Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка компонентов высокоэнергетических материалов (ВЭМ) и технических решений для перспективных схем гибридных двигателей космического назначения

Докладчик: Бондарчук Сергей Сергеевич

Должность: вед. научн. сотр., ст.научн.сотр.,докт.физ.-мат.наук

Цель проекта:
Целью работы является повышение энерготяговых параметров гибридных ракетных двигателей твердого топлива (ГРДТТ), обеспечивающих снижение стоимости запуска и вывода на орбиту космических аппаратов, на основе решения следующих основных задач: 1. Разработка новых эффективных методов получения специальных компонентов топлива ГРДТТ - наноразмерных порошков металлов и их соединений. 2. Разработка теоретических моделей физических процессов в ГРДТТ и при получении нанокомпонентов топлив. 3. Создание и экспериментальные исследования экспериментальных образцов высокоэнергетических топливных композиций и зарядов ГРДТТ на их основе.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Выполнение проекта находится в начальной стадии. Предполагается решение следующих научно-практических задач.
• Создание лабораторного стенда исследования параметров внутрибаллистических процессов в ГРДТТ, снабженных зарядами ВЭМ нового поколения.
• Разработка методического и программного обеспечения анализа внутрибаллистических и энерготяговых параметров для конкретных систем топливо-окислитель и реализации технических решений ГРДТТ повышенной эффективности.
• Разработка технологии и получение новых высокоэнергетических компонентных материалов (в том числе и боридов алюминия) для повышения энергомассовых характеристик топлива; синтез образцов новых ВЭМ для ГРДТТ;
• Модернизация (разработка новых) форсуночных узлов распыла алюминиевого расплава для действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия с целью получения оптимального фракционного состава. Доработка в плане энергоэффективности и производительности существующих технологий плазмохимического синтеза и электровзрыва проводников для получения наноразмерных порошков металлов и их соединений.
• Отработка технологии и методов нанесения полимерных покрытий на металлические порошки, в том числе и на наноразмерные.

К настоящему времени выполнены следующие работы по проекту.
1.1 По имеющимся литературным данным выполнен сравнительный анализ возможных технических решений для организации (модернизации имеющихся) стендов исследования параметров ГРДТТ, стенда исследований характеристик нанокерамических эжекционных форсунок распыла алюминиевого расплава для получения оптимального фракционного состава.
Проведено обоснование основных направлений исследований, выполнена предварительная оценка оптимального варианта на основе анализа состояния исследуемой проблемы, в том числе результатов патентных исследований, на базе сравнительных оценок вариантов возможных решений и учета результатов прогнозных исследований, проводившихся при реализации аналогичных задач. Определены и обоснованы направления и перечень средств решения (реализации) следующих научно-практических задач.
• Модернизация (разработка новых) форсуночных узлов распыла алюминиевого расплава для действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия с целью получения оптимального фракционного состава. Доработка в плане энергоэффективности и производительности существующих технологий плазмохимического синтеза и электровзрыва проводников для получения наноразмерных порошков металлов и их соединений.
• Отработка технологии и методов нанесения полимерных покрытий на металлические порошки, в том числе и на наноразмерные.
• Разработка технологии и получение новых высокоэнергетических компонентных материалов (в том числе и боридов алюминия) для повышения энергомассовых характеристик топлива; синтез образцов новых ВЭМ для ГРДТТ.
1.2 Сформулированы предложения по проектированию и созданию лабораторного стенда исследования параметров внутрибаллистических процессов в ГРДТТ, снабженных зарядами ВЭМ нового поколения.
Для уменьшения роли основных недостатков ГРДТТ (изменения тяги вследствие выгорания топлива) выполнятся исследования приемлемых технических решений, касающиеся как профиля заряда, так и контролируемой анизотропности его материального состава.
