puissants flux de chaleur. La protection est réalisée non seulement grâce au refroidissement externe des parois de la chambre, mais également grâce à une méthode ingénieuse consistant à "revêtement" un film de carburant sur celles-ci, qui s'évapore et refroidit la paroi. Sur la base de cet appareil photo hors du commun, sans égal au monde, nous fabriquons nos meilleurs moteurs: RD-170 et RD-171 pour Energia et Zenit, RD-180 pour l'Atlas américain et RD-191 pour le nouveau missile russe "Angara".

- "Angara" était censé remplacer "Proton-M" il y a plusieurs années, mais les créateurs de la fusée ont rencontré de sérieux problèmes, les premiers essais en vol ont été reportés à plusieurs reprises, et le projet semble continuer à caler.

- Il y avait vraiment des problèmes. La décision a maintenant été prise de lancer la fusée en 2013. La particularité de l'Angara est que, sur la base de ses modules fusées universels, il est possible de créer toute une famille de lanceurs d'une capacité de charge utile de 2,5 à 25 tonnes pour lancer des cargaisons en orbite terrestre basse sur la base de la Moteur universel à oxygène-kérosène RD-191. Angara-1 a un moteur, Angara-3 - trois avec une poussée totale de 600 tonnes, Angara-5 aura 1000 tonnes de poussée, c'est-à-dire qu'il sera capable de mettre plus de cargaison en orbite que Proton. De plus, au lieu de l'heptyle très toxique, qui est brûlé dans les moteurs Proton, nous utilisons un carburant respectueux de l'environnement, après quoi il ne reste que de l'eau et du dioxyde de carbone.

- Comment se fait-il que le même RD-170, qui a été créé au milieu des années 1970, reste en fait un produit innovant et que ses technologies servent de base à de nouveaux moteurs de fusée ?

- Une histoire similaire s'est produite avec un avion créé après la Seconde Guerre mondiale par Vladimir Mikhailovich Myasishchev (un bombardier stratégique à longue portée de la série M, développé par l'OKB-23 de Moscou des années 1950 - "Expert"). À bien des égards, l'avion avait trente ans d'avance sur son temps, et les éléments de sa conception ont ensuite été empruntés par d'autres avionneurs. C'est donc ici: dans le RD-170, il y a beaucoup de nouveaux éléments, matériaux, solutions de conception. Selon mes estimations, ils ne deviendront pas obsolètes avant plusieurs décennies. Cela est principalement dû au fondateur de NPO Energomash et à son concepteur général Valentin Petrovich Glushko et au membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie Vitaly Petrovich Radovsky, qui a dirigé l'entreprise après la mort de Glushko. (Notez que les meilleures caractéristiques énergétiques et opérationnelles au monde du RD-170 sont en grande partie dues à la solution de Katorgin au problème de suppression de l'instabilité de combustion à haute fréquence en développant des déflecteurs antipulsations dans la même chambre de combustion. - "Expert".) Et le premier -étage moteur RD-253 pour fusée porteuse « Proton » ? Introduit en 1965, il est si parfait qu'il n'a encore été surpassé par personne. C'est ainsi que Glushko a appris à concevoir - à la limite du possible et toujours au-dessus de la moyenne mondiale. Il est également important de rappeler une autre chose: le pays a investi dans son avenir technologique. Comment c'était en Union soviétique ? Le ministère de la Construction générale des machines, qui était notamment en charge de l'espace et des fusées, a consacré 22 % de son énorme budget à la seule R&D - dans tous les domaines, y compris la propulsion. Aujourd'hui, le financement de la recherche est bien moindre et cela en dit long.

- L'obtention de certaines qualités parfaites par ces moteurs de fusée, et cela s'est-il passé il y a un demi-siècle, qu'un moteur de fusée avec une source d'énergie chimique n'est-il en quelque sorte dépassé: les principales découvertes ont été faites dans les nouvelles générations de moteurs de fusée ?, maintenant on parle plus des innovations dites d'accompagnement ? ?

- Certainement pas. Les moteurs de fusée à propergol liquide sont en demande et le seront pendant très longtemps, car aucune autre technologie n'est capable de soulever de manière plus fiable et économique une charge de la Terre et de la mettre en orbite terrestre basse. Ils sont respectueux de l'environnement, en particulier ceux qui fonctionnent à l'oxygène liquide et au kérosène. Mais pour les vols vers les étoiles et autres galaxies, les moteurs de fusée à propergol liquide, bien sûr, sont totalement inadaptés. La masse de la métagalaxie entière est de 10 à 56 degrés de grammes. Pour accélérer sur un moteur à propergol liquide à au moins un quart de la vitesse de la lumière, une quantité de carburant absolument incroyable est nécessaire - 10 à 3200 grammes, donc même y penser est stupide. Le moteur de fusée à propergol liquide a sa propre niche - les moteurs de soutien. Sur les moteurs liquides, vous pouvez accélérer le porteur jusqu'à la deuxième vitesse cosmique, voler vers Mars, et c'est tout.

