Как битва советских конструкторов привела к созданию лучшего ракетного двигателя
45 лет назад советские ученые предприняли дерзкую попытку создать сверхтяжелую ракету для полета на Луну. Попытка эта была неудачной и «лунную гонку» мы американцам проиграли. Зато сейчас те же американцы стоят в очередь за ракетными двигателями, созданными в нашей стране для советской лунной ракеты
Середина прошлого века стала временем азартного соревнования между СССР и США по освоению околоземного пространства. Главным «призом» была Луна. Поэтому конструкторы обеих стран, не жалея сил и бюджетных денег, наперегонки создавали сверхтяжелые ракеты, которые могли бы доставить человека на поверхность Луны и вернуть его обратно. В СССР такой ракетой стала Н1-Л1, которую в ОКБ-1 разрабатывал сначала Сергей Павлович Королев, а после его смерти – Василий Павлович Мишин. В США – «Сатурн-5», которую создал не менее легендарный германский конструктор Вернер фон Браун (его еще при жизни начали называть «отцом» всей американской космической программы).
История не терпит сослагательного наклонения. Американцы ту гонку выиграли. SA-510 с «Аполлоном-4» на борту отправилась в первый испытательный полет 9 ноября 1967 года, а спустя полтора года – в июле 1969, первая пилотируемая ракета США уже села на Луне. Советский же Союз 21 февраля 1969 года только начал испытательные пуски своей «лунной» ракеты. И, вскоре по окончании американских запусков на Луну (последний полет по программе «Аполлон» состоялся 7 декабря 1972 года) советская лунная программа была свернута.
Однако, научно-технический задел, созданный при работе над ракетой Н1-Л1, не пропал. Ракетные двигатели, сконструированные и построенные для этой ракеты знаменитым советским конструктором Николаем Кузнецовым, оказались настолько удачны, что сейчас требуются и России, и США.
Битва «великих стариков»
Поколение величайших советских военных конструкторов, пик творческой мысли которых пришелся на 40-80-е годы прошлого века, часто называют «поколением великих стариков». Именно их умом был создан «оборонный щит» нашей Родины и именно их разработки, по сути, по-прежнему лежат в основе развития военно-технической мысли в современной России. В этой плеяде значатся и имена двух великих советских двигателестроителей - Николая Дмитриевича Кузнецова и Валентина Петровича Глушко. На газотурбинных двигателях первого конструктора до сих пор летают стратегические бомбардировщики и перекачивают «голубое золото» газоперекачивающиеагрегаты «Газпрома». На ракетных двигателях второго конструктора, фактически,поднялась в небо вся советская и российская космонавтика. Казалось бы, они работалив разных сферах. Однако, в истории был момент, когда пути двух советских академиков пересеклись друг с другом.
Это случилось в 1959 году, когда главный советский конструктор космических машин и аппаратов Сергей Павлович Королев вплотную приступил к созданию новой советской ракеты, предназначенной для полета на Луну. Незадолго до этого Глушко как раз был удостоен звания Героя Социалистического Труда за работу над жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) для баллистической ракеты Р-5М с боевым ядерным зарядом. Но задачу создать ЖРД для всех четырех ступеней советской «лунной» ракеты Королев неожиданно ставит не перед Глушко, а перед Николаем Кузнецовым — руководителем и генеральным конструктором Опытного завода №276 (город Куйбышев), который тогда специализировался исключительно на разработке и производстве турбовинтовых и турбореактивных двигателей для авиации. Доподлинно неизвестно, что послужило причиной такой «смены коня» - непростые личные взаимоотношения между Королевым и Глушко, или то, что конструктору ракеты требовались кислород-керосиновые двигатели, а конструктор двигателей настаивал на гептил-амиловых… Но факт остается фактом - к моменту первого испытательного полета сверхтяжелой «лунной» американской ракеты «Сатурн-5» на Куйбышевском моторном заводе, который тогда входил в Министерство авиационной промышленности СССР, Николай Кузнецов создал и успешно провел стендовые испытания четырех типов новых ракетных двигателей для каждой из ступеней советской лунной ракеты Н1-Л1. К 1971 году в процессе летных испытаний этой ракеты (она стартовала четыре раза) они были доработаны и получили шифры НК-33, НК-43, НК-39 и НК-31. Но в серию эти двигатели так и не пошли.
