Двигатель наизнанку. Южноуральские ученые разрабатывают «мотор» для многоразовой ракеты будущего
27 Сентября 2019
Фото: https://topwar.ru/
Прорывная разработка произвела фурор на прошедшей в Челябинске Всероссийской научно-технической конференции «Динамика теплофизических процессов двигателей, энергетических установок и импульсных систем».
-
В Челябинске антрополог развеяла мифы о снежном человеке и людях из космоса
-
Космический «еж». Челябинские ученые разрабатывают оригинальную конструкцию аппарата для безопасной посадки на метеорит
В Государственном ракетном центре им. академика В.П. Макеева разработка проекта «Корона» проводится не первое десятилетие, а сегодня он пережил второе рождение. На Урале запускается масштабный проект создания межрегионального научно-образовательного центра (НОЦ) мирового уровня. Его главная цель — развитие прорывных технологий, особо важных для региона и имеющих результативные заделы в области исследований и инновации. Один из таких проектов, предложенных для развития в рамках НОЦ, — ракетно-космический комплекс с многоразовой ракетой космического назначения «Корона» и универсальной космической платформой.
Что новый двигатель внешнего расширения даст для создания многоразовой ракеты и поможет ли продвинуть освоение космоса? Об этом мы беседуем с одним из авторов проекта, инженером Государственного ракетного центра им. академика В.П. Макеева Андреем Естехиным.
Российский «шаттл»
— Что собой представляет проект «Корона»?
— Это проект создания ракеты-носителя многоразового использования. Сегодня полезный груз в космос выводят одноразовые ракеты, ступени которых отделяются по мере выхода на орбиту, а приземляется с помощью парашютной системы лишь спускаемый аппарат. Корпус, двигатели, рули управления, топливные баки сгорают в атмосфере, делая космический запуск очень дорогим.
Ученые уже давно задумываются над тем, как уменьшить затраты на космические запуски. Наиболее приемлемый вариант — это возвращаемые ракеты-носители. Даже частичное возвращение первой ступени существенно удешевляет взлет, а мы предлагаем сохранять всю ракету. «Корона» должна будет выходить в космос в автоматическом варианте, по сути, это роботизированный комплекс с интеллектуальным программным обеспечением системы управления.
— Подобные попытки предпринимались и раньше?
— Идею многоразовости носителей пытались реализовать еще в прошлом веке в рамках американского проекта SpaceShuttle и советского «Энергия-Буран». Была и другая российская разработка — проект «Россиянка» нашего ГРЦ. Это двуступенчатая ракетная система, в которой первая ступень многоразовая. В 2011 году разработчики представили «Россиянку» на конкурсе «Роскосмоса», но тогда отдали предпочтение проекту «Байкал-Ангара» ГКНПЦ им. Хруничева. У «Байкала» первая ступень должна была возвращаться в самолетном варианте. Планировалось, что после вывода на заданную высоту у нее будет открываться специальное крыло, чтобы выпускаемая ступень садилась на аэродром при помощи шасси. Но и этот дорогостоящий проект не был доведен до конца.
А в наше время повторное использование первой ступени отрабатывается Илоном Маском для ракет SpaceX Falcon 9. SpaceX уже осуществил ряд успешных посадок, но большой минус этой системы в том, что возвращается только одна ступень и такую ракету приходится вновь собирать после каждого полета.
Для ракеты-носителя «Корона» рассматривается и вариант с применением многопусковых схем. При этом одновременно запускаются две ракеты. Вторая только с топливом на борту, набрав высоту, перекачивает его в первую. Ракета-дубль предназначена для выведения полезного груза, большей массой, чем для «одиночки».
В нашей разработке, ракете-носителе «Корона», в отличие от американской нет отделяемых ступеней. Фактически это многоразовый автоматический космический корабль, что приближает мечту о дальних межпланетных полетах. Пока предполагается, что это будет многоразовая ракета-носитель для доставки на орбиту грузов, а когда она станет по-настоящему надежной, то и космонавтов.
На «внешней тяге»
— Но для такой ракеты нужна и особая тяговая сила. Чем «сердце» вашей «Короны» отличается от существующих маршевых двигателей?
