Пермские ученые разработали методику для проектирования двигателей нового поколения на гранулированном топливе

Топливный бак после испытания. Фото: «Методика оценки проектных параметров двигательной установки, применяющей гранулированное топливо», А. В. Елькин, Г. И. Шайдурова, М. Ю. Храмцов, Р. Д. Губин, Г. А. Доткин

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. Всё это создаёт 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.

В настоящее время гранулированное топливо 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 расчёт 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 расчётам, 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 её в деле. Для этого учёные 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 расчёты совпали. Мы получили чёткие зависимости: как меняется расход топлива и газа при изменении давления. На основе этих данных создали пошаговую методику и выполнили расчёт двигательной установки для космического аппарата — комментирует Михаил Храмцов, заведующий лабораторией кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Разработанная методика — впервые экспериментально подтверждённая система расчёта параметров двигателей на гранулированном топливе. До пермских учёных никто не создавал методики оценки параметров, позволяющих с такой точностью проектировать подобные установки. Теперь у инженеров есть возможность заранее, ещё на этапе расчётов, закладывать все ключевые параметры — от массы топлива до давления в системе. Это прямой путь к созданию манёвренных, 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 всё острее с каждым годом.

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