Цифровизация «Энергомаша» как осознанная необходимость

О текущих трудностях отечественного ракетного двигателестроения рассказал генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Александрович Арбузов в своем докладе «Безбумажный конструкторский документооборот: текущий статус и перспективы». Доклад состоялся 9 декабря 2019 года на заседании Комитета по космической деятельности Союза машиностроителей России.

Начинаем, как всегда, с самых важных цитат из выступления Игоря Арбузова.

«В первую очередь «Энергомаш» является лидером ракетного двигателестроения в мире, а цифровые методы – это прежде всего инструмент нашей конкурентоспособности».

«Сегодня стандартный процесс создания ракетного двигателя у нас занимает порядка 7-8 лет. По некоторым двигателям мы до сих пор не вышли из состояния опытно-конструкторских работ – скажем по РД-191 для ракеты-носителя «Ангара»».

«Западные партнеры сегодня ставят условия – 3-4 года на разработку. Дальше двигатель уже никому не нужен. И мы проиграли эту борьбу за рынок».

«Проектирование нового двигателя, который мы выводим на коммерческий рынок, полностью осуществляется уже в цифровом виде. То есть это не оцифровка ранее разработанной конструкторской документации, а полностью проектирование в цифре, которое позволяет существенно ускорить процесс и уверенно заявлять, что к 2023 году мы выведем новый двигатель на рынок».

Кому интересно, читайте дальше.

О мировом лидерстве «Энергомаша»

Заседание было посвящено цифровизации предприятий «Роскосмоса», и НПО «Энергомаш», лидер отечественного ракетного двигателестроения, на нем упоминался как образец для подражания. Игорю Арбузову, руководителю легендарной фирмы, такой похвалы показалось недостаточно.

«Здесь уже упоминался «Энергомаш» как лидер внедрения цифровых методов, но я бы хотел отметить, что в первую очередь «Энергомаш» является лидером ракетного двигателестроения в мире, а цифровые методы – это прежде всего инструмент нашей конкурентоспособности, – отметил Игорь Арбузов. – Мы являемся сегодня поставщиком ракетных двигателей на американский рынок. У нас два партнера на американском рынке: это компания ULA, которая обеспечивает запуски ракет-носителей Atlas V с нашими двигателями РД-180, и компания OSC, которая закупает двигатели РД-181 для ракеты Antares, обеспечивающей доставку грузов на МКС».

Генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Александрович Арбузов окончил Пермский политехнический институт, и с 1979 по 2014 год трудился на заводе «Пермские моторы» (ныне «Протон-ПМ), где прошел путь от сменного мастера до генерального директора. В 2015 году занял пост руководителя «Энергомаша».

Комментарий НИКСа. НПО «Энергомаш» – одна из самых успешных компаний российской космической отрасли. Но главный секрет этого успеха в том, что она удачно торгует созданным в советское время заделом в США. Когда в 1985 году легендарный РД-170, двигатель для сверхтяжелой «Энергии», до сих пор остающийся самым мощным ЖРД в мире (740 тс тяги), был доведен до серийного производства, специалисты говорили, что «Энергомаш» опередил весь мир лет на 25. Именно столько времени потребовалось советским конструкторам, чтобы довести до таких мощностей технологию кислородно-керосинового ЖРД замкнутой схемы (то есть с дожиганием газогенераторного газа в камере сгорания). Технология эта столь сложна, что американцы вообще посчитали ее освоение нереальным делом, и к 1985 году у них не было ни одного такого двигателя. Нет и сейчас. То есть прошло уже 35 лет, а «Энергомаш» все еще вправе называть себя мировым лидером.

Проблема лишь в том, что все эти 35 лет компания не делала ничего нового, а лишь «пилила» уникальные технологии четырехкамерного РД-170 на «половинки» (двухкамерный РД-180) и «четвертушки» (однокамерные РД-181/191/193, в советские времена такие проекты на «Энергомаше» называли «чекушками»). В результате мы дождались, что на горизонте возник Илон Маск со своим Raptor и Джефри Безос с BE-4. Положим, эти двигатели и на «половинку» РД-170 не тянут в буквальном смысле этого слова (BE-4 – 250 тс, Raptor – 200 тс, РД-170 – 740 тс). Этим, конечно, можно гордиться, хотя понятно, что никто не мешает поставить четыре однокамерных Raptor вместо одного четырехкамерного РД-170 и получить большую тягу. Полетела же у Илона Маска Falcon Heavy с 27 двигателями Merlin, в сумме дающими 2350 тс. Конечно, Merlin с его открытой схемой – это примитив в сравнении с энергомашевскими шедеврами инженерной мысли, однако новые американские двигатели примитивными уже не назовешь.

