Технологии для российского космоса
К осмическая эра в истории человечества началась 4 октября 1957 года. На околоземную орбиту был выведен первый в мире искусственный спутник Земли. Космический аппарат ПС-1 (Простейший спутник — 1) представлял собой шар диаметром всего 58 сантиметров, весил 83,6 килограмма и был оснащен четырьмя штырьковыми антеннами длиной 2,4 и 2,9 метра для передачи радиосигнала. На 315-й секунде после старта произошло отделение спутника от второй ступени ракеты-носителя, и он подал свой голос: «Бип! Бип! Бип!» Именно так звучали позывные, которые услышал весь мир.
Одна из первых легенд космической эры гласит, что, когда ракета уже стояла на стартовой позиции, а до запуска двигателей оставались считанные минуты, на площадке появился горнист, поднес к губам свой тускло блеснувший в сумерках инструмент, и над притихшим в напряженном ожидании космодромом поплыли звуки сигнала «Слушайте все», который возвестил о наступлении новой эпохи.
Поразительно, но эта красивая легенда имеет под собой реальные основания: на стартовой площадке в день запуска спутника действительно был горнист. Однако миссия его была более прозаичной — предупреждать солдат, обеспечивавших запуск, о необходимости покинуть пределы опасной зоны. Ведь другого вида оповещения в те дни просто не существовало.
Освоение космоса с самого начала космической эры стало для России вопросом национального престижа. Советская эпоха подарила нам звание великой космической державы, а полеты человека в космос наглядно показали, что освоение космоса — один из наиболее значимых показателей интеллектуальной, технологической и экономической мощи страны.
У истоков этих достижений стояли рабочие и ученые предприятий космической промышленности, многие из которых входят сегодня в Ростех. Они и сейчас могут обеспечить преемственность традиций, передаваемых от одного поколения создателей космической техники другому, поддерживать и развивать уникальные производства, успешно осваивать новые, доселе невиданные технологии.
ОНПП «Технология» является составной частью «РТ-Химкомпозит», одного из холдингов Ростеха. Предприятия «РТ-Химкомпозит» выпускают наукоемкую продукцию для космоса, авиации, вооруженных сил, химического производства и других отраслей. Объем поставок продукции ОНПП «Технология» из полимерных композиционных материалов ежегодно увеличивается не менее чем на 30%, в том числе за счет разработки и выпуска новой номенклатуры. Сегодня он достиг уровня более 20 тонн углепластиковых конструкций в год.
Композиционными называются материалы, состоящие из нескольких компонентов, усиливающих свойства друг друга. Бурное развитие композитов началось на самом пике космической гонки между США и СССР. Конструкторы всегда боролись за каждый полезный килограмм, который можно вывести на орбиту. Поэтому на смену привычным материалам — металлическим сплавам, алюминию и титану — пришли более легкие и прочные композиты.
К середине 70-х годов в Обнинске были созданы первые образцы композитов и керамики, отвечавшие строгим требованиям разработчиков космических аппаратов. В советский период практическое применение композитов началось с нескольких деталей для станции «Венера» и достигло пика при создании многоразового космического корабля «Буран». Десятая часть общей массы планера «Бурана» приходилась на изделия обнинского предприятия и включала в себя знаменитую керамическую сверхлегкую теплозащиту, крупногабаритные углепластиковые створки отсека полезного груза, высокопрочные термостойкие лобовые стекла корабля, тонкостенные композитные трубы системы воздушного термостатирования и многое другое. Особого внимания заслуживает разработка уникальной теплозащиты корпуса «Бурана», обладающей редким сочетанием высоких теплофизических свойств и успешно выдержавшей температуру плазмы при автоматической посадке орбитального корабля.
Свойства современных углепластиков — это то, что еще совсем недавно могло показаться научной фантастикой. Некоторые детали, сделанные из них, в пять раз прочнее легированной стали и в разы легче ее. Они не подвержены коррозии, выдерживают тяжелейшие нагрузки и сверхвысокие температуры, а работоспособность изделия сохраняется при колебаниях температур от —196 до +2700°С.