1.3 В плане совместных работ с соисполнителями и индустриальным партнером разработаны предложения по техническим требованиям и плану мероприятий дооснащения экспериментальных стендов в ТГУ для проведения экспериментальных исследований образцов ВЭМ, зарядов ГРДТТ и нанокерамических эжекционных форсунок, а также по перечню приобретаемого оборудования, материалов и комплектующих изделий для экспериментальных стендов.

2. Основные характеристики планируемых результатов
Одной из главных составляющих проекта будет получение новых знаний и формирование научного понимания механизмов горения новейших энергетических материалов, включающих порошкообразную составляющую – микро и наноразмерные порошки металлов, их производных, а также использующих металломатричную организацию структуры зарядов твердого топлива.
Для получения специализированной компонентной и элементной базы исследований и непосредственно самого объекта будут принципиально модернизированы развиты новые технологии, касающиеся процессов распыления жидких металлов (разработки форсуночных узлов из композитных материалов); энергетического совершенствования отработанного участниками проекта электровзрывного метода получения (в том числе и сложных) нанопорошков; технология контролируемого плазмохимического синтеза нанопоршков; новая технология синтеза соединений алюминий-бор в режимах сопряженного СВС процесса и печного синтеза.
Масштабирование лабораторных технологий получения компонентной базы и результатов экспериментальной отработки образцов будет проводиться в промышленных организациях и научно-производственных объединениях участников проекта или конечных пользователей. Кроме того, планируется расширения сферы отработанных технологий изучением вторичных рынков для новых синтезированных материалов.
К настоящему времени на основе литературного обзора для реализации целей проекта разработаны эскизы перспективных методик синтеза нанопорошков металлов; пассивации нанопорошков металлов органическими слоями пирофорных нанопорошков по данным кинетики окисления; аттестации нанопорошков с точки зрения показателей качества и безопасности; исследования физико- химических характеристик нанопорошков; идентификации интегральной и дифференциальной функций распределения частиц по размерам, обобщающих гистограмм этих распределений, программное обеспечение методики идентификации. Определены адекватные методы анализа химического, фазового и дисперсного состава нанопорошков.
В рамках выполнения проекта проводятся работы по модернизации существующего производства в части организации контролируемой дисперсности распыляемого расплава на базе специально разработанных авторами проекта форсуночных узлов из композитных материалов. Модернизация (разработка новых) форсуночных узлов распыла алюминиевого расплава для действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия выполняется с целью получения оптимального фракционного состава. Проведен ряд исследований по доработке в плане энергоэффективности и производительности существующих технологий плазмохимического синтеза и электровзрыва проводников для получения наноразмерных порошков металлов и их соединений.


3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В "старых" (США, Европейские страны) и молодых (Китай, Индия, Япония и др.) зарубежных космических державах при разработках ГРДТТ помимо исследования и эффективной организации рабочих процессов значительные усилия направлены на выбор компонентного состава гибридных топлив, повышения их энергетических и массовых характеристик, подбора пар горючее-окислитель.
В США в рамках Научно-исследовательские работы малых фирм (SBIRP – Small Business Innovation Research Program) в течение почти двух десятилетий действует программа "Демонстрация возможностей гибридных двигателей" (HPDP – Hybrid Propulsion Demonstration Program) для обеспечения коммерциализации – создания дешевой элементной базы – перспективных космических носителей и для иных приложений. Сюда же относится и разработка средств тестирования новых перспективных двигательных установок. За время действия программы было выполнено проектирование и испытание десятков гибридных ракетных систем, их элементной и топливной базы. Успешные проекты выполнены компанией "Microcosm" [Microcosm. Space Mission Engineering // http://www.smad.com/ ie/ iefra-messr2.html], Лабораторией Стенфордского университета (SPG – Space Propulsion Group) [Space Propulsion Group // http://www.spg-corp.com/] совместно с представителями Центра Эймса (Ames Research Center) проведено несколько сотен стендовых испытаний различных двигателей. Для комбинации парафин-жидкий кислород удельный импульс разработанного двигателя на 10% превышает аналогичное значение бустерных РДТТ "Спейс Шаттл".
Реализация ряда проектов известных корпораций "Lockheed Martin", "Rocketdyne", "Thiokol" и "United Technologies" по созданию и отработке ГРДТТ поддерживалось NASA. Фирмой "Lockheed Martin", в частности, были выполнены пуски ракетоносителей с двигателем, где топливом являлся НТРВ (полибутадиеновый каучук), а окислитель (жидкий кислород) подавался сжатым гелием [Lockheed Martin // http://www.lockheedmartin.com/ us/products/falcon-htv-2.html]. Удельный импульс двигателя оценивался в 290 С. Примером здесь является ряд успешных запусков суборбитальных полетов ракет "SpaceShipOne", "SpaceShipTwo" [Scaled Composites // http://www.scaled.com/projects/tierone], использующих гибридную твердотопливную (окислитель – жидкий оксид азота) силовую установку (корпорация Scaled Composites).
Широкомасштабные исследования ГРДТТ в рамках Евросоюза выполняются корпорацией ONERA (French Aerospace Lab). В выполненных этой организацией исследованиях в рамках теоретического и экспериментального анализа большое внимание уделено изучению непосредственно термодинамике процесса горения и построению моделей скорости горения металлизированных высокоэнергетических материалов в гибридных двигателях [Jérôme Anthoine and Michel Prévost. Hybrid propulsion: an overview of the Onera activities // 4-th European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). (С. Петербург, 4–8 июля 2011 г.). – С. 1-12].
В России во ФГУП "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша" выполняются экспериментальные исследования энергетических характеристик гибридных ракетных двигателей, отрабатываются их новые технологические и конструкционные решения: применение зарядов твердого горючего "коврового" типа, неохлаждаемых корпусов и сопловых блоков двигательных установок, изготовленных из стеклопластиковых и композиционных материалов и др. [Процессы в гибридных ракетных двигателях / А.М. Губертов, В.В. Миронов, Р.Г. Голлендер и др.; под ред. А.С. Коротеева. – М.: Наука, 2008. – 405 с]. В Институте теоретической и прикладной механики СО РАН экспериментально исследованы тяговые характеристики ГРДТТ при различных способах подачи окислителя.
Тем не менее – вопросы, связанные с использованием новых, главным образом металлизированных, ВЭМ для ГРДТТ, до сих пор не являлись предметом специальных исследований. Необходимо отметить, что авторы проекта имеют большой опыт в решении подобных задач для твердотопливных двигателей в части разработки и использования новых ВЭМ, в том числе и для регулируемых систем. Ряд участников данного проекта выполняют исследования в рамках седьмой программы Европейского Сообщества (FP7/2007-2013) – проект HISP (High Performance Solid Propellants for In-space Propulsion), который направлен на значительное сокращении времени разработок, веса и стоимости двигателей космических назначения [HISP stands for High performance solid propellants // http://www.foi.se/en/ Customer-Partners/Projects/HISP/HISP].
Создание нового поколения ВЭМ для гибридных твердотопливных двигателей для повышения энергетики составов предполагает использование металлических порошков (в том числе и соединений металлов), как непассивированных, так и с органическим покрытием, в диапазоне размеров от микро до наноуровня. При этом специально исследуемыми вопросами являются дисперсность и фракционный состав промышленных микропорошков алюминия; структура, дисперсный, фазовый и химический состав синтезируемых авторами проекта наноразмерных порошков. Наряду и для энергетической максимизации конкретных компонентных составов ВЭМ, регулирования их скорости горения, весьма важными представляется решение проблем, связанных с использованием покрытий порошкообразной алюминиевой составляющей горючего органическими соединениями (жирными кислотами, растворами эфиров и т.д.), а также иными сплавами или металлами (например, включениями боридов [Grant A. Risha, Brian J. Evans, Eric Boyer, Robert B. Wehrman, and Kenneth K. Kuo. Nano Sized Aluminum and Boron-Based Solid Fuel Characterization in a Hybrid Rocket Engine. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 20-23 July 2003, USA. AIAA Paper 03-4593]). Покрытия оказывают существенное влияние на внутреннюю баллистику: по отношению к чистому HTPB – большинство исследованных составов демонстрируют увеличение скорости регрессии.
