Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
гибридный ракетный двигатель, внутренняя баллистика, твердое ракетное топлива, нанопорошки металлов, метод электровзрыва проводников, распыление жидкого металла, форсуночный узел, контролируемая дисперсность; свс синтез.

Цель проекта:
Проект направлен на развитие технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения на основе получения и применения новых высокоэнергетических материалов и оригинальных конструктивных решений. Цель проекта: повышение энерготяговых параметров гибридных ракетных двигателей твердого топлива (ГРДТТ), обеспечивающих снижение стоимости запуска и вывода на орбиту космических аппаратов. Основные решаемые в рамках проекта задачи: 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:
Основные планируемые результаты проекта характеризуются следующими положениями.
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 ГРДТТ.
Основные результаты, полученные в итоге выполнения, проекта относятся к критической технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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.
Разработанные в рамках выполнения проекта методики и программное обеспечение расчета параметров синтезируемых компонентов и течения многофазной смеси продуктов сгорания топлива и окислителя по каналу заряда с учетом химического, теплового и массообменного взаимодействия в системе окислитель – твердотельный заряд ВЭМ носят оригинальный характер, опубликованы и представлены на государственную регистрацию. Получен патент на новую конструкцию гибридного ракетного двигателя.

В части сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень, можно указать следующее. 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, включая разработку 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", Лабораторией Стенфордского университета (SPG – Space Propulsion Group) 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 поддерживалась NASA. В частности, фирмой "Lockheed Martin" были выполнены пуски ракетоносителей с двигателем, где топливом являлся НТРВ (полибутадиеновый каучук) в паре с жидким кислородом. Удельный импульс двигателя оценивался в 290 с. Имеется несколько положительных примеров успешных запусков суборбитальных полетов ракет "SpaceShipOne", "SpaceShipTwo" [Scaled Composites, 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.
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. 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. 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). 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.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Проект направлен на развитие технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения на основе получения и применения новых высокоэнергетических материалов и оригинальных конструктивных решений.
В рамках реализации основных целей проекта разработаны и отрабатываются новые нанокерамические форсуночные узлы распыла алюминиевого расплава для модернизации действующих производств микро и субмикронных порошков алюминия, характеризующиеся повышенной износоустойчивостью (временем функционирования) и обеспечивающие получение частиц оптимального фракционного состава; практически отработана технология и методы нанесения полимерных покрытий на наноразмерные металлические порошки, что обеспечивает стабильность параметров и безопасность хранения (транспортировки) конечного отечественного продукта соответствующих производств. Модернизация технологий электровзрыва проводников и контролируемого плазмохимического синтеза нанопорошков металлов, оксидов и композиционных соединений позволила увеличить энергоэффективность производств и повысить выход целевого продукта. Отработанные элементы технологии синтеза соединений алюминий-бор в режимах сопряженного СВС процесса и печного синтеза носят оригинальный и уникальный характер.
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 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 можно сказать, что стоимость доставки грузов на орбиту в разных источниках весьма сильно отличается и в открытой литературе приводятся лишь приблизительные значения. Кроме того, наблюдаемый существенный разброс цен связан с высотой орбиты вывода, веса и объема полезной нагрузки, учетом либо нет стоимости старта, работы наземных служб и т.д. Сравнительный анализ оценочной стоимости для эксплуатируемых отечественных и зарубежных ракет-носителей с различными ракетными двигателями (Зенит-2, Спейс шаттл, Союз, Протон, FALCON (DARPA, Lockheed Martin), Микрон) подтверждает перспективность существенного (в разы) снижения стоимости вывода на орбиту полезной нагрузки для систем с гибридными двигателями, и то, что они могут занять подобающее место в космической отрасли.
Отраженные в публикациях, патентах и регистрируемых на государственном уровне методиках получения компонентных составов, элементов технологии получения ВЭМ, их физико-химических и термодинамических характеристик представлены в результатах исследований по проекту в рамках международного сотрудничества и демонстрационных материалах выставок и конференций. В частности, в высокорейтинговых изданиях представлены данные теоретических исследований по закономерностям, механизмам и моделям горения ВЭМ; качественным и количественным параметрам влияния новых ВЭМ и технических решений заряда на развитие внутрибаллистических процессов в ГРДТТ.
Методики и программное обеспечение расчета параметров синтезируемых компонентов и течения многофазной смеси продуктов сгорания топлива и окислителя по каналу заряда с учетом химического, теплового и массообменного взаимодействия в системе окислитель – твердотельный заряд ВЭМ опубликованы и представлены на государственную регистрацию.

Текущие результаты проекта:
Выполнена разработки теоретических моделей и методик по расчету параметров физических процессов в ГРДТТ и при получении нанокомпонентов ВЭМ:
1. Разработана математическая модель, методика и программное обеспечение расчета внутрикамерных и энерготяговых параметров ГРДТТ; выполнена ее верификация по созданным тестовым примерам. Проведена теоретическая оценка оптимальных вариантов технических решений для зарядов ГРДТТ.
2. Разработана физико-математическая модель и программное обеспечение расчета эволюции капельной среды прекурсора при ее движении в камере плазмохимического реактора. Получена теоретическая оценка необходимых параметров работы плазмохимического реактора для синтеза требуемых по размеру частиц плотной структуры.

Разработаны основные технические решения по методам получения наноразмерных порошков металлов и их соединений; выполнены работ по модернизации экспериментальных стендов исследования образцов ВЭМ и зарядов ГРДТТ, экспериментального стенда для исследований нанокерамических эжекционных форсунок.

В части разработки методов получения микро- и наноразмерных порошков металлов и их соединений отработаны технологии
1. Метода нанесения полимерных покрытий на частицы наноразмерных металлических порошков;
2. Метода получения наноразмерных порошков металлов и их соединений с использованием электровзрыва проводников;
3. Метода получения микро и наноразмерных порошков металлов в плазмохимическом реакторе;
4. Метода синтеза микро- и наночастиц соединений металлов в режимах сопряженного СВС процесса и печного синтеза.
Выполнены работы по модернизации экспериментальных стендов исследования образцов ВЭМ и зарядов ГРДТТ, экспериментального стенда для исследований нанокерамических эжекционных форсунок.

Разработана лабораторная технология изготовления нанокерамических эжекционных форсунок распыла алюминиевого расплава для получения оптимального фракционного состава.
Разработаны программы, методики проведения исследований экспериментальных образцов и лабораторно-технологическая инструкции
• нанесения полимерных покрытий на наноразмерные металлические порошки;
• получения наноразмерных порошков металлов и их соединений с использованием электровзрыва проводников.
• получения микро и наноразмерных порошков металлов в плазмохимическом реакторе;
• проведения синтеза микро- и наночастиц соединений металлов в режимах сопряженного СВС процесса и печного синтеза;
• изготовления нанокерамических эжекционных форсунок распыла алюминиевого расплава для получения оптимального фракционного состава;
• исследований экспериментальных образцов ВЭМ и зарядов ГРДТТ;
• исследований экспериментальных образцов нанокерамических эжекционных форсунок.
Все текущие индикаторы работ по проекту выполнены. Совокупность полученных результатов позволяют сделать вывод о перспективности продолжение работ по проекту и реализации научно-технологического задела в частях разработки новых эффективных методов получения специальных компонентов топлив ГРДТТ, создании теоретических моделей физических процессов в ГРДТТ и формированию экспериментальной базы исследований образцов высокоэнергетических топливных композиций и зарядов ГРДТТ.