Еще каких-то 20–30 лет назад основным методом производства углепластиковых конструкций была ручная выкладка слоев препрега — композиционного материала-полуфабриката из углепластика или стеклоткани, пропитанного специальным связующим компонентом. Однако уже тогда стало ясно, что с увеличением числа слоев появляются проблемы с качеством изделий. Ручная выкладка — относительно длительный процесс, за время которого сырье успевает изменить свои свойства, что не позволяет добиться необходимого уровня повторяемости результата.
Уникальная технологическая база ОНПП «Технология» позволила создать на предприятии серийное автоматизированное конкурентоспособное производство конструкций из композиционных материалов. На обнинском предприятие разработаны и внедрены технологии автоматизированной выкладки препрегов и раскроя полуфабрикатов, лазерное проецирование, технологии безавтоклавного формования. Впервые в России автоматизирован полный цикл создания изделий из полимерных композиционных материалов на базе программного обеспечения FiberSim.
Сегодня ОНПП «Технология» серийно производит углепластиковые оболочки головных обтекателей увеличенных габаритов с диаметром более 4 метров и площадью более 30 квадратных метров, детали приборных отсеков, гаргроты, обтекатели ступеней и разгонных блоков ракет-носителей «Протон-М», «Рокот» и «Ангара».
Выпускаемый в настоящее время головной обтекатель для ракеты-носителя «Протон-М» высотой 15,255 м является самым крупным обтекателем российского производства.
В ряде серийно производимых конструкций для ракет-носителей, таких как головные обтекатели, гаргроты, приборные рамы и воздуховоды, доля композитов на основе углеродных наполнителей составляет от 50 до 90%.
Однако прежде чем деталь из композиционного материала попадет на космодром, где готовится к старту ракета-носитель, ей предстоит пройти многоуровневую систему контроля качества в ОНПП «Технология».
В процессе производства изделий из композиционных материалов в них могут образовываться различные виды неоднородностей структуры— пористость, волнистость волокон, посторонние включения, расслоения и трещины. При работе в условиях перегрузок такие локальные дефекты могут стать причиной разрушения всей конструкции.
Контроль частей из композиционных материалов достаточно сложен, поскольку входящие в них компоненты имеют различную форму и толщину. Именно поэтому такое пристальное внимание уделяется стадии неразрушающего контроля продукции, в рамках которого изделия подвергаются всестороннему обследованию методами акустического, ультразвукового, теплового и оптического контроля.
На предприятии постоянно идут разработка и внедрение принципиально новых видов продукции. Это ультралегкие каркасы солнечных батарей из углепластика с весовыми характеристиками, не превышающими 500 г/кв. м, или пассивная система терморегулирования, разработанная совместно со специалистами НПО им. С.А.Лавочкина. Если раньше срок жизни космических аппаратов исчислялся примерно пятью годами — из-за сильных перепадов температуры приборы быстро выходили из строя, — то с новой системой терморегулирования он увеличился до 12–15 лет.
А совсем недавно специалисты холдинга «РТ-Химкомпозит» разработали новые композиционные материалы для сопла двигателя ракеты-носителя (РН) «Ангара». Уникальность этой разработки в том, что композитные насадки принудительно не охлаждаются, имеют значительно меньшую массу, чем стальные аналоги, и хорошо выдерживают температуру ракетных газов.
Космический ракетный комплекс «Ангара», целиком созданный из российских комплектующих, стал одним из приоритетных направлений развития национальной системы средств выведения в космос. Семейство РН «Ангара» включает носители легкого, среднего и тяжелого классов с возможностью вывода полезной нагрузки массой от 3,8 до 35 тонн.
В конце 2014 года состоялся запуск самой крупной модификации семейства — «Ангара-5», для которой в ОНПП «Технология» были изготовлены обечайки головных обтекателей и ряд локальных силовых конструкций из полимерных композиционных материалов. Планируется, что к 2022 году «Ангара» полностью заменит ракету-носитель «Протон» — основное средство доставки космических кораблей на орбиту с 1965 года.