- La prochaine étape - les moteurs de fusées nucléaires ?

- Assurément. On ne sait pas si nous vivrons pour voir certaines des étapes, mais beaucoup a été fait pour le développement de moteurs de fusée à propulsion nucléaire déjà à l'époque soviétique. Aujourd'hui, sous la direction du Centre Keldysh, dirigé par l'académicien Anatoly Sazonovich Koroteev, le module dit de transport et d'énergie est en cours de développement. Les concepteurs sont arrivés à la conclusion qu'il est possible de créer un réacteur nucléaire refroidi au gaz moins stressant qu'en URSS, qui fonctionnera à la fois comme centrale électrique et comme source d'énergie pour les moteurs à plasma lors des voyages dans l'espace.. Un tel réacteur est actuellement conçu au NIKIET du nom de N. A. Dollezhal sous la direction du membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie, Yuri Dragunov. Le bureau d'études de Kaliningrad « Fakel » participe également au projet, où sont créés des moteurs de propulsion électrique. Comme à l'époque soviétique, cela ne se passera pas du bureau de conception de Voronej de l'automatique chimique, où des turbines à gaz et des compresseurs seront fabriqués afin d'entraîner un liquide de refroidissement - un mélange de gaz en boucle fermée.

- En attendant, on passe au moteur-fusée ?

- Bien sûr, et nous voyons clairement les perspectives de développement ultérieur de ces moteurs. Il y a des tâches tactiques, à long terme, il n'y a pas de limite ici: l'introduction de nouveaux revêtements plus résistants à la chaleur, de nouveaux matériaux composites, une diminution de la masse des moteurs, une augmentation de leur fiabilité, et une simplification du contrôle schème. Un certain nombre d'éléments peuvent être introduits pour mieux contrôler l'usure des pièces et d'autres processus se produisant dans le moteur. Il y a des tâches stratégiques: par exemple, le développement du méthane et de l'acétylène liquéfiés comme carburant avec l'ammoniac ou le carburant à trois composants. NPO Energomash développe un moteur à trois composants. Un tel moteur-fusée à propergol liquide pourrait être utilisé comme moteur à la fois pour le premier et le deuxième étage. Au premier stade, il utilise des composants bien développés: oxygène, kérosène liquide et si vous ajoutez environ cinq pour cent d'hydrogène en plus, l'impulsion spécifique augmentera considérablement - l'une des principales caractéristiques énergétiques du moteur, ce qui signifie que plus de charge utile peut être envoyé dans l'espace. Au premier stade, tout le kérosène est produit avec l'ajout d'hydrogène, et au second, le même moteur passe du fonctionnement avec un carburant à trois composants à un fonctionnement à deux composants - hydrogène et oxygène.

Nous avons déjà créé un moteur expérimental, bien que de petite dimension et d'une poussée de seulement 7 tonnes environ, effectué 44 tests, fabriqué des éléments de mélange à grande échelle dans les buses, dans le générateur de gaz, dans la chambre de combustion et avons découvert que vous pouvez d'abord travailler sur trois composants, puis passer en douceur à deux. Tout s'arrange, un rendement de combustion élevé est atteint, mais pour aller plus loin, nous avons besoin d'un échantillon plus important, nous devons modifier les stands afin de lancer les composants que nous allons utiliser dans un vrai moteur dans la chambre de combustion: l'hydrogène et l'oxygène liquides, ainsi que le kérosène. Je pense que c'est une direction très prometteuse et un grand pas en avant. Et j'espère avoir le temps de faire quelque chose de ma vie.

- Pourquoi les Américains, ayant reçu le droit de reproduire le RD-180, n'ont-ils pas pu le fabriquer depuis de nombreuses années ?

