Космические двигатели нового поколения: Российские учёные изобрели ракетный двигатель нового поколения, превосходящий аналоги в 10 раз

ТРИНИТИ разработает прототип плазменного ракетного двигателя к 2024 году

Авторизация
Регистрация

Сброс пароля

Подпишитесь на
«СР-КУРЬЕР»
Быстрая и маленькая, как атом, газета — доставляем свежие новости из «Росатома», России и мира прямиком в ваш почтовый ящик

Больше не показывать

Вы знаете больше и готовы рассказать?

У вас есть интересная история или вы знаете больше о теме, по которой мы уже выпустили материал. Поделитесь с СР любой идеей. Ждем ваших сообщений!

Прикрепить файл

Отправить

События.
Технологии.

7 апреля 2022 в 10:13

Российские ученые обсудили разработку плазменных ракетных двигателей для освоения космического пространства 30 марта на открытом научном семинаре «Росатома» «Управляемый термоядерный синтез и плазменные технологии».

В мероприятии приняли участие онлайн и офлайн больше 200 представителей организаций «Росатома» и «Роскосмоса»,Курчатовского института, Минобрнауки России. Участники семинара обсудили ход исследований и перспективы создания плазменных ракетных двигателей с улучшенными характеристиками в России. Работы по этому направлению включены в третий федеральный проект комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года» (РТТН).

Константин Гуторов, руководитель проекта в ТРИНИТИ, представил концепцию создания прототипа плазменного ракетного двигателя с повышенными параметрами тяги и удельного импульса на базе магнитоплазменного ускорителя, позволяющего эффективно использовать мощность источника энергии.

«Разработку прототипа плазменного ракетного двигателя планируем завершить в 2024 году. На данный момент на квазистационарном плазменном ускорителе продемонстрирован удельный импульс выше 100 км/с для водородной плазмы в режиме однократных импульсов, что позволяет достигнуть целевых показателей прототипа при переходе в частотный режим работы и иметь тяговую мощность в 300 кВт при КПД выше 55%», — сказал Константин Гуторов.

Константин Гуторов

Александр Ловцов, начальник отдела в Центре Келдыша, рассказал о разработке модулей электрореактивного ракетного аппарата на базе холловского и ионного двигателей нового поколения. «На данный момент нами разработан эскизный проект на модуль электрореактивного ракетного двигателя максимальной мощностью 250 кВт, который включает четыре холловских двигателя номинальной мощностью 50 кВт и максимальной мощностью 65 кВт. Разработаны, изготовлены и испытаны макеты ключевых элементов этого модуля. К 2024 году мы планируем завершить его изготовление и приступить к испытаниям», — поделился он результатами работы.

Александр Ловцов

Сергей Коробцев, заместитель начальника комплекса Курчатовского института, рассказал о создании мощного безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) и его конкурентных преимуществах. В частности, он отметил, что в настоящее время в институте сооружается макет БПРД с ВТСП магнитной системой, в котором холодная плазма с плотностью до 5*10¹⁹м^-3 создается при геликонном разряде в аргоне.

Основная задача экспериментальных исследований — получить максимальную энергетическую эффективность и отработать методы создания и нагрева плазмы. Разработка макета прототипа БПРД мощностью 100 кВт будет завершена уже в 2022 году. Далее на модернизированном стенде Е-1 будут исследовать его основные характеристики. Среди основных преимуществ БПРД ученый выделил увеличение ресурса из-за отсутствия электродов, практически полное использование рабочего тела (газа), оперативное регулирование в широком диапазоне отношения тяга-удельный импульс.

Сергей Коробцев

«Обеспечивая длительное крейсирование в околоземном пространстве, мощные БПРД позволят разработать космические системы связи и управления, сделают возможным перехват космического мусора и астероидов, позволят организовать транспортные потоки между космическими объектами», — рассказал Сергей Коробцев.

По результатам дискуссии ученые пришли к общему мнению, что на сегодняшний день основные сложности в разработке плазменных ракетных двигателей связаны с достижением компромисса между мощностью и ресурсом работы. Поэтому исследования, нацеленные на снижение последствий взаимодействия плазмы со стенками исключительно важны и дают новое знание о возможностях дальнейшего развития методик и стандартизации диагностических средств в исследованиях, которые проводятся в рамках федерального проекта.