— Проектируемый двигатель имеет сопло внешнего расширения с центральным телом. Двигатели такого типа как бы вывернуты наизнанку: сопло находится снаружи, а агрегаты внутри.
Их особенность в том, что струя продуктов сгорания при расширении взаимодействует с окружающей средой, подстраиваясь под наружное давление. При классической схеме сопло Лаваля работает без потерь лишь при одной величине наружного давления. Между тем при наборе высоты оно падает, поэтому сегодня используют многоступенчатые ракеты-носители, ступени которых отделяются в ходе взлета ракеты.
А потери нашего двигателя не зависят от давления воздуха. Отсюда и большее «кпд двигателя» (удельный импульс) на протяжении всего полета. Как показало компьютерное моделирование его работы, потери при этом минимальные.
— Были ли у вашего двигателя свои предшественники?
— Подобными двигателями занимались американцы в 60-х годах прошлого века. Так, в 1965 году компания Rocketdyne разрабатывала двигатель J-2T-200k c системой внешнего расширения «центрального тела», а через два года — AMPS-1 c высоким пустотным удельным импульсом. А в 1990-х американцы в рамках проекта VentureStar пытались создать линейный двигатель внешнего расширения для многоразового космического корабля-космолета, но проект был заморожен из-за технологических и финансовых проблем.
Подобные двигатели в начале 1990-х в США пытались разработать для одноступенчатой ракеты «Дельта-клиппер» и даже испытали опытный образец, но этот проект был, к сожалению, закрыт. Правда, в последнее время за рубежом серьезно продвинулись в этом направлении. К примеру, австралийская компания Amaero недавно провела успешные испытания ракетного двигателя внешнего расширения, детали которого «напечатаны» на 3D-принтере. Уже изготовила и испытывает экспериментальный образец такого двигателя и фирма ARCA.
Разработки по созданию одноступенчатых многоразовых ракет для космического туризма ведет и BlueOrigin. В мае 2019 года она вошла в список компаний, отобранных НАСА для создания прототипов космических аппаратов для высадки на Луну.
Чтобы не отстать от Запада, нужно расширять финансирование разработки отечественных аналогов многоразовых ракет. И наш двигатель наизнанку, и в целом проект «Корона», на мой взгляд, сможет помочь обойти зарубежных конкурентов.
Броня для супермотора
— Такой двигатель должен выдерживать колоссальные нагрузки и космические температуры?
— Это так. Но мы предусмотрели их и приняли защитные меры. Для изготовления центрального тела инновационного двигателя планируется использовать особо прочный и термостойкий материал — углестеклокомпозит, способный выдерживать температуру до 700 градусов по Цельсию. А часть конструкции и трубопроводы будут из углепластика с использованием новейших теплоизоляционных материалов.
Другое новшество в том, что центральное тело двигателя будет без системы охлаждения, не как при классической схеме. Изюминка в том, что современные материалы в процессе сгорания топлива обеспечат надежную защиту от нагрева. Для этого рассматриваются два варианта материалов — углеродно-композитный и на основе керамики. По расчетам, они обеспечат надежную работу двигателя при температуре более двух тысяч кельвинов!
— А какое топливо планируете применять?
– Мы предлагаем использовать высокоэффективный жидкостный реактивный двигатель, работающий на жидких водороде и кислороде.
Беспилотный челнок
— Видимо, для такого двигателя нужна и особая обтекаемая форма ракеты?
— Мы учли это и изучаем несколько вариантов конструкции. Вообще форма корпуса этой ракеты должна обеспечивать большую маневренность на участке спуска. Также исследуется влияние формы кормовой части на характеристики двигателя на участке выведения. Форма кормовой части «обратный конус» позволяет спрятать взлетно-посадочные амортизаторы от воздействия набегающего потока на участке спуска, но при этом за «кормой» возникает циркулирующая воздушная зона, которая создает дополнительное аэродинамическое сопротивление. У ракеты с закругленной формой кормовой части дополнительного сопротивления не возникает, но появляются проблемы с размещением амортизаторов. Мы работаем над конструкторским решением этих проблем.