В связи с высокой калорийностью бора и ряда его соединений для повышения энергетической эффективности изделия целесообразным представляется включение в состав ВЭМ боридов металлов (алюминия).
Таким образом, намеченные в рамках проекта исследования имеют сопоставимый, а в части направлений и опережающий, уровень мировой новизны.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов связываются со следующими направлениями исследований:
• обработкой, интерпретацией и детальным анализом результатов экспериментальных исследований на лабораторном стенде для исследования параметров внутрибаллистических процессов в ГРДТТ, снабженных зарядами ВЭМ нового поколения.
• созданием комплекса методического и программного обеспечения анализа внутрибаллистических и энерготяговых параметров для конкретных систем топливо-окислитель и реализации технических решений ГРДТТ повышенной эффективности;
• критическим анализом сопоставления результатов теоретических исследований и полученных экспериментальных данных;
• синтезом образцов новых ВЭМ для ГРДТТ;
• отработкой техники получения новых компонентов ВЭМ средствами
o новых нанокерамических форсуночных узлов распыла алюминиевого расплава для модернизации действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия; карта процесса получения оптимального фракционного состава;
o технологии и методов нанесения полимерных покрытий на наноразмерные металлические порошки;
o энергоэффективной производительной технологии электровзрыва проводников для получения наноразмерных порошков металлов и их соединений;
o технологии контролируемого плазмохимического синтеза нано-порошков;
o технологии синтеза соединений алюминий-бор в режимах сопряженного СВС процесса и печного синтеза;
• выполнение оценки эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
• разработка рекомендаций по возможности использования результатов проведенных НИР в реальном секторе;
• завершение стендовых испытаний прототипов конечными пользователями, завершение формирования базы данных проекта; разработка технических требований к проведению ОКР, ОТР.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты выполнения работ по проекту предусматривают следующее.
1. Научные результаты.
1.1 Отраженные в публикациях и патентах новые компонентные составы и технологии получения ВЭМ, их физико-химические и термодинамические характеристики.
1.2 Отраженные в высокорейтинговых изданиях закономерности, механизмы и модели горения ВЭМ; качественные и количественные параметры влияния новых ВЭМ и технических решений заряда на развитие внутрибаллистических процессов в ГРДТТ; на тяговоэнергетические параметры гибридных твердотопливных двигателей.
1.3 Методика и программное обеспечение расчета параметров течения многофазной смеси продуктов сгорания топлива и окислителя по каналу заряда с учетом химического, теплового и массообменного взаимодействия в системе окислитель – твердотельный заряд ВЭМ. Обеспечивается расчет внутрибаллистических (распределения давления, скорости, температуры, концентрации окислителя по тракту канала заряда) и энерготяговых (удельный пустотный импульс и тяга) характеристик двигательной установки.
1.4 Программно-методическая реализация моделей горения топлива и частиц порошкообразной металлической составляющей ВЭМ, включаемая в состав программно-аппаратного комплекса анализа и идентификации зависимости (закономерностей) скорости горения ВЭМ от различных условий (концентрации окислителя, давления в камере сгорания, режима течения).
1.5 Программа расчета изменения массово-геометрических характеристик заряда вследствие регрессии.
1.6 Построенное на модульном принципе программное обеспечение расчета расходных характеристик и параметров течения по подводящим окислитель магистралям для разных способов и режимов его поступления в камеру двигателя.
1.7. Программное обеспечение по оптимизации процессов контролируемого плазмохимического синтеза, включающее модель эволюции капельной среды прекурсора при ее движении в камере реактора.
2. Практические (технические) результаты.