На фото: Двигатели семейства РД-170. На этой «семейной фотографии» четырехкамерный РД-171 (вариант РД-170 для РН «Зенит»), двухкамерный РД-180 для Atlas V и однокамерный РД-191 для «Ангары-А5». Родственные связи легко увидеть по одинаковым соплам. В свое время советским конструкторам стоило огромного труда добиться устойчивого, без высокочастотных колебаний, режима горения в камерах РД-170, поэтому менять здесь что-либо крайне проблематично.

Raptor и BE-4 уже на этапе отработки демонстрируют, что будут обладать вполне приличными характеристиками, отчасти даже превосходя российских конкурентов. К примеру, Илон Маск особо хвастался в своем твиттере, что на испытаниях Raptor было достигнуто давление в камере сгорания 268,9 бар, что превосходит рекорд РД-180 (266,7 бар). «Энергомаш» устами своего главного конструктора Петра Лёвочкина возразил, что это сравнение некорректное, потому что у Маска двигатель не той системы. Между тем схема Raptor – это еще одна его интересная особенность, если не преимущество: это двигатель не просто замкнутой схемы, но с полной газификацией обоих компонентов топлива (у РД-170 газифицируется полностью только окислитель, горючее поступает в камеру в жидком виде). В СССР тоже создавали такой ЖРД (РД-270), но бросили на этапе испытаний. Не будем вдаваться в технические детали (кому интересно, может почитать, например, вот эту статью), но особенность этой схемы как раз в том и состоит, что с ее помощью легче добиться больших давлений в камере сгорания. Маск обещает увеличить в дальнейшем давление в камере сгорания Raptor до 300 бар и, скорее всего, добьется этого. Наконец, оба новых американских ЖРД – метановые, что опять же сулит ряд преимуществ. Пара метан-кислород дает более высокий удельный импульс, а ведь именно этот параметр лучше всего характеризует эффективность ракетного двигателя. И у Raptor удельный импульс действительно выше, чем у ЖРД семейства РД-170: 330 с против 310.

На фото: Огневые испытания двигателя Merlin, который поднимает Falcon 9, самую успешную коммерческую ракету-носитель в настоящее время. Обратите внимание на черный выхлоп, который виден справа: газ после турбины турбонасосного агрегата просто стравливается за борт. Это и есть открытая схема. В двигателях замкнутой схемы такого расточительства не увидишь: там все топливо в итоге полностью проходит через камеру сгорания.

У метанового BE-4 с той же замкнутой схемой, как и у РД-170/180/181 и т.д., давление в камере сгорания гораздо меньше (134 бара) при том же удельном импульсе (310 с), что может говорить в его пользу, поскольку режим работы такого двигателя получается куда менее напряженным, а значит потенциальная его надежность выше. Во всяком случае, именно BE-4 выбрали для перспективной РН Vulcan на замену Atlas V с РД-180. Да, оба однокамерных «американца» уступают двухкамерному РД-180 по тяге (РД-180 – 390 тс, BE-4 – 250 тс, Raptor – 200 тс с обещанием получить 250 тс в дальнейшем), но это тоже может быть преимуществом. Огромная мощность РД-170МВ для перспективного «Союза-5», российского аналога Falcon 9, может не позволить нашей ракете-носителю совершать реактивную посадку, как детище Маска. Falcon 9 садится на одном работающем двигателе Merlin из девяти, причем он дросселируется на 40% от максимальной тяги, а вот удастся ли снизить тягу могучего РД-170МВ, чтобы практически пустая ступень снижалась, а не летела пулей вверх, – большой вопрос. Сухая масса первой ступени Falcon 9 составляет 22,3 т. Надо думать, что у «Союза-5» она будет приблизительно такой же. РД-170 допускает дросселирование до 50% от максимальной тяги. Это хороший показатель, но это значит, что минимальная тяга, на которой РД-170 может устойчиво работать, составляет 370 тс. Понятно, что осуществить реактивную посадку пустой первой ступени «Союза-5» с таким двигателем будет, мягко скажем, затруднительно. Чисто теоретически это возможно за счет очень коротких импульсов работы, но, скорее всего, вопрос многоразовости «Союза-5» придется решать другим способом.

