На космодроме «Восточный» активно идёт подготовка к запуску метеорологического спутника «Метеор» и 40 малых научно-исследовательских аппаратов. Запуск состоится в конце июня 2019 года, а тем временем параллельно на космодроме идут работы над второй очередью — пусковой площадкой для тяжёлой ракеты «Ангара». В перспективе к 2025 году на «Восточный» планируется перевести с «Байконура» все запуски тяжёлых ракет в связи с прекращением эксплуатации ракет «Протон». И активизация работ на космодроме означает не просто новые заказы поставщикам оборудования для космической промышленности, но и развитие новых технологий, которые находят применение в самых разных отраслях народного хозяйства. Корреспонденту ИА REGNUM рассказали о том, как идут работы на космодроме и к каким технологическим новациям привела модернизация оборудования для запусков ракет-носителей в космос.

Стартовая площадка для ракеты «Союз»
Стартовая площадка для ракеты «Союз»
© Юлия Пасечник

Запуск «Союза»

Первоначально запуск спутника планировался на декабрь 2018 года, однако был перенесён в связи с тем, что создатели аппарата не смогли уложиться в график. В настоящее время на космодром уже прибыли компоненты носителя, их готовят к сборке, которая пройдёт в одном из сборочных цехов. Полезная же нагрузка — сам спутник «Метеор» и другие аппараты — будут доставлены в скором времени и установлены уже на собранную ракету.

Космодром отличается новейшим передовым оборудованием, при этом особое значение занимает система, предназначенная для заправки ракет-носителей жидким кислородом и азотом, которая была полностью разработана, изготовлена и смонтирована подмосковным ПАО «Криогенмаш» в Балашихе.

Монтажно-испытательный комплекс
Монтажно-испытательный комплекс
© Юлия Пасечник

Протяжённость криогенных трубопроводов на космодроме составляет несколько сотен метров. Криогенные компоненты, которые поступают в первую и вторую ступени ракеты, решают целый ряд задач. Кислород является окислителем и обеспечивает горение ракетного топлива в ракетных двигателях, азот нужен для нескольких технологических процессов — от продувки трубопроводов, баков, резервуаров, наполнительных соединений, как хладоноситель для охлаждения других компонентов (керосин и жидкий кислород), — до наддува баков ракеты-носителя. В сжиженном виде газы доставляются на космодром в цистернах по железной дороге, затем сливаются по специальной эстакаде в криогенные резервуары, из которых уже для заправки носителя по криогенным трубопроводам поступают в ракету.

Всего в 2014 году «Криогенмаш» поставил на космодром «Восточный» три кислородных резервуара по 200 куб. м. и один азотный резервуар на 100 куб. м. Система заправки кислородом и азотом обеспечивает не только заправку, но и при необходимости аварийный слив криогенных продуктов. Всего в трёх кислородных резервуарах хранится порядка 700 тонн жидкости, и в отдельной ёмкости 80 тонн азота (сам «Союз» в среднем при запуске требует от 180 до 200 с небольшим тонн кислорода). Аналогичное оборудование ПАО «Криогенмаш» ранее уже поставлял, например, на международный космодром Куру во Французской Гвиане.

«Три двухсоткубовых резервуара жидкого кислорода, один стокубовый резервуар под жидкий азот, трубопроводы, специальная эстакада слива-налива, дренажные ёмкости, которые обеспечивают при отмене старта экстренный слив и прочее — эти системы на обоих объектах похожи, и это правильное решение, что за основу взяли отработанные, надёжно зарекомендовавшие себя системы», — рассказала генеральный директор ПАО «Криогенмаш» Мария Соколова.

Читайте также: Космодром Куру: Как европейские спутники летают на российских ракетах

Значение для народного хозяйства

Одна из ключевых особенностей системы заправки криогенными продуктами состоит в том, что состояние криогенной жидкости сохраняется практически неизменным как при хранении криогенных продуктов в резервуаре, так и во время заправки продуктов в баки. Жидкий кислород почти не испаряется в резервуарах и может храниться месяцами, не теряя своих свойств. Вместе с возможностью экстренного слива жидкостей обратно в резервуары это позволило без существенных потерь откладывать или переносить запуски ракет, например, по метеоусловиям.