— Где многоразовые ракеты могут найти применение?
— На мой взгляд, их можно будет использовать в качестве «челноков» для беспилотной доставки на орбиту модулей космической станции. За счет удешевления стоимости полетов затраты уменьшатся в разы. Кроме того, в перспективе на орбите можно будет, как из конструктора, собирать из модульных элементов защитные комплексы для борьбы с космическим мусором, астероидами и даже космические корабли для полетов к Луне, Марсу и другим планетам.
Что новый двигатель внешнего расширения даст для создания многоразовой ракеты и поможет ли продвинуть освоение космоса? Об этом мы беседуем с одним из авторов проекта, инженером Государственного ракетного центра им. академика В.П. Макеева Андреем Естехиным.Российский «шаттл»
— Что собой представляет проект «Корона»?
— Это проект создания ракеты-носителя многоразового использования. Сегодня полезный груз в космос выводят одноразовые ракеты, ступени которых отделяются по мере выхода на орбиту, а приземляется с помощью парашютной системы лишь спускаемый аппарат. Корпус, двигатели, рули управления, топливные баки сгорают в атмосфере, делая космический запуск очень дорогим.
Ученые уже давно задумываются над тем, как уменьшить затраты на космические запуски. Наиболее приемлемый вариант — это возвращаемые ракеты-носители. Даже частичное возвращение первой ступени существенно удешевляет взлет, а мы предлагаем сохранять всю ракету. «Корона» должна будет выходить в космос в автоматическом варианте, по сути, это роботизированный комплекс с интеллектуальным программным обеспечением системы управления.
— Подобные попытки предпринимались и раньше?
— Идею многоразовости носителей пытались реализовать еще в прошлом веке в рамках американского проекта SpaceShuttle и советского «Энергия-Буран». Была и другая российская разработка — проект «Россиянка» нашего ГРЦ. Это двуступенчатая ракетная система, в которой первая ступень многоразовая. В 2011 году разработчики представили «Россиянку» на конкурсе «Роскосмоса», но тогда отдали предпочтение проекту «Байкал-Ангара» ГКНПЦ им. Хруничева. У «Байкала» первая ступень должна была возвращаться в самолетном варианте. Планировалось, что после вывода на заданную высоту у нее будет открываться специальное крыло, чтобы выпускаемая ступень садилась на аэродром при помощи шасси. Но и этот дорогостоящий проект не был доведен до конца.
А в наше время повторное использование первой ступени отрабатывается Илоном Маском для ракет SpaceX Falcon 9. SpaceX уже осуществил ряд успешных посадок, но большой минус этой системы в том, что возвращается только одна ступень и такую ракету приходится вновь собирать после каждого полета.
Для ракеты-носителя «Корона» рассматривается и вариант с применением многопусковых схем. При этом одновременно запускаются две ракеты. Вторая только с топливом на борту, набрав высоту, перекачивает его в первую. Ракета-дубль предназначена для выведения полезного груза, большей массой, чем для «одиночки».
В нашей разработке, ракете-носителе «Корона», в отличие от американской нет отделяемых ступеней. Фактически это многоразовый автоматический космический корабль, что приближает мечту о дальних межпланетных полетах. Пока предполагается, что это будет многоразовая ракета-носитель для доставки на орбиту грузов, а когда она станет по-настоящему надежной, то и космонавтов.
На «внешней тяге»
— Но для такой ракеты нужна и особая тяговая сила. Чем «сердце» вашей «Короны» отличается от существующих маршевых двигателей?
— Проектируемый двигатель имеет сопло внешнего расширения с центральным телом. Двигатели такого типа как бы вывернуты наизнанку: сопло находится снаружи, а агрегаты внутри.
Их особенность в том, что струя продуктов сгорания при расширении взаимодействует с окружающей средой, подстраиваясь под наружное давление. При классической схеме сопло Лаваля работает без потерь лишь при одной величине наружного давления. Между тем при наборе высоты оно падает, поэтому сегодня используют многоступенчатые ракеты-носители, ступени которых отделяются в ходе взлета ракеты.
А потери нашего двигателя не зависят от давления воздуха. Отсюда и большее «кпд двигателя» (удельный импульс) на протяжении всего полета. Как показало компьютерное моделирование его работы, потери при этом минимальные.
— Были ли у вашего двигателя свои предшественники?
— Подобными двигателями занимались американцы в 60-х годах прошлого века. Так, в 1965 году компания Rocketdyne разрабатывала двигатель J-2T-200k c системой внешнего расширения «центрального тела», а через два года — AMPS-1 c высоким пустотным удельным импульсом. А в 1990-х американцы в рамках проекта VentureStar пытались создать линейный двигатель внешнего расширения для многоразового космического корабля-космолета, но проект был заморожен из-за технологических и финансовых проблем.
Подобные двигатели в начале 1990-х в США пытались разработать для одноступенчатой ракеты «Дельта-клиппер» и даже испытали опытный образец, но этот проект был, к сожалению, закрыт. Правда, в последнее время за рубежом серьезно продвинулись в этом направлении. К примеру, австралийская компания Amaero недавно провела успешные испытания ракетного двигателя внешнего расширения, детали которого «напечатаны» на 3D-принтере. Уже изготовила и испытывает экспериментальный образец такого двигателя и фирма ARCA.
Разработки по созданию одноступенчатых многоразовых ракет для космического туризма ведет и BlueOrigin. В мае 2019 года она вошла в список компаний, отобранных НАСА для создания прототипов космических аппаратов для высадки на Луну.
Чтобы не отстать от Запада, нужно расширять финансирование разработки отечественных аналогов многоразовых ракет. И наш двигатель наизнанку, и в целом проект «Корона», на мой взгляд, сможет помочь обойти зарубежных конкурентов.
Броня для супермотора
— Такой двигатель должен выдерживать колоссальные нагрузки и космические температуры?
— Это так. Но мы предусмотрели их и приняли защитные меры. Для изготовления центрального тела инновационного двигателя планируется использовать особо прочный и термостойкий материал — углестеклокомпозит, способный выдерживать температуру до 700 градусов по Цельсию. А часть конструкции и трубопроводы будут из углепластика с использованием новейших теплоизоляционных материалов.
Другое новшество в том, что центральное тело двигателя будет без системы охлаждения, не как при классической схеме. Изюминка в том, что современные материалы в процессе сгорания топлива обеспечат надежную защиту от нагрева. Для этого рассматриваются два варианта материалов — углеродно-композитный и на основе керамики. По расчетам, они обеспечат надежную работу двигателя при температуре более двух тысяч кельвинов!
— А какое топливо планируете применять?
– Мы предлагаем использовать высокоэффективный жидкостный реактивный двигатель, работающий на жидких водороде и кислороде.
Беспилотный челнок
— Видимо, для такого двигателя нужна и особая обтекаемая форма ракеты?
— Мы учли это и изучаем несколько вариантов конструкции. Вообще форма корпуса этой ракеты должна обеспечивать большую маневренность на участке спуска. Также исследуется влияние формы кормовой части на характеристики двигателя на участке выведения. Форма кормовой части «обратный конус» позволяет спрятать взлетно-посадочные амортизаторы от воздействия набегающего потока на участке спуска, но при этом за «кормой» возникает циркулирующая воздушная зона, которая создает дополнительное аэродинамическое сопротивление. У ракеты с закругленной формой кормовой части дополнительного сопротивления не возникает, но появляются проблемы с размещением амортизаторов. Мы работаем над конструкторским решением этих проблем.
— Где многоразовые ракеты могут найти применение?
— На мой взгляд, их можно будет использовать в качестве «челноков» для беспилотной доставки на орбиту модулей космической станции. За счет удешевления стоимости полетов затраты уменьшатся в разы. Кроме того, в перспективе на орбите можно будет, как из конструктора, собирать из модульных элементов защитные комплексы для борьбы с космическим мусором, астероидами и даже космические корабли для полетов к Луне, Марсу и другим планетам.
Поделиться
