Все знают, что в области освоения космоса наша страна долгие годы была «впереди планеты всей». А с помощью каких двигателей выводились в космос первые летательные аппараты? Какие бывают типы ракетных двигателей и чем они различаются? Делаем ли мы двигатели сейчас? И почему это важно? О том, как все начиналось и как развивается, рассказывает один из первых исследователей и создателей отечественного двигателестроения в области электрических ракетных двигателей, директор НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ академик Гарри Алексеевич Попов.
― Гарри Алексеевич, вы родились и выросли в советской семье, учились в МАИ. Откуда у русского человека такое имя?
― Папа и мама не могли договориться, как меня назвать: Владимиром ― в честь Ленина или Виктором ― в честь победы революции. Потом мне рассказывали, что в гости к родителям пришла знакомая дама, которая стала их в шутку ругать: почему же вы, дескать, не можете выбрать имя ребенку? Да назовите его Гарри! «Почему Гарри?» ― «Разве вы не знаете, что одного из руководителей компартии Великобритании зовут Гарри Поллит?» Вот и назвали меня в его честь.
― А не было из-за этого имени проблем?
― Нет, не было, хотя одно время я очень хотел его сменить. Все думал, как же будут звать моих детей? Гарриевичи?
― Так и зовут?
― Да, Антонина Гарриевна и Алексей Гарриевич. Все привыкли.
― Поговорим об истории создания НИИ института прикладной механики и электродинамики МАИ. Когда и с какой целью он был создан?
― Этому предшествовала длинная история. В 1953 г. я окончил школу, в 1959 г. ― Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (МАИ). Когда я учился в вузе, появился серьезный интерес к электрическим ракетным двигателям для полетов в дальний космос. В 1962 г. в МАИ была создана первая в стране специальная кафедра по подготовке молодых специалистов для задачи создания таких типов двигателей. В 1950-е гг. на реактивных кафедрах МАИ было начато изучение электроракетных двигателей (ЭРД). Мой дипломный проект был связан именно с ними. А после его защиты и до нынешнего дня я тружусь в области исследований, разработок и создания этих важных двигателей. Спустя некоторое время после окончания МАИ у меня появился интерес к электрическим ракетным двигателям околоземного космоса. Сейчас они широко используются.
Через год после окончания МАИ меня пригласил к себе на кафедру электрических ракетных двигателей ее заведующий Александр Васильевич Квасников. Там мы начали заниматься исследованиями ЭРД, а потом стало ясно, что их нужно самим разрабатывать, производить и использовать. Наша кафедра была первой в стране по ЭРД.
В 1963 г. с МАИ был заключен первый договор по исследованию абляционных импульсных плазменных двигателей (АИПД) с предприятием, ныне имеющим название АО «ОКБ “Факел”». Совместные работы и по другим типам двигателей проводятся уже в течение 60 лет.
― Вы занимались и другими типами двигателей.
― В конце 1950-х гг. в МАИ на кафедрах двигательного факультета начались исследования ионных и плазменных двигателей. Самые серьезные успехи были достигнуты в исследованиях и разработке сильноточных стационарных и импульсных плазменных двигателей и холловских стационарных плазменных двигателей.
Тут надо отметить роль ИАЭ им. И.В. Курчатова, в народе Курчатовского института, где всегда работали лучшие физики страны. Усилия их и ведущих инженеров ОКБ «Факел» были объединены для создания ЭРД, а между ними, физиками и конструкторами, поставили МАИ, в дальнейшем ― наш НИИ прикладной механики и электродинамики (НИИ ПМЭ МАИ), где работали и продолжают работать инженеры-физики.
Мы приступили к разработкам двигателей совместно с «Факелом» и по сей день занимаемся вопросами создания космических электроракетных двигателей разного типа. Это и наука, и практика.
― О каких двигателях разного типа речь?