2.1 Техническое задание на выполнение ОКР (или ОТР) по теме "Новые компонентные и технические решения для твердотопливных зарядов ВЭМ гибридных двигателей".
2.2 Новые форсуночные узлы (головки) распыления расплавов легких металлов на базе новых композиционных материалов для управляемого повышения дисперсности продукта (порошка) при однородности фракционного состава.
2.3 Производственный участок для получения пассивированных / активированных наноразмерных частиц, в том числе биметаллических.
2.4 Лабораторный стенд для исследования параметров внутрибаллистических процессов в ГРДТТ, снабженных зарядами ВЭМ нового поколения; определения закона скорости горения этих ВЭМ.
2.5 Образцы новых ВЭМ, обеспечивающие повышенные энерготяговые характеристики гибридных твердотопливных двигателей.
2.6 Эскизная документация по новым техническим решениям для ГЗРДД.
Основные результаты, полученные в итоге выполнения, проекта относятся к критической технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения.
3. Производственно-коммерческие результаты
Предлагаемая авторами проекта технология получения и применения создаваемого продукта – высокоэнергетического материала – применительно к разработке технических решений нового поколения гибридных двигателей космического назначения является инновационной с перспективой существенного сокращения сроков и стоимости вывода на околоземные орбиты полезной нагрузки, повышения надежности работы космических систем. Для сравнения – в США в рамках научно-исследовательских работ малых фирм (SBIRP) и программы "Демонстрация возможностей гибридных двигателей" (HPDP) для обеспечения коммерциализации (создания дешевой элементной базы перспективных космических носителей) в течение последних десятилетий средние затраты на научные и проектные изыскания составляли от 2 до 24 млн. долларов. Кроме того, самостоятельные космические проекты развивают более 100 частных компаний.
Что касается продукта, который будет в дальнейшем получен с использованием проведенных исследований, то, в частности, можно сказать, что стоимость доставки грузов на орбиту в разных источниках весьма сильно отличается и в открытой литературе приводятся лишь приблизительные значения. Кроме того, разброс цен связан и с высотой орбиты вывода, веса и объема полезной нагрузки, учетом либо нет стоимости старта, работы наземных служб и т.д. В нижеследующей таблице приведена оценочная стоимость для эксплуатируемых отечественных и зарубежных ракет-носителей (РН) с различными ракетными двигателями (РД).
РН Зенит-2/3SL (жидкостной РД): 2.5-4.0 тыс.$/кг;
РН Спейс шаттл (жидкостной и твердотопливный РД): 13-17 тыс.$/кг;
РН Союз (жидкостной РД): 4.3-11.3 тыс.$/кг;
РН Протон (жидкостной РД): 1.2-4.5 тыс.$/кг;
РН FALCON (DARPA, Lockheed Martin) (гибридный РД): 0.8-1.2 тыс.$/кг;
РН Микрон (запуск с МИГ-31С) (гибридный РД): 1/3 цены для отечественных запусков.

Из приведенных данных видно, что перспектива существенного (в разы) снижения стоимости вывода на орбиту полезной нагрузки для систем с гибридными двигателями реальна, и они могут занять подобающее место в космической отрасли.
Таким образом, в результате выполнения проекта будут разработаны и получены
• новые нанокерамические форсуночные узлы распыла алюминиевого расплава для модернизации действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия; карта процесса получения оптимального фракционного состава;
• технология и методы нанесения полимерных покрытий на наноразмерные металлические порошки;
• энергоэффективная производительная технологии электровзрыва проводников для получения наноразмерных порошков металлов и их соединений;
• энергоэффективная технология контролируемого плазмохимического синтеза нанопорошков металлов, оксидов и композиционных соединений;
• технология синтеза соединений алюминий-бор в режимах сопряженного СВС процесса и печного синтеза;
• лабораторный стенд для исследования параметров внутрибаллистических процессов в ГРДТТ, снабженных зарядами ВЭМ нового поколения;
• комплекс методического и программного обеспечения анализа внутрибаллистических и энерготяговых параметров для конкретных систем топливо-окислитель и реализации технических решений ГРДТТ повышенной эффективности;
• патенты на новые технические решения.

