Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка активной бортовой системы спуска отработанных ступеней ракет космического назначения с маршевыми жидкостными ракетными двигателями на основе использования энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках топлива в баках cтупеней.

Докладчик: Трушляков Валерий Иванович

Должность: Профессор кафедры "Авиа- и ракетостроение", null, Директор НОЦ "Космическая экология", главный научный сотрудник, профессор

Цель проекта:
1. Формулировка проблемы Создание научно-методической базы для разработки перспективной технологии повышения тактико-технических характеристик (ТТХ) ракет космического назначения (РКН) с маршевыми жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), а также снижение техногенного воздействия пусков РКН с ЖРД на окружающую среду в околоземном космическом пространстве и районах падения отработанных ступеней (ОС), повышения конкурентоспособности российских РКН с маршевыми ЖРД на мировом рынке средств выведения, разработки технологий мирового уровня для реализации сформулированных целей на основе создания активной бортовой системы спуска (АБСС) отработанных ступеней (ОС) после выполнения ими своей миссии, используя энергетические ресурсы, заключённые в невырабатываемых жидких остатках компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках ОС, газов наддува в шар-баллонах. 2. Формулировка по п.2 2.1.Цели проекта: исследование механизмов процессов газификации жидкости в условиях невесомости на основе подачи горячих газов в топливные баки 2.2. Конечный продукт: Методика проектирования системы газификации, включающей в свой состав систему получения теплоносителя, систему ввода теплоносителя в топливные баки и систему сопел для сброса продуктов газификации из топливных баков (в том числе газовый ракетный двигатель). 2.3. Место и роль проекта: реализация проекта позволит перейти к этапу опытно-конструкторских работ по созданию АБСС; Использование АБСС на отработанных ступенях РКН позволит сохранить конкурентоспособность российских РКН на международном рынке пусковых услуг, снизить стоимость пуска за счёт снижения техногенного воздействия на окружающую среду. В состав АБСС, кроме системы газификации входит система управления, которая в данном ПНИЭР не рассматривается, т.к. это представляет собой самостоятельную задачу, но исходными данными для её решения являются результаты разработки данной ПНИЭР.

Основные планируемые результаты проекта:
1.1 Методика получения теплоносителей и их использования, включающая в себя теоретические и экспериментальные модели выбора и описания термодинамических характеристик теплоносителей и процесса для газификации различных жидкостей с их использованием в условиях невесомости, неопределённости граничных условий, в том числе:
- математические модели теплоносителей, процессов их взаимодействия с газифицируемыми модельными жидкостями, в том числе керосином, в - экспериментальные результаты на модельных установках, данные физико-химических характеристик продуктов газификации в зависимости от различных граничных условий, факторов акустического и теплового воздействия и т.д.;
- математические модели и экспериментальные результаты процессов сброса подуктов газификации через сопла без химического взаимодействия и с химическим взаимодействием продуктов газификации, ввода в погранслой при обтекании пластины, цилиндра;
1.2. Методика выбора основных проектно-конструкторских параметров активной бортовой системы спуска отработанных ступеней РКН с маршевыми ЖРД на основе полученных теоретико-экспериментальных результатов.
2.1 Основные характеристики планируемых результатов:
- базы теоретических и экспериментальных данных, позволяющая разработать методику выбора проектных параметров АБСС для этапа НИР;
- сформулированные предложения для этапа опытно-конструкторских работ по системе газификации;
- предложения в тактико-технические требования для модернизируемых и разрабатываемых РКН.
3. Новизна решений заключается в следующем:
- технологический подход к проблеме извлечения энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках жидкого топлива в баках. подтверждённый 4-мя патентами на изобретения;
- методы экспериментальных исследований процессов газификации, подтверждённый 5-ью патентами;
- математические модели для исследования процессов газификации (в части предложения типов граничных условий жидкости).
4. В части схемных и технологических решений по спуску отработанных ступеней с орбит выведения - разработки США (спуск с орбиты отработанной второй ступени РКН "Дельта-4"), Японии (спуск отработанной второй ступени РКН "Н2-В"), однако они основаны на повторном запуске маршевого ЖРД; в части математического и экспериментального исследования процессов газификации жидкости в условиях близких к невесомости не обнаружено.
5. Разработка теоретических и экспериментальных моделей, обеспечивающих подобие реальным процессам, происходящим в баках ступени при подаче горячих газов в баки; проведение наземной отработки системы газификации на реальном макете ступени с реальными компонентами топлива. Ограничения и риски: сложность воспроизведения условий невесомости приводим к определённым методическим ошибкам; ограниченное финансирование не позволяет провести желаемую глубину исследования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения, способы использования ожидаемых результатов: ракеты космического назначения с маршевыми ЖРД. Разработанная технология газификации применима для повышения эффективности энергетических установок на жидких топливах, например, при сжигании тяжёлых углеводородов, системах утилизации токсичных отходов и т.д., а также для очистки (пропарки) сложных емкостей после слива токсичных компонентов топлива, загустевших жидкостей, цистерн и трубопроводов с последующей утилизацией извлечённых энергетических ресурсов, а также для детоксикации ступеней РКН и их фрагментов в районах падения, а также для детоксикации различных типов почвогрунтов.
2. В случае успешных лётных испытаний разрабатываемой технологии планируется их реализация на модернизируемых и перспективных РКН с маршевыми ЖРД, в частности, на разработках ОАО "РКЦ «Прогресс» (РКН семейства «Союз»), ФГУП ГКНПЦ им. Хруничева М.В. (РКН семейства «Ангара»), ОАО "ГРЦ им. В.П, Макеева (ракетный комплекс "Сармат"). В перспективе возможна продажа лицензий разработчикам зарубежных РКН в США, Евросоюз, Японию, Китай и т.д.;
2. Конкурентные преимущества предлагаемой технологии заключаются в возможности значительного снижения техногенного воздействия в двух областях окружающей среды при одновременном повышении тактико-технических характеристик РКН. Орбитальная составляющая: в случае оставления отработанных ступеней (ОС) на орбите исключить вероятность взрыва ОС за счёт газификации остатков топлива и их сброса в окружающее пространство, чего нельзя сделать традиционным образом за счёт открытия дренажного клапана из-за его забивания замерзающим КРТ; обеспечить управляемый спуск ОС с орбиты, осуществить стабилизацию ОС в начале атмосферного участка траектории спуска, тем самым в несколько раз (до 10 и более) сократить площадь разброса несгоревших фрагментов ОС (от 1 - 2 млн. кв. км до десятков тыс. кв. км). Наземная составляющая для нижних ОС: за счёт газификации остатков жидких КРТ уменьшается высота начала разрушения ОС, отсутствуют проливы КРТ; возникает возможность управляемого спуска ОС, что позволяет в десятки раз и более сократить площади районов падения, а также снизить требования со стороны граничных условий при выведении РКН и, как следствие, увеличение массы полезного груза. Использование автономных систем реализации извлечённой энергетики (газовый ракетный двигатель, газореактивные система) позволяет отказаться от доработки маршевого ЖРД для повторного запуска (аналоги РКН "Дельа-4", "HII-B"), что существенно снижает затраты на разработку, обеспечивает сохранение достигнутой полётной надёжности бортовых систем РКН.
3. Основной народно-хозяйственный эффект достигается также в двух сферах. Оперативный спуск ОС с орбиты после выполнение своей миссии - демонстрация высокой экологичности российских РКН, выполнение рекомендаций международного комитета по космическому мусору, избегание перспективных международных санкций, которые находятся в стадии подготовки, к эксплуатантам РКН, оставляющих ОС на орбитах после выполнения ими своей миссии. Снижение площадей районов падения в десятки и более раз позволит вернуть в хозяйственный оборот миллионы гектар земель, находящихся в настоящее время в отчуждении, сократить компенсации хозяйствующим субъектам, сократить реальную стоимость пуска РКН на 10 - 15% за счёт снижения объёмов послепусковых работ в районах падения, прямо пропорциональных их площадям. По предварительным оценкам на примере использования АБСС для РКН "Союз-2.1.в", "Ангара-1,2" затраты на разработку окупаются через 5 - 6 пусков
4. Необходимо отметить, что предлагаемая технология за счёт реализации манёвров ОС позволяет существенное изменение технологии использования РКН при снижении социальной напряжённости в субъектах РФ, где находятся районы падения, повышению экологической безопасности ракетно-космической деятельности.
5. Предлагаемая технология перспективна в части патентоспособности будущих результатов исследований и их лицензионных возможностей, в частности, на настоящий момент получено свыше 20 патентов на изобретения.


Текущие результаты проекта:
Проект реализуется с 26 ноября 2014 г.
Текущие результаты:
- заключение договоров с организациями-соисполнителями;
- подготовка договоров на приобретения материалов, комплектующих для модернизации стендов;
- проведение патентно-информационного поиска;
- подготовка научно-технического отчёта, содержащего результаты проведённого сравнительного анализа средств, обеспечивающих требуемый уровень снижения техногенного воздействия РКН с ЖРД, в том числе, по технологическим, схемным и проектно-конструкторским решениям.