― Постепенно мы начали исследовать, а потом и создавать сильноточные стационарные и импульсные плазменные двигатели, проводили научные совещания. В Курчатовском институте научными собраниями руководил известный в мире ученый, сотрудник института Алексей Иванович Морозов. В декабре 1964 г. на космический аппарат (КА) «Зонд-2» был установлен АИПД, который выполнил функцию ориентации аппарата, а точнее солнечных батарей.
В конце 1960-х ― начале 1970-х гг. встал вопрос о необходимости использования ЭРД не только в дальнем космосе, но и на околоземных КА. Двигатели были в качестве маршевых и исполнительных органов системы управления движением КА. Первый полет КА со стационарным плазменным двигателем (СПД) был осуществлен в 1971–1972 гг.
В 1970-е ― начале 1980-х гг. большой интерес к ЭРД (особенно к СПД) возник на сибирском предприятии, ныне называемым АО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева». В качестве предприятия, которое должно было создавать летные СПД, было выбрано АО «ОКБ “Факел”», которое начал изготавливать подобные двигатели уже в 1970-е гг. Впоследствии МАИ и наш НИИ ПМЭ МАИ принимали активное участие в разработках СПД совместно с ОКБ «Факел» и Курчатовским институтом. Основным заказчиком СПД стало АО «ИСС». Первый запуск АО «ИСС» с таким двигателем был осуществлен в 1982 г.
С годами у заведующего кафедрой по ЭРД А.В. Квасникова возникла идея создать в МАИ научно-исследовательский институт на базе «маевских» кафедр. Эта идея была поддержана руководством страны, и в 1987 г. наш институт был создан.
― И вы стали его директором?
― Да, я был назначен директором Государственного научно-исследовательского института прикладной электродинамики МАИ, переименованного в 2003 г. в Федеральное государственное научное учреждение «Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики МАИ» (ФГНУ «НИИ ПМЭ МАИ»).
― Что это дало?
― Создание целевого института увеличило число ОКБ, институтов «Роскосмоса» и других ведомств, с которыми МАИ проводит совместные исследования, разработки. НИИ ПМЭ МАИ, кроме направления ЭРД, занимается баллистикой КА с ЭРД на борту, электромагнитной совместимостью ЭРД с системами КА, применением указанных двигателей. В настоящее время мы работаем со многими организациями: ОКБ, предприятиями «Роскосмоса», авиационными и академическими институтами, вузами, частными компаниями.
У нас осуществляются теоретические и экспериментальные исследования, мы проводим конструкционные разработки, осуществляем создание ЭРД, проводим их экспериментальные испытания.
А сейчас на фоне эпохи малых космических аппаратов увеличивается потребность в летных двигателях малых размеров и электрической мощности. НИИ ПМЭ МАИ занимается разного типа ЭРД малой мощности: СПД, АИПД, ионными двигателями (ИД). Начаты и работы с исследованиями коллоидных двигателей. Без научных изысканий создать эффективные ЭРД малой мощности невозможно.
― А сейчас с какими типами двигателей вы работаете?
― Сейчас мы работаем с импульсными и стационарными плазменными, ионными и начинаем работать с коллоидными двигателями.
― Что это такое?
― В них ускоряющим веществом служит не плазма, а мелкие частицы, которые имеют электронный или ионный заряд. Если заряженные частицы находятся между электрическими потенциалами, начинается направленное движение частиц, их ускорение.
― В свое время вы стали одним из лидеров в исследовании и разработке стационарных плазменных двигателей. А что сейчас?
― Стационарные плазменные двигатели стали использоваться на фирме АО «ИСС» в Красноярском крае и других предприятиях. Наша страна действительно стала первой в мире по развитию этого направления. К сожалению, у нас одно время стали считать, будто СПД лучше других типов ЭРД. Это неправильно: для разных задач нужны разные двигатели. Но поддержка в основном была связана с СПД, по которым Запад существенно отстал от нас. Однако их фирмы продолжали делать ионные двигатели, и по этим двигателям мы отстали от Запада.