Есть интересная история?

Напишите нам

Читайте также:

Владимир Кошлаков: Полет до Марса займет 7-8 месяцев

Владимир Владимирович, как вы прокомментируете испытания?

Владимир Кошлаков: Прошли успешно. Создан хороший задел, чтобы двигаться дальше.

Какие возможности открывает ядерный двигатель? Он нужен для полетов к Марсу?

Владимир Кошлаков: Не только. Сегодня космические аппараты летают либо на двигателях, работающих на химическом топливе, либо на маломощных электроракетных двигателях, питаемых от солнечных батарей. Но с помощью таких систем к тому же Марсу лететь очень долго. Для пилотируемых полетов это плохо: человек не должен находиться в космическом пространстве больше, чем год-два. А ядерные энергодвигательные системы позволят долететь достаточно быстро. И, что самое главное, вернуться назад. Эти системы особенно перспективны для межорбитальных, межпланетных перелетов, освоения дальних планет.

Говорят, на ядерном движке до Марса можно долететь едва ли не пулей — за полтора месяца?

Владимир Кошлаков: Это преувеличение. Несколько дней до Луны — да, а до Марса полет займет 7-8 месяцев.

Ваш прогноз: когда это все-таки может осуществиться?

Владимир Кошлаков: Технически это осуществимо в ближайшее время, однако полет на Марс не самоцель. Создаваемые энергодвигательные системы могут быть основой для целого ряда миссий в космосе, которые сейчас кажутся фантастическими.

А когда начнутся летные испытания? Была информация, что чуть ли не в конце этого года?

Владимир Кошлаков: До этого еще далеко. Мы ведем проект с 2009 года. Он уникальный, уникальные технологии. Требовалось решить огромное количество научно-технических и технологических задач, которые не решил еще никто в мире. Это создание высокотемпературных систем сброса тепла в космическом пространстве, систем преобразования энергии, электроплазменных двигателей больших мощностей, высокотемпературных элементов и материалов…

На сегодняшний момент сделано многое. Самое принципиальное: мы показали когда ставишь такие высокие планки, то результаты обязательно будут. И, поверьте, они превысят современный уровень развития науки и техники.

Испытания проходят на базе Центра?

Владимир Кошлаков: Да. У нас создана стендовая база, аналогов которой нет в России. Она позволяет проводить отработку всех ключевых элементов энергодвигательных систем и космических аппаратов в целом.

Что называется, на пальцах можете объяснить, из чего состоит ядерный двигатель?

Владимир Кошлаков: Прежде всего из источника энергии — это ядерный реактор, который нагревает рабочее тело. Нагретое рабочее тело поступает на турбину, на одном валу с которой находится электрогенератор. Вращая турбину, мы генерируем электрический ток, который необходим для обеспечения работы космического аппарата в целом и электроплазменных двигателей в частности. Тяга электроплазменного двигателя — это движущая сила космического аппарата как транспортной системы.

А что за уникальный теплоноситель используется?

Владимир Кошлаков: Гелий-ксеноновая смесь. Его основное преимущество — химическая нейтральность по отношению к материалам. Ведь аппарат должен длительное время работать при запредельно высоких и низких температурах. Плюс ряд других теплофизических характеристик, которые позволяют создавать оптимально эффективный контур, снизить массу и габариты реактора, теплообменных агрегатов.

Какими еще перспективными ракетными двигателями занимаются конструкторы?

Владимир Кошлаков: У нас ведутся научно-исследовательские, поисковые работы по созданию перспективных ракетных двигателей всех типов. Не только жидкостных, но и электроплазменных, гиперзвуковых и других. Например, много говорят о кислородно-метановом двигателе или просто метановом. Эти работы также зарождались в нашем институте. Проведен большой комплекс экспериментальных исследований различных физических процессов. И на сегодняшний момент Россия близка к созданию метанового двигателя.

А зачем он нужен?

Владимир Кошлаков: Метановый двигатель перспективен с нескольких точек зрения. Прежде всего в отличие от керосина он содержит в себе меньше связанных углеродсодержащих веществ. То есть практически не выделяет сажи. Если мы говорим про многоразовые системы, то это очень важно: двигатель не нужно перед каждым циклом включения очищать, промывать.