ОНПП «Технология» — далеко не единственное предприятие Госкорпорации Ростех, производящее компоненты для космической отрасли. 12 апреля 1961 года человек впервые был доставлен на орбиту Земли с помощью космического аппарата «Восток-1». Двигатели для этой ракеты были произведены на предприятии «П/я № 24» (ныне ОАО «Кузнецов»), которое входит в Объединенную двигательную корпорацию (ОДК) — холдинговую компанию Госкорпорации Ростех. Здесь разрабатывают и производят двигатели для космических программ, стратегической авиации, газоперекачивающие и газотурбинные агрегаты.
Легендарные двигатели РД-107/108, стоявшие у истоков отечественной пилотируемой космонавтики, до сих пор не потеряли своей актуальности. Их модификации с неизменным успехом применяются для запуска современных ракет-носителей с грузовыми и пилотируемыми космическими кораблями.
За более чем полвека работы на предприятии было выпущено более 10 тысяч жидкостных ракетных двигателей восьми модификаций, которые подняли в космос более 1800 ракет-носителей типа «Восток», «Восход», «Молния» и «Союз».
Кроме известного двигателя марки РД, на предприятии разрабатывались и выпускались двигатели НК-33, разработанные еще в конце 60-х — начале 70-х годов конструктором Николаем Дмитриевичем Кузнецовым для первой ступени «лунной» ракеты Н1-Л3. Двигатель выполнен по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины и до сих пор остается уникальным инженерным творением на стыке авиационных и ракетных технологий.
В 1969 году американцы первыми высадились на Луну, и советская пилотируемая лунная программа потеряла свою актуальность, поэтому уже выпущенные двигатели по приказу тогдашнего руководства СССР подлежали уничтожению. Однако сотрудникам Н.Д.Кузнецова все же удалось сохранить почти все двигатели, спрятав их на складе одного из подразделений предприятия.
Об этом двигателе вновь заговорили в 1991 году, когда он был представлен на выставке в Москве. Этот во многом опередивший свое время советский двигатель настолько поразил американских специалистов, что представители компании Aerojet (ныне Aerojet Rocketdyne) закупили 47 экземпляров двигателей НК-33 и НК-43 из числа тех, которые находились на хранении на складе предприятия. Частная корпорация Orbital Sciences, работающая по контракту с НАСА, использовала в своих ракетах-носителях Antares российские двигатели НК-33, модифицированные и адаптированные фирмой Aerojet Rocketdyne. Такие НК-33 обозначались индексом AJ26. В российской космонавтике двигатель НК-33 востребован в рамках проекта ракеты-носителя легкого класса «Союз-2.1в».
Главное преимущество НК-33 — его надежность, подтвержденная большим количеством стендовых испытаний, возможность многоразового использования и соответствие современным требованиям к таким показателям, как удельный импульс тяги и удельный вес. При этом стоимость серийно изготовленного модифицированного НК-33 оказывается вдвое меньше аналогичных по тяге других ракетных двигателей в своем классе.
Однако успешно вывести космический корабль на орбиту Земли означает решить только часть сложнейшей технической задачи, возникающей при каждом космическом полете. Для человека космос — враждебная среда. Полет проходит практически в полном вакууме, при больших перепадах температур и под воздействием ионизирующих излучений. И чтобы в таких условиях человек не просто выжил, но и продуктивно работал, необходимы специальное оборудование и средства защиты.
Научно-производственное предприятие «Звезда», входящее в структуру Ростеха, производит системы жизнеобеспечения летчиков и космонавтов. НПП «Звезда», образованное в 1952 году, по сей день удерживает лидерство в своей области. Его продукция неразрывно связана со славной историей отечественной космонавтики. В скафандре от «Звезды» Юрий Гагарин отправился в свой исторический полет, а Алексей Леонов совершил первый в истории выход в открытый космос. В общей сложности за 15 лет существования станции «Мир» российские и иностранные космонавты 78 раз выходили в космос в скафандрах, разработанных в НПП «Звезда».
Со временем скафандры были модернизированы. Они стали удобнее и легче, а время автономного пребывания в открытом космосе возросло до 10 часов. По объему своей электронной «начинки» космический костюм сравним с современным автомобилем, однако стоит он значительно дороже — один комплект обходится в 11–17 млн долларов, а 70% цены составляют системы жизнеобеспечения и управления.