Главный идеолог советской лунной программы – Сергей Павлович Королев, умер в январе 1966 года. Спустя три года становится известно, что первыми Луны достигли астронавты США. В 1974 году на базе ОКБ Глушко и КБ, которым руководил «преемник» Королева Василий Мишин, создается НПО «Энергия». Его в качестве директора и генерального конструктора возглавляет Валентин Глушко. И вслед за этим работы по ракете Н1-Л1 в Советском Союзе окончательно закрываются, а НПО «Энергия» начинает разрабатывать идею многоразовой космической системы «Энергия-Буран». В том же 1974 году Совет обороны СССР приказывает Куйбышевскому ОКБ-276 прекратить дальнейшие работы над ракетными двигателями, полностью погрузившись в конструирование газотурбинных двигателей для стратегической авиации и наземных приводов для газоперекачивающих агрегатов, которые вскоре погонят советский газ из Западной Сибири в капиталистическую Европу. Около сотни двигателей НК-33 и НК-43, уже изготовленных в Куйбышеве для ракеты Н1-Л1, приказано уничтожить.
Строптивый генерал
Однако, как потом выяснилось, Николай Кузнецов тот приказ партии и правительства выполнил только наполовину. Он действительно создал двигатели, на которых до сих пор летает и будет продолжать летать вся стратегическая авиация нашей страны. А треть мощности газоперекачивающих агрегатов «Газпрома» до сих пор обеспечивают кузнецовские газотурбинные двигатели. Более того – под руководством Кузнецова напредприятиях куйбышевского двигателестроительного куста в середине 70-х годовпрошлого века было налажено серийное производство «глушковских» двигателей для первой и второй ступеней различных модификаций ракет-носителей среднего класса «Союз» - РД-107A/РД-108A. И за прошедшее время в Куйбышеве, а затем в Самаре было построено более 9 тыс жидкостных реактивных двигателей.
Но свое собственное ракетное «детище» — НК-33 и НК-43 — генерал, конструктор и действительный член Академии наук СССР Н. Д. Кузнецов, не смотря на прямой приказ партии и правительства, ликвидировать не стал. Он специальным образом их законсервировал и упрятал подальше от посторонних глаз. И ни один человек, причастный к этой операции, в последующие 20 лет никому не проговорился о том, что в окрестностях Самары в укромном месте дожидаются своего часа около сотни уникальных изделий.
Этот час настал в 1992 году. За три года до этого умер главный оппонент «кузнецовских» ракетных двигателей - Валентин Павлович Глушко. Он еще успел увидеть полет своего грандиозного творения – сверхтяжелой ракеты «Энергия» с МТКК «Буран». Но Советский Союз разваливался на глазах и его политическому руководству, по сути, было уже не до космоса. К этому времени трещала по швам и прежняя система взаимоотношений между КБ, двигателестроительными предприятиями, ракетостроителями, министерствами, ведомствами и отраслями. Ранее «закрытым» предприятиям, например, разрешили самим выходить на международную арену со своей продукцией. И Николай Кузнецов этим воспользовался. Он достал из «запасников» свои ракетные двигатели и предъявил их широкой общественности на первой международной выставке «Авиадвигатель» в 1992 году Москве. Эти изделия произвели на мировую общественность эффект разорвавшейся бомбы. «Уникальность этого двигателя в том, что он создавался не ракетным, а авиационным конструкторским бюро. И эта специфика проявляется во всем. Большинство ракетных двигателей, например, опутаны десятками и сотнями трубопроводов. А в нашем двигателе их практически нет. Часть конструкции НК-33 это, по сути, турбореактивный двигатель, который до этого создавал Кузнецов, например НК-12... Американцы, когда увидели эту конструкторскую схему, схватились за голову и сказали: «Мы вокруг этой схемы ходили десятки лет и не знали, как ее внедрить. Потому что ее разработка требовала колоссального количества денег!» — поделился с «Эксперт online» своими впечатлениями от первой встречи с американцами главный конструктор ракетных двигателей объединения «Кузнецов» Валерий Данильченко.
Более того «Кузнецовские» двигатели показали величайшую надежность, поскольку на совершенствование их конструкции и материалов денег тоже не жалели. По словам конструкторов, на этом этапе было «сожжено» (то есть выработано) около 100 двигателей – это на порядок больше того, что могут себе позволить сейчас сжечь в процессе испытаний и российские, и зарубежные разработчики ракетных двигателей. Но при этом профессор Кузнецов добился того, что один из двигателей НК-33, предназначенный для работы на первой ступени «лунной» ракеты, без съема со стенда проработал в общей сложности более четырех (!) часов. Для сравнения, расчетное время работы первой ступени американской ракеты Antares, на которой сейчас стоят модернизированные НК-33, составляет 230 секунд. За это время два таких двигателя забрасывают ракету на высоту 107 км. Таких параметров надежности, возможности многоразового использования и соотношения тяги к массе до сих пор нет ни у одного ракетного двигателя в мире.