Еще К.Э. Циолковский показал: чем выше скорости истечения рабочего тела из двигателя, тем меньше надо иметь запас рабочего тела (в случае жидкого ракетного топлива) для выполнения одной и той же задачи полета космического аппарата. Сибиряки во главе с М.Ф. Решетневым — кстати, выпускником МАИ — успешно занимались использованием стационарных плазменных двигателей для коррекции и довыведения. Были достигнуты немалые успехи по довыведению КА на рабочие орбиты (в основном на геостационарную орбиту (ГСО). С системой довыведения за последнее время мы значительно увеличили массу КА, уменьшили удельную стоимость их массы, следовательно, и полезной целевой.
В Советском Союзе ионные двигатели практически не применялись. Однако уже в начале 2000-х гг. стало ясно, что необходимо к ним возвращаться.
― Чем же они так хороши?
― Они позволяют развивать значительно бóльшую скорость истечения рабочего тела из двигателя по сравнению с жидкостными плазменными ракетными двигателями, стационарными плазменными двигателями. Для сравнения: скорость истечения ЖРД составляла около 3,5 км в секунду, а скорость из СПД ― 1215 км/с. А если посмотреть на ионные двигатели, то это уже 40–45 км/с и более.
Но при этом у каждого из типов двигателей есть и свои преимущества, и недостатки. Например, ЖРД позволяет иметь большие тяги, но не большие скорости истечения топлива. ЭРД ― большие скорости истечения, но малые тяги. Поэтому ЖРД ― двигатели для ракеты-носителя, а полет в космосе ― ЭРД с малой величиной тяги, но с бóльшими скоростями истечения и меньшими требуемыми запасами рабочего тела.
― Двигатели разные нужны, двигатели разные важны. Скажите, а ЭРД сейчас используются?
― Конечно, используются! Сегодня стало популярным направление использования малых космических аппаратов и даже наноспутников ― они как раз летают с использованием ЭРД. Космические аппараты могут собираться в некие космические группы. В 2021 г. нам присудили правительственную премию им. Ю.А. Гагарина за то, что мы в содружестве с АО «ИСС» и АО «ОКБ “Факел”» при помощи стационарных ЭРД решили баллистическую задачу: значительное увеличение массы объектов, доставляемых на рабочие орбиты. Так, используя только ракету «Протон» в качестве ракеты-носителя и разгонный блок, выносили на геостационарную орбиту (ГСО) около 3,2 тыс. кг. А при помощи ЭРД, которые производит ОКБ «Факел», вывели на 25% больше.
При этом мы показали, что это не предел. Можно увеличить эту цифру на 100%, то есть в два раза! При этом двигатель ЭРД, который довыводит такую нагрузку, имеет совсем небольшую массу. По сравнению с ракетой-носителем стоимость ЭРД очень мала. Экономический эффект значителен и может стать еще больше.
― Гарри Алексеевич, вы стали известным ученым, когда наша ракетно-космическая отрасль была передовой. Сейчас ситуация изменилась. Как думаете, все в прошлом или есть перспективы?
― Мы остаемся космической державой. Есть потери. Мы в чем-то потеряли дальний космос, но правильно делаем, что ставим себе приоритетом лунную и марсианскую программы.
В области стационарных плазменных двигателей мы по-прежнему впереди, в области СПД ни на шаг не отстаем. По импульсным плазменным двигателям тоже развиваемся ― у нас в институте есть отдел, который ими занимается.
А совсем недавно мне позвонил один товарищ, который занимается сверхмалыми космическими аппаратами. Мы сделаем для них абляционный импульсный плазменный двигатель, который входит в очень малый объем. Они разрабатывают конструкцию малого КА, внутри которого будет находиться наш малый ЭРД. Очень интересно и перспективно.
Мы в МАИ развиваем ИД малой мощности, а Исследовательский центр им. М.В. Келдыша разрабатывает ИД средней и относительно большой мощности. АО «ОКБ “Факел”» продолжает разрабатывать СПД разной мощности для решения важных задач.
Мы должны идти вперед. Верю, что нынешние планы осуществятся. Я с большим уважением отношусь к нынешнему руководству «Роскосмоса» и считаю, что мы движемся в правильном направлении.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук
