Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0034

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0034
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Название доклада
Разработка новых высокоэнергетических материалов и технических решений для перспективных схем гибридных двигателей космического назначения
Докладчик
Бондарчук Сергей Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на развитие технологии создания ракетно-космической 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, в том числе высокоэнергетических, компонентов топлива ГРДТТ – наноразмерных порошков металлов, боридов и их соединений.
2. Разработка теоретических моделей физических процессов в ГРДТТ, средств оптимизации элементов технологий получения микро и нанокомпонентов топлив.
3. Разработка наукоемких методик обработки, интерпретации и обобщения результатов экспериментальных исследований.
4. Создание и экспериментальные исследования новых образцов высокоэнергетических топливных композиций и зарядов ГРДТТ на их основе.
Актуальность и новизна исследования
В "старых" (США, Европейский союз) и космически-молодых (Китай, Индия, Япония) зарубежных космических державах при создании ГРДТТ помимо разработки средств тестирования новых перспективных двигательных установок значительные усилия направлены на выбор компонентного состава гибридных топлив, повышения их энергетических и массовых характеристик. Изучалась элементная и топливная база ГРДТТ, выполнены испытания десятков гибридных ракетных систем – это исследовательские программы Hybrid Propulsion Demonstration Program, лаборатории Space Propulsion Group, Ames Research Center. Реализация ряда проектов известных корпораций Lockheed Martin, Rocketdyne и др. по созданию и отработке ГРДТТ поддерживалась NASA. Имеются положительные примеры успешных суборбитальных полетов SpaceShip до катастрофы обновлённого гибридного двигателя в 2014 г. Масштабные исследования ГРДТТ в рамках Евросоюза выполняются корпорацией ONERA, где внимание фокусируются на построении моделей скорости горения топлива в гибридных двигателях.
В России (фактически только в "Исследовательском Центре им. М.В. Келдыша") выполняются экспериментальные исследования энергетических характеристик гибридных ракетных двигателей, отрабатываются их новые конструкционные решения.
Тем не менее – вопросы, связанные с использованием новых, главным образом металлизированных и боридсодержащих горючих для ГРДТТ, до сих пор не являлись предметом специальных исследований. Актуальность работ обусловлена как перспективностью использования ГРДТТ для создания ракетно-космической техники, так и практическим отсутствием информации по закономерностям горения твердотопливного заряда в условиях его обдува в составе двигателя.
Описание исследования

Достижение целей проекта – повышения энерготяговых параметров гибридных ракетных двигателей твердого топлива (ГРДТТ), обеспечивающих снижение стоимости запуска и вывода на орбиту космических аппаратов – потребовало решения комплекса самостоятельно сложных научно-технических исследовательских задач, которые условно можно разбить на следующие группы.

1. Разработка эффективных методов получения высокоэнергетических компонентов горючего – наноразмерных порошков металлов, боридов и их соединений.

Инструментарием получения компонентов горючего являлись разработанные методы получения наноразмерных порошков металлов и их соединений с использованием электровзрыва проводников, в плазмохимическом реакторе и синтезом микро- и наночастиц соединений металлов в режимах процесса сопряженного самораспространяющегося высокотемпературного и печного синтеза. Для хранения и транспортировки была отработана технология нанесения полимерных покрытий на наноразмерные металлические частицы.

Для исследований физико-химических, механических и структурных свойств полученных порошков использовался химический, дисперсный, калориметрический и дифференциально-термический анализ.

2. Разработка теоретических моделей физических процессов в ГРДТТ, средств оптимизации элементов технологий получения микро и нанокомпонентов топлив.

Создана физико-математическая модель процессов газодинамики и тепломассобмена в проточных каналах камеры сгорания, позволяющая адекватно прогнозировать параметры рабочих процессов в гибридных твердотопливных двигателях с учетом основных особенностей их функционирования. Разработано программное обеспечение расчета внутрикамерных и энерготяговых параметров ГРДТТ (свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2015662722).

Разработана физико-математическая модель и программное обеспечение расчета параметров эволюции капельной среды прекурсора в процессе ее движении в камере плазмохимического реактора (свидетельство о госрегистрации № 2015619795). Параметрическими расчетами определены оптимальные параметры режима работы реактора.

Тестирование разработанного программно-методического обеспечения проводилось на основе сравнения с результатами экспериментальных исследований.

3. Разработка наукоемких методик обработки, интерпретации и обобщения результатов экспериментальных исследований.

Структура и параметры факела распыла алюминиевого расплава определялись на разработанном пневмогидравлическом стенде с оптической системой регистрации дисперсности для созданных нанокерамических эжекционных форсунок; был разработан метод измерения на основе лазерной сканирующей установки и решении обратной задачи малоуглового рассеяния света.

Разработана методика и аппаратура проведения экспериментальных исследований модельных образцов высокоэнергетических материалов (ВЭМ) и ГРДТТ, когда горение твёрдотопливного заряда происходит в условиях обдува потоком продуктов горения и/или газообразного окислителя. Для идентификации закономерностей скорости горения ВЭМ использовалось решения обратной задачи внутренней баллистики методом прямого поиска.

Исследование зажигания образцов ВЭМ проводилось на модернизированной экспериментальной установке по излучению CO2-лазера для постоянного и переменного тепловых потоков. При обработке результаты сопоставлялись с решением кинетической задачи прогрева и зажигания к-систем.

4. Для исследования новых образцов высокоэнергетических топливных композиций и зарядов ГРДТТ на их основе использовались созданные и модернизированные лабораторные экспериментальные (огневой и тягоизмерительный) стенды.

Разработаны и изготовлены две экспериментальные установки (стенда) для исследования процессов газификации образцов ВЭМ в до и сверхзвуковом потоке газа. Первая установка состоит из твердотопливного газогенератора для получения потока газа и системы гашения с пневматическим или пиротехническим приводом. Во второй установке в качестве рабочего тела используется нагретая в форкамере до заданной температуры газовая смесь, которая подаётся в исследуемый канальный образец ВЭМ. Измерение размеров погашенного образца позволяет определить закономерности законов газификации.

Для проведения экспериментальных исследований был разработан новый микроволновый датчик резонаторного типа для бесконтактного измерения скорости горения ВЭМ на основе динамической записи количества исследуемого материала.

Результаты исследования

   В ходе выполнения проекта на текущем этапе работ по технологии получения компонентной базы и изготовлению образцов высокоэнергетических материалов (ВЭМ) и зарядов ГРДТТ для проведения экспериментальных исследований и отработки макета двигателя получены следующие основные результаты.

   1. Выполнены работы по конструированию и изготовлению лабораторного макета ГРДТТ, разработана эскизная конструкторская документация по основным узлам двигателя, а также инструкция по работе на лабораторном макете ГРДТТ.

   2. На основе модернизированных и разработанных технологий электровзрыва, плазмохимического синтеза и управляемого СВ-синтеза получены партии порошков – компонентов ВЭМ, для которых

• проведен сравнительный анализ характеристик боридов (AlB, AlB12, MgB2, TiB2, ZrB2), в том числе и по теплоте сгорания;

• проведены исследования полученных микро и нанокомпонентов горючего – структуры порошков, их химический, дисперсный, калориметрический и дифференциально-термический анализ);

   Разработана методика и изготовлены экспериментальные образцы ВЭМ методом проходного прессования.

   3. Получены результаты исследования экспериментальных образцов ВЭМ, зарядов ГРДТТ и лабораторного макета двигателя. В частности,

• проведены расчеты термодинамических характеристик ВЭМ и твердых горючих материалов;

• проведена оценка влияния природы металлического горючего на термодинамические характеристики ВЭМ;

• проведен анализ перспективных композиции твердых горючих материалов для ГРДТТ, выбраны базовые составы для проведения экспериментальных исследований;

• получены экспериментальные результаты по времени задержки зажигания образцов ВЭМ при нагреве излучением CO2-лазера, кондуктивным и интегральным лучистым потоком;

• получены экспериментальные результаты по скорости горения образцов ВЭМ при атмосферном и повышенных давлениях; а также в зависимости от отношения окислитель/топливо;

• получены результаты отработки систем измерения внутрикамерного давления и тяги макета ГРДТТ, а также результаты испытаний макетного двигателя на модельном топливе.

   4. Разработаны нанокерамические эжекционные форсунки для распыла алюминиевого расплава и их экспериментального исследования. Обосновано перспективное направление оптимизации технологии по конструкции эжекционной форсунки; изготовлены модельные образцы нанокерамических форсунок. Проанализированы результаты выполненных экспериментальных исследований образцов нанокерамических эжекционных форсунок для распыла алюминиевых расплавов.

   5. Разработано программное обеспечение моделирования развития вутрибаллистического процесса в ГРДТТ, а также компьютерные средства анализа эксперментальных данных по зависимости скорости горения от отношения окислитель/топливо; по зависимости плотности горючего от температуры и пр. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных показал следующее:

• хорошее совпадение (различие менее 7%) уровня давления торможения потока;

• неудовлетворительный уровень (различие порядка 30%) совпадения температуры торможения потока в области зазарядного пространства;

• имеется различие в протяженности периода догорания заряда и соответствующей протяженности режима спада давления.

Практическая значимость исследования
Проект направлен на развитие технологии создания ракетно-космической техники нового поколения на основе получения и применения новых высокоэнергетических материалов и оригинальных конструктивных решений. Предлагаемая 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.
В рамках реализации основных целей проекта разработаны новые нанокерамические форсуночные узлы распыла алюминиевого расплава для модернизации действующих производств, характеризующиеся повышенной износоустойчивостью и обеспечивающие получение частиц оптимального фракционного состава; отработана технология и методы нанесения полимерных покрытий наноразмерных порошков, что обеспечивает стабильность и безопасность хранения и транспортировки отечественного продукта соответствующих производств. Модернизированные технологии (электровзрыв, плазмохимический синтез) нанопорошков металлов и оксидов позволили увеличить энергоэффективность производств и повысить выход целевого продукта. Отработанные технологии синтеза соединений алюминий-бор в режимах сопряженного СВС процесса и печного синтеза носят оригинальный и уникальный характер.
Полученные в ходе выполнения проекта новые технические решения подтверждены патентами РФ; результаты теоретических и экспериментальных исследований по закономерностям, механизмам и моделям горения при использовании новых высокоэнергетических микро и нанокомпонентов горючего представлены в высокорейтинговых международных изданиях, включены в монографии.
Сравнительный анализ оценочной стоимости для эксплуатируемых отечественных и зарубежных ракет-носителей 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.
Презентация

RFMEFI57814X0034.ppt