- Les Américains sont très pragmatiques. Dans les années 90, au tout début de leur collaboration avec nous, ils se sont rendu compte que dans le domaine de l'énergie nous étions loin d'eux et nous devions adopter ces technologies chez nous. Par exemple, notre moteur RD-170 en un seul démarrage, en raison d'une impulsion spécifique plus élevée, pouvait emporter une charge utile de deux tonnes de plus que leur F-1 le plus puissant, ce qui représentait à l'époque un gain de 20 millions de dollars. Ils ont annoncé un concours pour un moteur de 400 tonnes pour leurs Atlas, qui a été remporté par notre RD-180. Ensuite, les Américains ont pensé qu'ils allaient commencer à travailler avec nous, et dans quatre ans, ils prendraient nos technologies et les reproduiraient eux-mêmes. Je leur ai dit tout de suite: vous allez dépenser plus d'un milliard de dollars et dix ans. Quatre ans ont passé, et ils disent: oui, il faut six ans. D'autres années ont passé, disent-ils: non, il nous faut encore huit ans. Dix-sept ans ont passé et ils n'ont pas reproduit un seul moteur. Ils ont maintenant besoin de milliards de dollars rien que pour l'équipement de banc. Chez Energomash, nous avons des stands où le même moteur RD-170 peut être testé dans une chambre de pression, dont la puissance du jet atteint 27 millions de kilowatts.

- J'ai bien entendu - 27 gigawatts ? C'est plus que la capacité installée de toutes les centrales nucléaires de Rosatom.

- Vingt-sept gigawatts, c'est la puissance du jet, qui se développe en un temps relativement court. Lors d'essais sur stand, l'énergie du jet est d'abord éteinte dans un bassin spécial, puis dans un tuyau de dispersion de 16 mètres de diamètre et 100 mètres de haut. Il faut beaucoup d'argent pour construire un banc d'essai comme celui-ci qui peut abriter un moteur qui génère une telle puissance. Les Américains ont maintenant renoncé à cela et prennent le produit fini. En conséquence, nous ne vendons pas de matières premières, mais un produit à forte valeur ajoutée, dans lequel un travail hautement intellectuel est investi. Malheureusement, en Russie, il s'agit d'un exemple rare de ventes de haute technologie à l'étranger dans un volume aussi important. Mais cela prouve qu'avec la formulation correcte de la question, nous sommes capables de beaucoup.

- Boris Ivanovitch, que faut-il faire pour ne pas perdre l'avance acquise par la construction des moteurs-fusées soviétiques ? Probablement, outre le manque de financement pour la R&D, un autre problème est également très douloureux - le personnel ?

- Pour rester sur le marché mondial, il faut tout le temps aller de l'avant, créer de nouveaux produits. Apparemment, jusqu'à ce que nous ayons été enfoncés et que le tonnerre ait frappé. Mais l'État doit comprendre que sans nouveaux développements, il se retrouvera en marge du marché mondial, et aujourd'hui, en cette période de transition, alors que nous ne sommes pas encore passés au capitalisme normal, il doit d'abord investir dans le nouveau - l'état. Ensuite, vous pouvez transférer le développement pour la sortie d'une série à une entreprise privée à des conditions avantageuses à la fois pour l'État et les entreprises. Je ne crois pas qu'il soit impossible de trouver des méthodes raisonnables pour créer quelque chose de nouveau, sans elles, il est inutile de parler de développement et d'innovations.

Il y a du personnel. Je dirige un département à l'Institut de l'aviation de Moscou, où nous formons à la fois des spécialistes des moteurs et des spécialistes du laser. Les gars sont intelligents, ils veulent faire le métier qu'ils apprennent, mais il faut leur donner une impulsion initiale normale pour qu'ils ne partent pas, comme beaucoup de gens le font maintenant, pour écrire des programmes de distribution de marchandises dans les magasins. Pour cela, il est nécessaire de créer un environnement de laboratoire approprié, de donner un salaire décent. Construire la bonne structure d'interaction entre la science et le ministère de l'Éducation. La même Académie des Sciences résout de nombreux problèmes liés à la formation du personnel. En effet, parmi les membres actuels de l'académie, membres correspondants, se trouvent de nombreux spécialistes qui dirigent des entreprises de haute technologie et des instituts de recherche, de puissants bureaux d'études. Ils s'intéressent directement aux départements affectés à leurs organisations pour former les spécialistes nécessaires dans le domaine de la technologie, de la physique, de la chimie, afin qu'ils reçoivent immédiatement non seulement un diplômé universitaire spécialisé, mais un spécialiste tout fait avec un peu de vie et de connaissances scientifiques et expérience technique. Il en a toujours été ainsi: les meilleurs spécialistes sont nés dans des instituts et des entreprises où existaient des départements pédagogiques. Chez Energomash et chez NPO Lavochkin, nous avons des départements de la branche de l'Institut d'aviation de Moscou "Kometa", dont je suis responsable. Il y a des anciens cadres qui peuvent transmettre l'expérience aux jeunes. Mais il ne reste que très peu de temps, et les pertes seront irrécupérables: pour revenir simplement au niveau actuel, vous devrez déployer bien plus d'efforts qu'il n'en faut aujourd'hui pour le maintenir.