«Энергомаш» мог бы козырнуть ценой, но и здесь все не очень ясно. В 1997 году 101 двигатель РД-180 был продан американцам за 1 млрд долларов, то есть по цене около 10 млн за штуку. Между тем, по данным Исследовательского центра им. Келдыша, с себестоимостью РД-180 происходили просто-таки удивительные метаморфозы: в 2003 году она равнялась 91,1 млн руб., что по тогдашнему курсу в 30 руб. за доллар дает цену в 3 млн. долларов, однако в 2008 году выросла до… 298,6 млн руб., что по тогдашнему курсу на конец 2008 года (28 руб./доллар) дало цену в 10,6 млн долларов, а в начале того непростого года (24 руб./доллар) и вовсе – 12,4 млн. В результате проверка Счетной палаты выявила, что в 2008–2009 годах двигатели продавались в США за половину своей реальной себестоимости, что приносило компании один лишь убыток.

На фото: американские конкуренты двигателей «Энергомаша». Вопрос их стоимости пока остается открытым, однако в отношении Raptor Маск уже заявил, что намерен делать его не дороже Merlin. Что касается цены последнего, то несколько лет назад Маск возмущался, что эта штука массой всего 500 кг стоит «под миллион» (some fraction of a million dollars), в то время как его электромобили массой в 2,5 т обходятся в производстве всего в 30 тыс. долларов.

В 2014 году контракт на поставку 29 двигателей РД-180 в США стоил уже 680 млн, а это значит, что каждый РД-180 из этой партии обошелся американским налогоплательщикам в 23,4 млн долларов. Это, конечно, не только себестоимость, но и затраты на обслуживание, обучение, «навар» и т.д. В общем, получается, что себестоимость РД-180 можно оценить приблизительно в 10–15 млн долларов. Raptor и BE-4 еще только проходят испытания и об их цене говорить рано, но, к примеру, Merlin, по утверждению Маска, имеет себестоимость меньше 1 млн долларов, то есть он как минимум в 10 раз дешевле РД-180 при том, что по тяге (87 тс) уступает только в 4,5 раза. Даже если Маск сильно приукрашивает ситуацию, то, разделив цену Falcon Heavy в 90 млн на 27 двигателей, получим 3,3 млн. При этом понятно, что цена запуска не состоит лишь из стоимости двигателей. Прибавьте к этому, что Merlin – двигатель многоразового использования. В общем, получается, что и по цене условной тонны тяги российские двигатели при всем их совершенстве в лучшем случае лишь конкурентоспособны.

Испытания Raptor и BE-4 продолжаются, но уже понятно, что называть себя мировым лидером «Энергомаш» может еще долго, однако легче от этого ему не станет. И руководство предприятия прекрасно это понимает.

Цифровой двигатель прогресса

«Мы отчетливо понимаем, – продолжает Игорь Арбузов, – что сегодня перспективы работы с нашими американскими партнерами подвержены высоким рискам, прежде всего в связи с политической ситуацией, но и в результате отчаянных попыток наших партнеров по созданию альтернативы для тех двигателей, которые мы поставляем на американский рынок».

«Сегодня существуют очень жесткие требования наших иностранных партнеров, с которыми мы работаем по замещению американского рынка, по созданию новых двигателей. Я могу сказать, что сегодня стандартный процесс создания ракетного двигателя у нас занимает порядка 7-8 лет. По некоторым двигателям мы до сих пор не вышли из состояния опытно-конструкторских работ – скажем по РД-191 для ракеты-носителя «Ангара»».

Комментарий НИКС. Заказчик в лице Министерства обороны все еще (после 25 лет разработки и испытаний) не принял в эксплуатацию ракету-носитель «Ангара-А5», поскольку она в нынешнем виде не соответствует ТЗ по грузоподъемности и стоимости. Для снижения стоимости ее производство переводят с завода в центре Москвы (ГКНПЦ им. Хруничева в Филях) на новый завод ПО «Полет» в Омске. А для увеличения грузоподъемности разрабатывается модификация двигателя РД-191М с увеличенной на 10% тягой.

«Западные партнеры сегодня ставят условия – 3-4 года на разработку. Дальше двигатель уже никому не нужен, – продолжает Игорь Арбузов. – И мы проиграли эту борьбу за рынок. Сегодня мы в этих жестких условиях создаем один из таких востребованных на рынке двигателей уже полностью с применением цифровых методов».