«Уникальность нашего оборудования в том, что оно позволяет снизить потери криогенных продуктов на всём протяжении, начиная от хранения и заканчивая доставкой продукта до ракеты», — указала Соколова.

«Первые системы, которые были в 50-х годах, к запускам самых первых спутников, работали как термос с насыпной изоляцией из магнезии, мипоры или шлаковой ваты, потеря криогенных продуктов — 6−10% в сутки. Это колоссальные потери. Система, которую разработал «Криогенмаш», в 100 раз более эффективна. Потери кислорода от испаряемости на уровне 0,08% в сутки», — отметила она.

Сегодня многие элементы системы хранения криогенных продуктов успешно применяются и в гражданской сфере. В первую очередь это касается самих резервуаров.

«Разработки для космоса потом пошли в народное хозяйство: мы стали делать резервуары меньшего объёма, и более 2 тыс. таких систем уже присутствует практически везде, где пользуются большими количествами технических газов — прежде всего в металлургии и химической промышленности», — рассказала генеральный директор ПАО «Криогенмаш».

Резервуары с криогенными жидкостями
Резервуары с криогенными жидкостями
© Юлия Пасечник

В свою очередь, системы заправки переохлажденным кислородом и водородом, которые ранее были разработаны для комплекса «Энергия-Буран» (за счет повышения плотности при понижении температуры получается загружать большее количество криогенной жидкости в те же объёмы баков ракеты-носителя), нашли применение в производстве сжиженного природного газа — речь идёт о малотоннажных блоках ожижения природного газа на дроссель-эжекторном цикле высокого давления, которые активно экспортируются в Китай и к которым присматриваются другие страны Юго-Восточной Азии, не говоря уже о применении в России.

«Когда «Криогенмаш» работал над «Энергией-Буран», стояла задача переохладить эти жидкие компоненты ракетного топлива. Например, жидкий водород охлаждался до 13 градусов Кельвина (это почти минус 260 градусов Цельсия), жидкий кислород до минус 196 — минус 198 градусов Цельсия, то есть на 8−15 градусов Цельсия ниже температуры кипения. Применялась система эжекторов, чтобы переохладить эти жидкости, потому что чем они холоднее, тем больше плотность и меньший объём они занимают. Тем меньше ракета по объёму и тем больше можно заполнить её баки топливом. Сейчас эти эжекторы мы применили в оборудовании СПГ — в ожижителях природного газа, которые мы делаем на цикле высокого давления», — рассказал директор по стратегическому развитию ПАО «Криогенмаш» Александр Мазин.

Читайте также: Малотоннажные заводы СПГ: Китай нашёл уникальное решение в России

Широкое применение нашли и сами криогенные трубопроводы, которые способны сохранять низкую температуру жидкости вопреки не только сравнительно высокой температуре окружающей среды, но и нагреву, возникающему в результате трения жидкости о трубу.

«Криогенные трубопроводы, которые сохраняют в этом состоянии криогенную жидкость, теперь применяются повсеместно, и в частности — во всех воздухоразделительных установках, где получают криогенные продукты. Инженерная вершина применения — такие системы для жидкого гелия. А жидкий гелий — это 4,7 градуса по шкале Кельвина, всего чуть менее пяти градусов выше температуры абсолютного нуля! Сохранить гелий в таком состоянии, да ещё передать на расстояние — такое в мире умеют лишь пять-шесть компаний», — продолжил Мазин.

Подобное оборудование ПАО «Криогенмаш» уже поставляло во Францию и Швейцарию, в том числе для ускорителя заряженных частиц LEP-200 в международно-исследовательском комплексе CERN.

Наконец, ещё одно направление конверсии коснулось заправщиков жидким кислородом и жидким водородом — а именно транспортных цистерн-заправщиков, которые работают в космических центрах за рубежом, в Китае и Индии.