Предметом гордости на НПП «Звезда» стал скафандр нового поколения «Орлан-МК», превосходящий по своим характеристикам все существующие аналоги.
В этом скафандре российские космонавты Олег Котов и Сергей Рязанский впервые в истории вынесли в открытый космос факел Олимпиады, от которого потом зажегся олимпийский огонь в Сочи, а также установили новый рекорд работы в открытом космосе, который составляет 8 часов 10 минут.
Срок службы скафандра «Орлан-МК» — около пяти лет, и, в отличие от американских аналогов, он не требует техобслуживания каждые полгода. Еще один плюс скафандра — в том, что надеть его космонавт может самостоятельно, без помощи других членов экипажа.
На очереди новая модель — «Орлан-МКС», скафандр пятого поколения, оснащенный системой автоматического терморегулирования. Благодаря замене резиновой оболочки на полиуретановую инженерам удалось увеличить срок использования скафандров с четырех до пяти лет, а количество выходов в открытый космос — с 15 до 20. Кроме того, космонавты могут не только самостоятельно надевать новые скафандры, но и проводить все работы по их настройке и мелкому ремонту. На случай разгерметизации из-за повреждения обшивки в «Орлане-МКС» предусмотрена система, способная поддерживать внутри скафандра необходимое давление в течение 30-50 минут. Этого достаточно для возвращения на станцию.
Помимо скафандров, предназначенных для выхода в открытый космос, и аварийно-спасательных скафандров, предприятия холдинга производят амортизационные кресла и тормозные парашюты для спускаемых аппаратов, а также системы водоснабжения и ассенизации для космических аппаратов.
В далеком 1959 году автоматической межпланетной станции «Луна-3» впервые удалось сфотографировать обратную сторону Луны. Эта историческая съемка была осуществлена при помощи фотоаппарата «АФА-Е1», изготовленного на Красногорском заводе им. С.А. Зверева. В настоящее время предприятие входит в холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех, объединяющий 64 организации оптико-электронной отрасли России. Предприятия «Швабе» по праву считаются «глазами» российской космической промышленности. Продукция холдинга поставляется в 85 стран мира.
25 июня 2013 года с космодрома Байконур стартовала ракета-носитель «Союз-2.1б» с космическим аппаратом «Ресурс-П», на борту которого были установлены многозональная оптико-электронная съемочная аппаратура «Геотон-Л1» и гиперспектральная аппаратура ГСА. Это уникальное оборудование было также разработано в ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» (ПАО КМЗ) — на ведущем российском предприятии по производству различных оптико-электронных приборов для космических комплексов дистанционного зондирования Земли и систем контроля космического пространства.
Техника ПАО КМЗ также задействована и в космическом комплексе «Метеор-3М». 8 июля 2014 года состоялся запуск ракеты-носителя «Союз-2.1б» с космическим аппаратом «Метеор-М» № 2, на борту которого был установлен уникальный бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2. Он предназначен для температурно-влажностного зондирования атмосферы Земли.
В конце декабря 2015 года Красногорский завод им. С.А. Зверева завершил работы над уникальной широкозахватной мультиспектральной оптико-электронной аппаратурой «Аврора». Новинка станет осуществлять мониторинг планеты Земля из космоса на борту малого космического аппарата «Аист-2Д», запуск которого состоится в апреле 2016 года.
Еще одно предприятие, входящее в состав холдинга «Швабе», — АО «Лыткаринский завод оптического стекла» (АО ЛЗОС) — также вносит огромный вклад в изучение космического пространства. Здесь производят около одной трети всего мирового рынка уникальной крупногабаритной оптики, предназначенной как для наземных телескопов, так и для космических аппаратов — спутников дистанционного зондирования Земли и телескопов, работающих на орбите. Накопленный научно-технический потенциал позволяет предприятию успешно работать на международном рынке в рамках различных проектов.
В Лыткарине были изготовлены главные зеркала для трех телескопов Королевской Гринвичской обсерватории (Великобритания), комплект астрономических зеркал для Китайской академии космических технологий, главное зеркало телескопа Института астрономии общества Макса Планка (Германия), уникальные высокоапертурные поверхности главного и вторичного зеркал обсерватории ESO Paranal, готовые сегменты зеркал и заготовки из астроситалла для проекта LAMOST (самый крупный составной наземный астрономический телескоп Китая), оптическая система немецкого телескопа Stella, зеркала для греческого и испанского телескопов, а также 4 главных и 2 вторичных зеркала для проекта TTL (Telescope Technologies Limited, Великобритания).