Возвращение двигателя
Упоминание о США не случайно. Американцам в тот момент как раз нужна был новая коммерческая ракета-носитель (РН), работающая на границе легкого и среднего классов. Поэтому уже летом 1993 года между самарскими двигателестроителями и американской компанией Aerojet был заключен договор о сотрудничестве по применению НК-33 в составе двигательной установки РН Taurus-2 (Antares). Для этого американцы купили 47 двигателей НК-33 и НК-43 из тех запасов, которые сохранились в Самаре, по цене 1 млн долларов за изделие. Это решение великого конструктора о продаже в страну наиболее вероятного противника уникальных изделий и тогда, и сейчас, вызывает неоднозначную реакцию. Самого Николая Дмитриевича об этом уже не спросишь – он умер в 1995 году. Но по отзывам знавших его людей, основным мотивом продажи американцам половины запасов двигателей НК-33 были не деньги. Просто он очень хотел, чтобы двигатель наконец-то полетел….
И американцы, действительно, подняли его в космос, хотя и в модернизированном виде. В частности, были заменены уплотнители, обновлена система управления, двигатель был адаптирован к американскому керосину и оснащен карданным шарниром для управления вектором тяги. И в таком виде детище советских конструкторов было сертифицировано в США и получило название НК-33/AJ-26. Эта работа специалистами Aerojet велась совместно с конструкторами Самарского научно-технического комплекса им. Кузнецова (СНТК им. Кузнецова), а в дальнейшем, когда СНТК им. Кузнецова было вновь соединено с серийным заводом «Моторостроитель» - вместе со специалистами объединенной двигателестроительной компании «Кузнецов». Основной объем этой работы по модернизации двигателей производился в период 2008-2012 годов. «Сама деятельность по вхождению НК-33 в летные испытания длилась около 5-6 лет, но с двигателем работали с 95 года, подтверждая его технические характеристики, показывая его возможности. И в рамках отечественного, и в рамках американского проектов с НК-33 была проведена огромная опытно-конструкторская работа. В рамках модернизации в двигателе были реализованы дополнительные конструктивные решения, поднявшие уровень его технических характеристик на новую ступень. Что касается американского варианта то мы его форсировали до 108 процентов тяги, американские специалисты дополнили двигатель управляемым вектором тяги. По российскому проекту двигатель имеет модификацию, он был адаптирован к новым условиям полета» - подчеркнул «Эксперт online» исполнительный директор объединения «Кузнецов» Николай Якушин.
Первый рейс Antares с тремя малыми спутниками NASA PhoneSat и одним коммерческим наноспутником был совершен в ночь с 21 на 22 апреля 2013 года с космодрома на острове Уоллопс на восточном побережье США. Эта РН предназначена для запуска полезных грузов весом до 5,5 тонны на низкую опорную орбиту, и ее разработчик — частная компания Orbital Sciences Corporation (OSC) — уже подрядился по контракту с NASA за 3,5 млрд долларов совершить с помощью этой ракеты восемь рейсов космического грузовика Cygnus с грузом для Международной космической станции. В 2013 году состоялось уже 3 успешных коммерческих рейса Antares.
В России первый старт ракеты-носителя с двигателем НК-33 состоялся в декабре 2013 года. Ею стала РН «Союз-2-1 В» на 3 тонны полезной нагрузки, в основе двигательной установки которой находится модернизированный двигатель НК-33 под литерой НК-33А. Разработчик и изготовитель ракеты - «ЦСКБ-Прогресс» (Самара). Специально под новый легкий «Союз» в этом двигателе были заменены и доработаны почти 30 позиций: электропроводка, приводы, система зажигания и прочее. Место старта — космодром Плесецк. Кроме того, «ЦСКБ-Прогресс» сейчас работает над РН «Союз-2-3» полезной нагрузкой 11–12 тонн, в котором четыре глушковских двигателя РД-107А сочетаются с одним НК-33-1. Есть в России проект и РН тяжелого класса полезной нагрузкой 20 тонн с пятью двигателями НК-33 (плюс управляемый вектор тяги).
Экономика проекта
Нынешняя мотивация и американцев, и россиян по поводу двигателя НК-33 понятна. На мировом рынке сейчас довольно много предложений по «извозу» на легких ракетах-носителях, поскольку покорение космоса в свое время и начиналось с легких РН, выводящих на низкую околоземную орбиту космические аппараты массой до 5 т. В США это семейства РН Pegasus, Taurus, Minotaur, Delta 11 (моделей 7320 и 7420), Falcon , в Индии — РН PSLV в различных конфигурациях, в Израиле — РН Shavit. Европейцы основные надежды связывают с Vega. Бразилия вместе с Украиной ставили на «Космос-4». Легкие РН создаются в Иране, Северной Корее, Южной Корее, Японии. Активно работает по теме легких РН Китай.