«Их конверсию также осуществили — сделали на их базе транспортные автомобильные полуприцепы-цистерны для перевозки жидкого кислорода, азота и аргона на 22 куб. м. В свою очередь на базе 45-кубовых транспортных полуприцепов для жидкого водорода мы сделали 50-кубовую систему для перевозки СПГ. Полуприцепы-цистерны ППЦ-50 для перевозки СПГ у нас существуют в двух вариантах: под европейские нормы и для работы в тяжёлых дорожных условиях», — добавил Мазин, отметив, что в России работают уже около десятка таких полуприцепов-цистерн.

Перспективы

«Криогенмаш» активно участвует и в подготовке систем для второго стартового комплекса, предназначенного для пуска тяжёлой ракеты «Ангара». В этот раз подмосковное предприятие работает над системой заправки жидким кислородом, азотом, водородом, а также системой термостатирования (системой обеспечения температурного режима).

«Сейчас строится пусковая площадка для «Ангары». В сравнении с «Союзом» на пуск этой ракеты требуется значительно больше топлива, в том числе и жидкого кислорода. ПАО «Криогенмаш» подготовку уже начало — на «Восточный» идут поставки новых криогенных резервуаров. От города Балашихи они через всю страну доходят за 2−3 недели по железной дороге. Сам процесс разработки систем занимает значительное время: год на разработку конструкторской документации и 3−4 месяца на изготовление каждого сосуда», — пояснила генеральный директор ПАО «Криогенмаш» Мария Соколова.

Эстакада для слива жидкого кислорода и азота
Эстакада для слива жидкого кислорода и азота
© Юлия Пасечник

Кислородные резервуары для «Ангары» крупнее своего аналога для «Союза» — 250 куб. м вместо 200. Эти резервуары — максимальные по габаритам из тех, что можно перевозить не по морю, а по железной дороге. Второй стартовый комплекс сейчас находится в стадии активного строительства, оборудование поступает на площадку в соответствии с графиком, первые отгрузки систем хранения жидкого кислорода были в конце 2018 года. В апреле 2019 года на космодром приедут ещё два очередных криогенных резервуара. Когда же космодром «наберёт обороты» и будет иметь оба стартовых комплекса, на «Восточном» планируют построить отдельный кислородно-азотный завод.

«Мы рассчитываем, что тоже сможем принять участие в этом процессе. Вообще, в последнее время доля заказов для космической отрасли выросла. Был период в начале 2000-х, когда доля практически стремилась к нулю. Но затем началось развитие и строительство космодромов, большая программа строительства за рубежом, та же Французская Гвиана и так далее. Практически все космодромы в России оснащены оборудованием «Криогенмаш». Также наше оборудование есть во Французской Гвиане, на плавучем космодроме Sea Launch (Морской старт), в Южной Корее и Индии», — рассказала Соколова.

«Криогенмаш» представлен на трети основных космодромов мира, в России — на всех, добавил директор по стратегическому развитию ПАО «Криогенмаш» Александр Мазин.

«Криогенное оборудование собственной разработки делают не так много компаний. В мире можно насчитать десяток компаний, которые занимаются разработкой и производством подобного оборудования. Произвести по чужим чертежам, может, не так уж и сложно, но разработать и создать? На первый взгляд кажется, что всё просто — ну, бочки, ну, трубы… А на деле низкие температуры криогенных жидкостей обусловливают неизбежные теплопритоки из окружающей среды, которые в сочетании с малыми значениями теплоты фазовых переходов, а также малым диапазоном существования в жидком состоянии, приводят к непрерывному изменению их параметров. В жидкостных криогенных системах практически отсутствуют стационарные режимы работы, в которых параметры продукта остаются неизменными, а процессы на переходных режимах отличаются сложностью и многообразием. Только на исследовании процессов, происходящих на переходных режимах при транспортировании криогенных жидкостей, было защищено немалое количество диссертаций», — заключил директор по стратегическому развитию ПАО «Криогенмаш» Александр Мазин.