Главное одиннадцатиметровое зеркало Большого южноафриканского телескопа (одного из крупнейших в мире) состоит из 91 ситаллового оптического элемента, сделанного на Лыткаринском заводе оптического стекла. На сегодняшний день только две компании в мире, одна из которых — АО ЛЗОС, владеют наукоемкой технологией производства ситалла. Данный современный стеклокерамический материал обладает целым рядом уникальных свойств: малая плотность (он легче алюминия), высокая механическая прочность, твердость, жаропрочность, химическая устойчивость. А сочетание таких характеристик со свойствами стекла делает этот материал идеальным для производства разнообразных оптических элементов.
Помимо изготовления новой продукции, Лыткаринский завод оптического стекла осуществляет также модернизацию и ремонт выпущенных ранее изделий. Несколько лет назад на территорию предприятия на плановый ремонт было доставлено шестиметровое зеркало самого большого в Евразии телескопа весом 42 тонны, которое с 70-х годов успешно эксплуатировалось на Зеленчукской обсерватории. Данное изделие будут полировать на протяжении 4 лет. В результате в разы повысится качество рабочей поверхности зеркала, и, как следствие, значительно улучшатся рабочие характеристики всего телескопа.
Когда Лыткаринский завод оптического стекла выиграл конкурс на производство зеркал VST c асферичностью в 100 микрон, многие сомневались, что подобное вообще возможно, — ведь до сих пор такие характеристики не мог обеспечить ни один производитель в мире. Однако предприятие точно в срок справилось со сложной задачей, выполнив все условия контракта. И уже через несколько лет АО ЛЗОС взялось за проект VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy), где уже требовалось достичь на порядок более высоких показателей асферичности (1000 микрон).
Сегодня эти зеркала работают в составе Европейской Южной обсерватории. Высокочувствительный инфракрасный телескоп VISTA с большим полем зрения является единственным в своем роде инструментом, позволяющим зарегистрировать самые далекие галактики ранней Вселенной. Их свет достигает Земли в виде инфракрасных волн, поэтому теперь у астрономов появилась уникальная возможность проследить стадии образования и эволюцию различных галактик на разных этапах истории Вселенной.
Завоевание и удержание новых рынков космической отрасли лежит в основе Стратегии развития Ростеха до 2025 года. Новая стратегия предполагает конкуренцию «из будущего»: не догонять другие страны, а создавать у себя условия для работы на «пике» технологий. В этом госкорпорация ориентируется на рынки новых материалов, электроники и систем управления.
Авиакосмическая техника предъявляет повышенные требования к материалам. Наиболее полно этим требованиям отвечают современные композиты. Специалисты «РТ-Химкомпозита» постоянно совершенствуют свои разработки, внедряют новые технологии, получают новые улучшенные материалы.
Другой ярчайший пример — значительное сокращение затрат на электричество при помощи опытной установки Ростеха, размещенной на космическом спутнике. Установка собирает солнечную энергию и преобразует ее в лазерный луч. Он направляется на Землю, там преобразуется установкой уже в электрическую энергию. В этом же направлении сейчас работают и американские ученые, но у российских изобретателей есть все шансы занять лидирующие позиции в этом вопросе.
Предприятия холдинга приступают к производству нового поколения сверхпрочного ситалла для астрономических и навигационных приборов. Новый однородный и термостойкий стеклокристаллический материал превосходит известный и позволит изготавливать еще более точные и качественные приборы мирового уровня.
Стратегия развития Ростеха предполагает не только сохранить, но и многократно усилить лидирующие позиции России в космической отрасли. Для этого у Ростеха есть образовательная и производственная база, научная школа, а главное — новое поколение изобретателей с нетривиальным взглядом на мир. Эти факторы позволят Ростеху стать ядром технологического, а значит, и экономического развития страны на ближайшие 20–30 лет.
Источник