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.