Еще одно преимущество — температура криогенного метана и криогенного кислорода примерно одинакова. Поэтому можем упрощать конструкцию ракет, создавая совмещенные баки, когда между двумя компонентами всего одна стенка. В кислород-керосинной ракете две стенки, поскольку температура керосина примерно плюс 20 градусов Цельсия, а жидкого кислорода — минус 170. Поэтому ее конструкция и тяжелее, и сложнее. Кроме того, метан — достаточно дешевое топливо. Тоже большой плюс.

Ракета улетела, вернулась — и через 48 часов ее можно заново пускать с тем же двигателем. Вот те планки, которые ставит перед нами рынок

На каких ракетах будет устанавливаться этот ракетный двигатель?

Владимир Кошлаков: На новых, перспективных ракетах, проработки которых еще только ведутся.

А на ракете «Союз-5», которая должна быть создана к 2022 году? На «сверхтяже», первый запуск которой планируется в 2028 году?

Владимир Кошлаков: Нет. На ракете «Союз-5» и «сверхтяже», в котором будут использованы элементы и технологии «Союза-5», планируется устанавливать двигатели, которые уже есть либо имеют значительный задел по основным элементам.

Когда реально может появиться метановый двигатель?

Владимир Кошлаков: Опытно-конструкторские работы должны завершиться в течение пяти лет. Они сейчас ведутся в воронежском КБ химавтоматики.

А что за первый в мире электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, известный также как холловский двигатель, на 800 вольт разработан в «Центре Келдыша»?

Владимир Кошлаков: Электроплазменными двигателями мы занимаемся давно. Не только разрабатываем, но и производим. Они летают и на отечественных, и на зарубежных космических аппаратах. Так вот исследования показали: повышение напряжения в электроракетном двигателе с традиционных 300 вольт до 500 и 800 позволяет существенно улучшить его энергетические характеристики. И мы сейчас проводим работы по созданию двигателей, работающих при больших напряжениях. Фактически электроракетные двигатели холловского типа с таким напряжением приближаются к ионным.

Насколько я знаю, интерес к плазменным двигателям огромный во всем мире?

Владимир Кошлаков: Они наилучшим образом отвечают современным задачам в космосе.

Интересно, а у каких из альтернативных ракетных топлив наиболее «светлое» будущее?

Владимир Кошлаков: Альтернативы электрическим двигателям для космических аппаратов, наверное, все-таки нет. Сегодня, кроме ксенона, рассматриваются различные топлива. Конечно, аргон — как наиболее простой и дешевый. Криптон, который по своим характеристикам лучше ксенона, но тоже не дешевый. Ведутся проработки по использованию в качестве ракетного топлива йода. Здесь преимущество в том, что йод можно хранить в твердом состоянии. Это компактнее — меньше масса. Но эти работы также находятся в стадии научно-исследовательских работ для создания задела. Проектов много. Повторюсь, на острие — ядерная тематика. Это самое перспективное направление. И мы здесь не на последних ролях.

Кто главные наши конкуренты: Blue Origin, SpaceX?..

Владимир Кошлаков: Пожалуй, только США. Если говорить про жидкостные ракетные двигатели, то, конечно, большой задел в США, Китае. Хотя те же США покупают эти двигатели у нас. РД-180 разработки «НПО Энергомаш», на мой взгляд, лучшие в мире: линейка этих двигателей покрывает весь рынок таких двигателей по своим характеристикам и цене. Но мир на месте не стоит. Новые материалы, технологии и конструкторские решения появляются и за рубежом. Конкуренция растет. Поэтому у нас ведутся проработки по созданию дешевых коммерческих носителей, которые бы по своей стоимости и надежности не уступали западным. Это одна из основных задач, поставленных перед нами руководством «Роскосмоса».

Вопрос ребром

Новые российские двигатели изначально разрабатываются как многоразовые?

Владимир Кошлаков: Многоразовость ставится во главу угла. Однако требуется рациональный подход. Двигатели должны быть ремонтопригодными, иметь большое количество включений без вмешательства человека. Фактически, создав двигатель, мы могли бы «прокатать» его столько, сколько надо, на экспериментальном стенде. Подтвердить его надежность. И все. Двигатель консервируют: больше доступа человека к нему не должно быть. Это одно из требований, которое мы рассматриваем при создании новых двигателей.