Однако, для американцев тема использования в их РН российских двигателей НК-33, важна, в первую очередь, с точки зрения оптимального сочетания стоимости, надежности и эффективности этих двигателей. Двигатели НК-33 не только являются одними из самых надежных ракетных двигателей в мире и лидерами по соотношению тяги к массе. Цена серийно изготовленного «модернизированного» под современные требования НК-33 оказывается вдвое меньше, чем стоимость аналогичных по тяге ракетных двигателей других конструкторов и производителей. А в случае организации крупносерийного производства этого двигателя на объединении «Кузнецов» его цена, по предварительным подсчетам, может упасть еще на 30–40 млн рублей. Поэтому Aerojet заявила, что ей нужно еще как минимум 50 двигателей НК-33 из России.
У нашей страны мотивация немного другая. России в принципе нужна сейчас новая легкая ракета. Так сложилось исторически, что наши легкие РН – это межконтинентальные баллистические ракеты (МБР), где вместо боевой части располагается полезный груз. Таков «Днепр» на базе РС-20, «Стрела» и «Рокот» на базе РС-18, «Циклон-3» на базе Р-36. У них есть один плюс – относительная дешевизна, особенно, если речь идет о переделке снятых с боевого дежурства МБР. Однако, запас таких ракет не бесконечен («Циклон-3», например, уже отлетал свое два года назад), да и большинство из них, опять же исторически, производилось на Украине. А что там сейчас происходит, объяснять, думаю, не надо. Поэтому в России сейчас ведутся работы по созданию сразу двух легких РН – «Союза 2-1В» и «Ангары 1.2». «Легкие ракеты, сделанные в свое время на основе баллистических ракет, такие, например, как «Рокот» или «Днепр», завтра-послезавтра сойдут со сцены. И это высвободит нишу легких средств выведения в Российской Федерации. Поэтому появление в России сразу двух новых носителей легкого класса — «Ангара 1.2» и «Союз-2-1В» — это не болезненно с точки зрения конкуренции. Это позитивно. Они не будут мешать друг другу ни по линии выполнения оперативных задач российского Министерства обороны, ни по линии коммерческого космоса на мировом рынке ракет-носителей», — подчеркнул «Эксперт online» исполнительный директор объединения «Кузнецов» Николай Якушин.
Поэтому «ЦСКБ-Прогресс» уже создал легкий «Союз» на «кузнецовском» двигателе, а Государственный космический научно-производственный центр им. Хруничева создает семейство ракет-носителей «Ангара» на маршевых двигателях РД-191 разработки НПО «Энергомаш им. Глушко». Первая машина уже полетела, вторая - еще нет. И пойдет ли «Ангара», решение о создании которой принималось более 20 лет назад, вообще в серийное производство – еще большой вопрос. В качестве чисто военного изделия – вполне возможно. В качестве средства выведения коммерческих нагрузок – сомнительно, поскольку по эффективности выведения полезной нагрузки легкий «Союз» почти в 1,5 раза опережает легкую «Ангару».
Поэтому «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК), куда сейчас входит ОАО «Кузнецов», объединившее в последние годы несколько наиболее значимых активов самарского двигателестроительного комплекса, к 2017 году намерена полностью восстановить в Самаре серийное производство двигателей НК-33. «С учетом востребованности изделия в настоящий момент мы решаем вопрос воспроизводства двигателя. Это совместная задача, которая реализуется в рамках «ОДК». Это программа общая. В настоящее время прорабатывается вопрос с американскими специалистами в части формирования долгосрочных отношений по поставкам ракетных двигателей по программе «Антарес», продолжаются работы по отечественному проекту. Нами сформирован конкретный график восстановления производства. Для целей американской стороны с учетом реальности сроков мы говорим о начале поставок двигателей с 2018 года на уровне 6-8 двигателей в год. Для отечественного проекта ориентировочный срок начала поставок - 2017 год» - подчеркнул «Эксперту» Николай Якушин. Для того, чтобы выполнить намеченное, в Самаре, на объединении «Кузнецов», в рамкахФЦП «Развитие оборонно-промышленного комплекса до 2020 года» сейчас началось строительство нового производственного корпуса по изготовлению ракетных двигателей. Помимо традиционных РД-107A/РД-108A, здесь будут ежегодно изготавливать по новым технологиям и на современном оборудовании и несколько десятков ракетных двигателей марки «НК».
Информация