Пермские ученые создали методику расчета двигателей на гранулированном топливе

Гранулированное топливо — перспективный вид энергоносителя для ракетных двигателей, сочетающий преимущества твердого и жидкого горючего. Такие установки можно многократно включать и перезапускать в полете, плавно регулируя тягу. Однако до сих пор их проектирование осложнялось непредсказуемым поведением порошково-газовой смеси.

Проблема: нет точных расчетов

Инженеры сталкивались с серьезной проблемой: не существовало методики, позволяющей точно рассчитать параметры системы подачи топлива. Поэтому в мире пока нет серийных образцов таких установок — они только разрабатываются. Ошибка на этапе проектирования может привести к аварии при запуске, потере дорогостоящего аппарата и угрозе для жизни людей.

Сегодня в космической технике используют два типа ракетных двигателей. Жидкостные — мощные и управляемые, их можно многократно запускать и останавливать, регулировать тягу, но они чрезвычайно сложны и дороги: сотни клапанов, турбонасосы, криогенные баки. Твердотопливные — просты и надежны, однако их нельзя остановить или перезапустить в полете. Для современных задач — маневрирования спутников, уклонения от космического мусора или мягкой посадки на Луну — нужен двигатель, который можно останавливать и запускать многократно.

Решение: методика от Пермского Политеха

Ученые Пермского Политеха и специалисты ПАО НПО «Искра» впервые создали методику, которая позволяет определить ключевые характеристики двигателя еще на этапе проектирования — от массы топлива до давления в камере сгорания. Как рассказал Андрей Елькин, ведущий конструктор ПАО НПО «Искра», младший научный сотрудник ПНИПУ, методика позволяет рассчитать все ключевые параметры: от соотношения газа и порошка в топливной смеси до размеров баков и количества форсунок.

Прежде чем приступить к расчетам, ученые с помощью компьютерного моделирования определили, сколько энергии выделится при сгорании, и выяснили, какими должны быть размер и форма частиц для стабильной подачи. Затем разработали экспериментальную установку, где вместо реального топлива использовали вещества-имитаторы — кварцевый песок и хлорид калия, который по плотности почти точно повторяет реальное топливо. Это позволило проводить опыты безопасно и без лишних финансовых затрат.

Эксперименты и компьютерные расчеты совпали. «Мы получили четкие зависимости: как меняется расход топлива и газа при изменении давления. На основе этих данных создали пошаговую методику и выполнили расчет двигательной установки для космического аппарата», — комментирует Михаил Храмцов, заведующий лабораторией кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Разработанная методика — впервые экспериментально подтвержденная система расчета параметров двигателей на гранулированном топливе. До пермских ученых никто не создавал подобных методик. Теперь у инженеров есть возможность заранее, еще на этапе расчетов, закладывать все ключевые параметры — от массы топлива до давления в системе.

Это прямой путь к созданию маневренных, многоразовых космических аппаратов нового поколения, спутников, способных уклоняться от космического мусора, межпланетных зондов с возможностью многократной коррекции курса и аппаратов для очистки орбиты. Статья опубликована в журнале «Южно-Сибирский научный вестник», № 5 (63). Работа поддержана грантом Российского научного фонда.