В России приблизились к созданию ракетных двигателей на гранулированном топливе

❋ 5.1

Гранулированное топливо — это перспективный вид энергоносителя для ракетных двигателей, который сочетает преимущества твердого и жидкого горючего: такие установки можно многократно включать и перезапускать в полете, плавно регулируя тягу. Однако при их проектировании инженеры сталкиваются с серьезной проблемой: порошково-газовая смесь ведет себя непредсказуемо, и до сих пор не существовало методики, позволяющей точно рассчитать параметры системы подачи топлива. Поэтому в мире пока нет серийных образцов таких установок — они только разрабатываются. Ученые Пермского Политеха и специалисты ПАО НПО «Искра» впервые создали методику, которая позволяет определить ключевые характеристики двигателя еще на этапе проектирования — от массы топлива до давления в камере сгорания. Это открывает путь к созданию более безопасных, надежных и многоразовых космических аппаратов нового поколения.

ПНИПУ

# аэрокосмическая техника

# ракетное топливо

# ракетные двигатели

# топливо

Схема экспериментальной установки / © «Южно-Сибирский научный вестник»

Сегодня в космической технике используют два типа ракетных двигателей. Жидкостные — мощные и управляемые, их можно многократно запускать и останавливать, регулировать тягу. Но они чрезвычайно сложны и дороги: сотни клапанов, турбонасосы, криогенные баки, требующие постоянного охлаждения. Все это создает дополнительные риски для долгих космических миссий. Твердотопливные — просты и надежны, однако их нельзя остановить или перезапустить в полете. Это как запущенная ракета: включил — и летишь до полного выгорания топлива. Для современных задач — маневрирования спутников на орбите, уклонения от космического мусора или мягкой посадки на Луну — нужен двигатель, который можно останавливать и запускать многократно. Гранулированное топливо — это твердые частицы, которые подаются в камеру сгорания вместе с газом. Прерывая подачу, можно остановить двигатель, возобновляя — запустить снова. По простоте конструкции оно близко к твердотопливным двигателям, а по управляемости — к жидкостным.

Гранулированное топливо пока не используется в двигателях ракетно-прямоточного типа. Поэтому сейчас главная задача исследователей развить технологию и довести производство от лабораторных образцов до серийного выпуска.

Однако до последнего времени у инженеров не было главного — методики, позволяющей на этапе проектирования точно рассчитать все параметры такого двигателя. Сколько топлива заливать, какого размера делать баки, сколько ставить форсунок, при каком давлении система будет работать стабильно. Ошибка на этом этапе обходится слишком дорого: неправильный расчет может привести к аварии при запуске, потере дорогостоящего аппарата и, что самое важное, создать угрозу для жизни людей. А переделать двигатель после того, как он уже построен, практически невозможно — это многомиллионные затраты и годы работы.

— Мы разработали методику, которая позволяет на этапе проектирования рассчитать все ключевые параметры таких двигателей: от соотношения газа и порошка в топливной смеси до размеров баков и количества форсунок — рассказал Андрей Елькин, ведущий конструктор ПАО НПО «Искра», младший научный сотрудник ПНИПУ.

Прежде чем приступить к расчетам, нужно было досконально изучить само топливо. С помощью компьютерного моделирования ученые определили, сколько энергии выделится при сгорании, и выяснили, какими должны быть размер и форма частиц для стабильной подачи. Это как подобрать кофе для автомата: слишком мелкий помол — вода проходит медленно, кофе горчит, автомат забивается. Слишком крупный — вода пробегает быстро, напиток получается жидким и безвкусным. Так и с топливом: его физические свойства напрямую влияют на то, будет ли система работать стабильно.

После того как компьютерная модель была готова, предстояло проверить ее в деле. Для этого ученые разработали экспериментальную установку. Вместо реального топлива в ней использовали вещества-имитаторы — они по физическим свойствам идентичны настоящему составу, но не горят. Это позволило проводить опыты безопасно и без лишних финансовых затрат. Сначала это был обычный кварцевый песок, затем хлорид калия, плотность которого почти в точности повторяет плотность реального топлива.

— Эксперименты и компьютерные расчеты совпали. Мы получили четкие зависимости: как меняется расход топлива и газа при изменении давления. На основе этих данных создали пошаговую методику и выполнили расчет двигательной установки для космического аппарата — комментирует Михаил Храмцов, заведующий лабораторией кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Разработанная методика — впервые экспериментально подтвержденная система расчета параметров двигателей на гранулированном топливе. До пермских ученых никто не создавал методики оценки параметров, позволяющих с такой точностью проектировать подобные установки. Теперь у инженеров есть возможность заранее, еще на этапе расчетов, закладывать все ключевые параметры — от массы топлива до давления в системе. Это прямой путь к созданию маневренных, многоразовых космических двигательных аппаратов нового поколения, спутников, способных уклоняться от космического мусора, межпланетных зондов с возможностью многократной коррекции курса и аппаратов для очистки орбиты — той самой проблемы, которая становится все острее с каждым годом.

Статья опубликована в журнале «Южно-Сибирский научный вестник», № 5 (63). Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.