«Мы сегодня работам в цифре по двум проектам: это двигатель РД-171МВ, который будет использоваться на первой ступени РН «Союз-5», и РД-0124МС, двигатель второй ступени РН «Союз-5»».

«Я не могу сказать, что работа по этим двигателям уже в полной мере реализуется в цифре. Это пока лишь процесс оцифровки действующей конструкторской документации и разработка в цифре целого ряда новых элементов».

«Проектирование нового двигателя, который мы выводим на коммерческий рынок, полностью осуществляется уже в цифровом виде. То есть это не оцифровка ранее разработанной конструкторской документации, а полностью проектирование в цифре, которое позволяет существенно ускорить процесс и уверенно заявлять, что к 2023 году мы выведем новый двигатель на рынок. В том числе не только с точки зрения создания конструкции, но и создания конструкции под заданную стоимость двигателя-конкурента».

Комментарий НИКСа. Когда Игорь Арбузов говорит о новом коммерческом двигателе, то он имеет в виду, видимо, реализацию недавно озвученных планов «Энергомаша» создать ЖРД в классе тяги 80-100 тс для зарубежных коммерческих легких и средних ракет. Разработку предполагается вести на базе РД-120, кислородно-керосинового ЖРД замкнутой схемы тягой 85 тс, который использовался на второй ступени РН «Зенит». Этот двигатель был разработан «Энергомашем», но серийно производился на «Южмаше» (Украина), и теперь компания, видимо, рассчитывает сама выйти с хорошим предложением в классе двигателей тягой 100 т. Именно к этому классу относится не только Merlin, но и, к примеру, YF-100 – самый мощный китайский ЖРД (120 тс), также созданный на основе РД-120.

Цифровая перспектива

Игорь Арбузов рассказал еще о нескольких преимуществах цифровизации, воспользоваться которыми «Энергомаш» намерен в перспективе.

«Тут упоминалось об индустрии 4.0, которая предполагает в том числе создание цифровых двойников и саморегулирующихся систем. Сегодня мы по целому ряду процессов переходим к созданию саморегулирующихся систем, в том числе по тем процессам, которые считались трудноуправляемыми. Это, например, процессы, связанные с металлургией. Сегодня через создание умных производств мы уже не только управляем процессами вне влияния человеческого фактора, но и создаем условия для исключения всякого рода отклонений благодаря саморегулирующимся системам».

«Что касается создания цифровых двойников двигателя непосредственно, то сегодня мы для себя пришли к очень важному выводу: создание цифровых двойников двигателей требует наличия значительного количества данных, которые нужно верифицировать. Это займет время. Но вместе с тем мы уже отчетливо понимаем, что целый ряд испытаний мы можем заменить имитационным моделированием. Понятно, что мы не исключим финальный процесс проведения огневых испытаний, но для целого ряд агрегатов уже можно исключить натурные испытания через внедрение цифровых методов».

Ну и в конце, наверное, интересно привести примеры трудностей, которые, по словам Игоря Арбузова, приходится преодолевать «Энергомашу» на пути к светлому цифровому будущему.

«Сегодня хотя и принято решение с Министерством обороны о признании цифровой версии конструкторской документации в качестве подлинника, но это не отменяет бумажной версии. Сегодня Министерство обороны наряду с цифровой версией подлинника требует, тем не менее, наличия всей документации и в бумажном виде. Только в 2023 году Министерство обороны примет решение об использовании и признании конструкторской документации, созданной в цифровом виде, единственным документом для использования и военной приемкой, и, соответственно, специалистами предприятий. Конечно, необходимость сохранения бумажной версии – это дополнительная работа, и этот разрыв влияет на скорость внесения всякого рода изменений в конструкцию».

Однако главное препятствие, по словам Игоря Арбузова, «Энергомаш» уже преодолел: «Нам удалось преодолеть самый главный барьер – человеческое недопонимание в этой области. Сейчас персонал предприятия отчетливо осознает, что другого пути на сегодняшний день нет».

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям; это агропромышленный комплекс «Тюринский» площадью 19 800 га в Тульской области, который по производительности труда сопоставим с немецкими фермерскими хозяйствами.

Читайте также:

Эта веселая планета-2020, или Сексизм в «Главкосмосе»

Куклы для секса на орбите.

Как 1С проиграл IBM финпланирование «Роскосмоса»

Зачем роботу ноги в космосе? Чтобы их унести.

Тяжелый софт

Это все равно что хранить российский золотой запас в подвалах казначейства США.