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.

Номер контракта: 14.577.21.0157

Руководитель: Трушляков Валерий Иванович

Должность: Профессор кафедры "Авиа- и ракетостроение"

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
ступень ракеты, жидкое топливо, баки ракеты, газификация, спуск, газогенерирующие смеси, техногенное воздействие, орбиты, районы падения

Цель проекта:
1. Извлечение энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках топлива, которые после выключения маршевого жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) превращаются в источник техногенного воздействия на окружающую среду, как в околоземном космическом пространстве, так и в районах падения отработанных ступеней (ОС). 2. Снижение техногенного воздействия и повышение тактико-технических характеристик ракет космического назначения (РКН) с маршевыми жидкостными ракетными двигателями на окружающую среду в околоземном космическом пространстве и районах падения отработанных ступеней за счет создания активной бортовой системы спуска (АБСС) отработанных ступеней после выполнения ими своей миссии на основе использования метода испарения остатков жидкого топлива в баках ступеней РКН. 3. Проведение экспериментальных исследований для разработки требований к основным проектно-конструкторским параметрам АБСС отработанных ступеней РКН.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные характеристики планируемых результатов по задачам исследования:
- возможные газогенерирующие составы для получения теплоносителей (характеристики твердотопливных составов, составы продуктов сгорания);
- параметры процесса газификации модельных жидкостей в экспериментальной модельной установке (массовые секундные расходы, схемы ввода теплоносителей, типы граничных условий газифицируемой жидкости);
- варианты утилизации полученных продуктов газификации (параметры системы сброса газа, сжигание в газовом ракетном двигателе);
- параметры ввода газа в погранслой и соответствующий аэродинамический момент ( параметры ввода газа, в том числе, массовый секундный расход, координаты и направление ввода, величины моментов);
- требования и проектно-конструкторские параметры для систем входящих в АБСС отработанных ступеней РКН, в том числе: системы газификации и реализации газифицированных продуктов;
- предложения по использованию полученных результатов проекта на предприятии Индустриального партнера с учетом его технологических возможностей и особенностей.
2. Планируемые результаты по составным частям общей задачи
2. 1. Выбор оптимальных газогенерирующих составов для получения теплоносителей:
- патентно-информационный анализ текущего состояния исследований;
- теоретические методики по оценки процессов горения и анализу продуктов сгорания ГГС. т.е. теплоносителей;
- результаты экспериментов по ГГС (твердотопливных и жидкостных) для их использования в сформулированной задаче.
2.2. Выбор оптимальных параметров процесса газификации:
- патентно-информационный анализ текущего состояния исследований;
- теоретические методики по оценке процессов газификации как на основе методов теплового баланса, так и на основе полной системы уравнений Навье-Стокса с использованием программного продукта ANSYS;
- экспериментальные исследования процесса газификации модельной жидкости, в том числе и по оценке коэффициенты тепло-и массоотдачи для рассматриваемых граничных условий жидкости, параметров теплоносителей;
2.3. Технологий реализации энергетических ресурсов, заключённых в продуктах газификации в топливных баках:
- патентно-информационный анализ текущего состояния исследований;
- математические модели процесса утилизации продуктов газификации (сопла сброса продуктов газификации, газовом ракетном двигателе);
- экспериментальные исследования процесса по газификации модельных жидкостей.
2.4. Ввод газа в погранслой ОС для получения управляющих воздействий при движении ОС по траектории спуска:
- патентно-информационный анализ текущего состояния исследований;
- теоретические оценки аэродинамических моментов при вводе газа в погранслой при различных углах атаки;
- экспериментальные исследования процесса ввода газа в погранслой.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечный продукт, создаваемый с использованием полученных результатов - активная бортовая система спуска (АБСС) отработанных ступеней РКН с маршевыми ЖРД, обеспечивающая практически полное извлечение невырабатываемых остатков топлива из баков отработанных ступеней РКН и их утилизацию, что позволяет в свою очередь резко снизить степень техногенного воздействия пусков РКН с маршевыми ЖРД в околоземном космическом пространстве (снижение поступления взрывоопасного крупногабаритного космического мусора в виде отработанных ступеней РКН с остатками топлива) и районах падения на поверхности Земли (снижение количества и площадей районов падения, снижение химического загрязнения почв).
2. Существенной новизной является технология извлечения невырабатываемых остатков топлива в ОС на основе подачи горячих газов в баки, что позволяет практически осушить топливный отсек. Также новизной отличаются методики исследований: а) параметров получения теплоносителей, б) параметров выбора процессов газификации в баках ОС, в) утилизации полученных продуктов газификации, г) влияния параметров ввода продуктов газификации в погранслой. Их новизна показана проведёнными патентно-информационными исследованиями, поданными заявками и полученными патентами. Извлечение и использование энергетических ресурсов, заключённых в невырабатываемых остатках топлива позволяет рассмотреть возможность стабилизированного полёта ОС практически на всей траектории спуска, тем самым многократно сократить разброс точек падения ступени. Еще одним плюсом является использование оптимальных схем выведения, которые дают возможности реализации манёвров отработанными ступенями РКН для решения различных задач.
3. Сопоставительный анализ работ по материалам доступных источников, направленных на решение поставленных задач, определяющих мировой уровень (работы в NASA, CNES, JAXA) в части снижения техногенного воздействия пусков РКН с маршевыми ЖРД показывает существенное отличие и более высокий уровень решения проблемы при меньших затратах.