Текущие результаты проекта:
Текущие результаты проекта
1 По имеющимся литературным данным выполнен сравнительный анализ возможных технических решений для организации (модернизации имеющихся) стендов исследования параметров ГРДТТ, стенда исследований характеристик нанокерамических эжекционных форсунок распыла алюминиевого расплава для получения оптимального фракционного состава.
Проведено обоснование основных направлений исследований, выполнена предварительная оценка оптимального варианта на основе анализа состояния исследуемой проблемы, в том числе результатов патентных исследований, на базе сравнительных оценок вариантов возможных решений и учета результатов прогнозных исследований, проводившихся при реализации аналогичных задач. Определены и обоснованы направления и перечень средств решения (реализации) следующих научно-практических задач.
• Модернизация (разработка новых) форсуночных узлов распыла алюминиевого расплава для действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия с целью получения оптимального фракционного состава. Доработка в плане энергоэффективности и производительности существующих технологий плазмохимического синтеза и электровзрыва проводников для получения наноразмерных порошков металлов и их соединений.
• Отработка технологии и методов нанесения полимерных покрытий на металлические порошки, в том числе и на наноразмерные.
• Разработка технологии и получение новых высокоэнергетических компонентных материалов (в том числе и боридов алюминия) для повышения энергомассовых характеристик топлива; синтез образцов новых ВЭМ для ГРДТТ.
2 Сформулированы предложения по проектированию и созданию лабораторного стенда исследования параметров внутрибаллистических процессов в ГРДТТ, снабженных зарядами ВЭМ нового поколения.
На основе литературного обзора для реализации целей проекта разработаны эскизы перспективных методик синтеза нанопорошков металлов; пассивации нанопорошков металлов органическими слоями пирофорных нанопорошков по данным кинетики окисления; аттестации нанопорошков с точки зрения показателей качества и безопасности; исследования физико- химических характеристик нанопорошков; идентификации интегральной и дифференциальной функций распределения частиц по размерам, обобщающих гистограмм этих распределений, программное обеспечение методики идентификации. Определены адекватные методы анализа химического, фазового и дисперсного состава нанопорошков.
В рамках выполнения проекта проводятся работы по модернизации существующего производства в части организации контролируемой дисперсности распыляемого расплава на базе специально разработанных авторами проекта форсуночных узлов из композитных материалов. Модернизация (разработка новых) форсуночных узлов распыла алюминиевого расплава для действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия выполняется с целью получения оптимального фракционного состава. Проведен ряд исследований по доработке в плане энергоэффективности и производительности существующих технологий плазмохимического синтеза и электровзрыва проводников для получения наноразмерных порошков металлов и их соединений.
Для уменьшения роли основных недостатков ГРДТТ (изменения тяги вследствие выгорания топлива) выполнятся исследования приемлемых технических решений, касающиеся как профиля заряда, так и контролируемой анизотропности его материального состава.
3 В плане совместных работ с соисполнителями и индустриальным партнером разработаны предложения по техническим требованиям и плану мероприятий дооснащения экспериментальных стендов в ТГУ для проведения экспериментальных исследований образцов ВЭМ, зарядов ГРДТТ и нанокерамических эжекционных форсунок, а также по перечню приобретаемого оборудования, материалов и комплектующих изделий для экспериментальных стендов.

Проведенный анализ и совокупность полученных данных позволяют сделать вывод о перспективности продолжение работ по проекту для реализации научно-технологического задела по разработке новых эффективных методов получения специальных компонентов топлив ГРДТТ, созданию теоретических моделей физических процессов в ГРДТТ и экспериментальной базы исследований образцов высокоэнергетических топливных композиций и зарядов ГРДТТ на их основе.