Основное предназначение предлагаемого способа осуществление стабилизации ОС на значительной части атмосферного участка траектории спуска путём использования газифицированных продуктов. Это является существенным отличительным преимуществом от технологий управляемого спуска ступеней, используемых в зарубежных РКН, которое позволит резко сократить высоту разрушения корпуса второй ступени и, соответственно, в десятки раз уменьшить площади разброса фрагментов ступени.
Для первых ступеней применение этого способа позволяет смещать точки прицеливания падения ОС, в десятки раз сокращать площади их районов падения, обеспечивать полную выработку компонентов топлива к моменту касания ОС поверхности Земли.
4. Продолжение теоретико-экспериментальных исследований, подключение заинтересованных предприятий Роскосмоса, являющихся разработчиками перспективных средств выведения РКН типа "Союз", "Ангара". Технические риски очень малы и решаемы на существующем уровне развития отечественной ракетно-космической техники. Возможны финансовые риски - прекращение финансирования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. В случае успешных проведения этапа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию АБСС отработанных ступеней планируется установка 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»). В перспективе возможна продажа лицензий разработчикам зарубежных РКН в США, Евросоюз, Японию, Китай и т.д.;
2. Практическое внедрение планируемых результатов требует включения в план опытно-конструкторских работ по конкретной РКН, например, "Ангара-1.2". Для этого необходимо проведение КБ "Салют" (разработчик РКН семейства "Ангара") совместно с ОмГТУ этапа технических предложений на основе результатов, полученных ОмГТУ при реализации данной ПНИЭР.
3. Влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений проектирования, изготовления, наземную отработку и эксплуатацию РКН с маршевыми ЖРД заключается в изменении технологических, схемных и проектно-конструкторских решения, которые ранее использовались для снижения техногенного воздействия пусков РКН с маршевыми ЖРД. Эти изменения касаются проектных решений, соответственно, изменения объёмов наземной отработки, граничных условий расчёта программ управления выведением РКН, обслуживания районов падения отработанных ступеней. Эти изменения обеспечивают возможности значительного снижения техногенного воздействия пусков РКН с маршевыми ЖРД в двух областях окружающей среды при одновременном повышении тактико-технических характеристик РКН. Орбитальная составляющая: в случае оставления 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 парами компонентов топлива, находящихся в баках газов наддува; 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 за счёт возможности управляемого манёвра спуска ОС в существующие районы падения и, как следствие, увеличение массы полезного груза. Управляемый спуск ОС позволяет отказать сократить площадей района падения с нескольких тыс. кв. км до сотен кв. м (пример управляемого спуска отработанной первой ступени РКН "Фалкон-9" на плавающую платформу в Атлантическом океане).
Использование автономного газового ракетного двигателя (ГзРД), газореактивных сопел (ГРС), являющихся органами утилизации газифицированных продуктов АБСС позволяет отказаться от доработки маршевого ЖРД для повторного запуска (аналоги РКН "HII-B"), что существенно снижает затраты на разработку, обеспечивает сохранение достигнутой полётной надёжности бортовых систем РКН. Возможна и доработка маршевого ЖРД для повторного запуска, но уже не на штатных жидких компонентах топлива, а на газифицированных продуктах, представляющих собой смесь испарившихся компонентов топлива, газа наддува и теплоносителя. В настоящее время повторный штатный запуск маршевых ЖРД ступеней РКН (не смешивать с разгонными блоками) реализован, например, на РКН "Дельта-4", однако для повторного запуска требуется ряд условий, в том числе, количество топлива для повторного запуска должно быть не менее 25% от начальной заливки, условий температурного режима и т.д.
4. Проведение ПНИЭР осуществляется при научно-образовательном сотрудничестве с Миланским политехническим университетом (проф. Лучано Гальфетти) - совместные исследования по газификации керосина. Планируется привлечение в 2016 г. Брюссельского свободного университета (проф. Патрик Хенрик) в части исследования влияния параметров вдува газа в погранслой ОС на аэродинамическое нагружение при её спуске на атмосферном участке траектории (как вариант утилизации продуктов газификации).
В рамках ПНИЭР осуществляется развитие материально-технической базы кафедры (приобретение оборудование за счёт средств гранта и софинансирования работ по гранту университетом) и информационной инфраструктуры (расширяется взаимодействие с инновационными центрами ОмГТУ, других вузов, в частности, ТГУ (Томск), МГТУ им. Баумана Н.Э. (Москва), создаётся база данных результатов исследований.
Информация о разработках докладывались на международных конференциях (EUCASS-6, Краков 29 июня - 3 июля 2015 г.), 66-ой Международный астронавтический конгресс (Иерусалим, 12 - 16 октября 2015 г.), а также внутри российских (4-е Козловские чтения, 14 по 18 сентября 2015г. на базе АО «РКЦ «Прогресс», Самара), «РОССИЯ МОЛОДАЯ: ПЕРЕДОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – В ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»
VI Всероссийская научно-техническая конференция. Омск, 10 – 11 ноября 2015 г.

Текущие результаты проекта:
В соответствии техническим заданием ПНИЭР на 3 этапе получены:
1. Физические модели.
2. Технические требования на модернизируемые экспериментальные стенды.
3. Техническая документации по модернизации экспериментальных стендов в части систем.
4. Модернизация экспериментальных стендов.
5. Программы и методики экспериментальных исследований на модернизированных экспериментальных стендах по синтезу ТН, процессам газификации, сброса и горения продуктов газификации, ввода газа в погранслой при обтекании макетов (разработаны).
6. Предварительные технологические, схемные и проектно-конструкторские решения по системам подготовки теплоносителей, системам газификации и реализации газифицированных продуктов для условий Индустриального партнера и с учетом результатов математического моделирования.
7. Предложения по дальнейшему развитию исследований с использованием разработанных математических и физических моделей в интересах планируемой ОКР.
8. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР.
9. Подготовлена заявка на патент.
10. Дополнительные патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.