Сколько включений самое оптимальное?

Владимир Кошлаков: Вопрос открытый. На днях у нас прошла конференция по актуальным проблемам ракетного двигателестроения. Выступал генеральный директор S7 Space г-н Сопов. Он сказал: мне нужны двигатели, которые могли бы включаться 100 раз. При этом межполетный интервал — каждые десять включений. То есть десять раз отработал — специалисты посмотрели, провели регламент, пошли дальше. А время между двумя включениями не должно быть больше 48 часов. То есть ракета улетела, вернулась — и через 48 часов ее можно заново пускать с тем же двигателем. Вот те планки, которые ставит перед нами рынок.

Они достижимы?

Владимир Кошлаков: Они реализуемы. Надо работать.

Знаю, что у вас в институте функционирует Центр по применению нанотехнологий в энергетике и электроснабжении космических систем. Что делается для повышения надежности космической техники?

Владимир Кошлаков: У наших ученых есть возможность достаточно глубоко заглянуть в физические процессы, которые протекают в двигателях. Приведу пример: при нанесении покрытия на огневую стенку камеры сгорания произошло отслоение покрытия. Запас работоспособности двигателя при этом, естественно, снижается. Оказалось, был секундный перебой с электроэнергией, и процесс образования защитной пленки прекратился. Электричество включилось, но внутри покрытия образовалась граница раздела. Она-то и стала причиной отслоения. Исследование объектов размерами с нанометр, определение структурного и фазового состояния материала, анализ межкристаллитных процессов — далеко не полный перечень возможностей оборудования.

Лазерное зажигание — еще одно из направлений повышения надежности. Кроме того, мы активно развиваем программно-методическое обеспечение, которое могло бы смоделировать работу двигателя и найти узкие места еще до постановки в ракету.

Насколько снижает вес мотора применение композитов?

Владимир Кошлаков: Очень серьезно. Чтобы было понятно: плотность углеродных материалов — 1,2-1,4 грамма на кубический сантиметр. Плотность алюминия — 2,7, а стали — 7,8. Считайте. Меньше плотность — соответственно, меньше вес. Дело еще в том, что при высоких температурах прочностные характеристики металлов снижаются, поэтому мы вынуждены дополнительно утолщать стенки, что тоже ведет к повышению веса. А у углеродных материалов с повышением прочности физико-механические характеристики только становятся лучше.

Много говорят об аддитивных технологиях. Скажите, где их применение актуально?

Владимир Кошлаков: Практически в любых изделиях. Например, изготовление форсуночной головки двигателя с помощью аддитивных технологий позволяет сделать целиком одну деталь. А традиционные методы включают более 200 элементов! И все надо отдельно изготовить, спаять, сварить, собрать. Что тоже ограничивает пределы работоспособности двигателя.

Правда, к аддитивным технологиям надо относиться аккуратно. Об этом говорят исследования: мы заглянули внутрь как самих изделий, так и каждой «порошинки». Иногда «порошинки» между собой не свариваются, не сплавляются — надо подбирать правильный режим работы, будь то лазерный пучок или электронный луч в этих станках. Но вообще аддитивные технологии очень перспективны: способствуют цифровизации производства, ускоряют процесс, устраняют человеческий фактор.

Сколько времени уходит на создание «звездного мотора»?

Владимир Кошлаков: В среднем на создание опытного образца — 5-7 лет.

У американских частников дело быстрее идет?

Владимир Кошлаков: Если вы имеете в виду Илона Маска, то он создал свою ракету на базе старых, давно разработанных и использованных двигателей. Он поступил как коммерсант: взял готовое отработанное решение и успешно его применил. При этом хотел бы отметить, что без поддержки государства не обошлось.

P.S. «Центру Келдыша» исполнилось 85 лет. Это одно из ведущих предприятий «Роскосмоса», работающее в области ракетного и спутникового двигателестроения, космической энергетики. Поздравляем!

Установки на будущее

Стоимость запуска ракеты-носителя в современной космонавтике остается довольно высокой, достигая порой нескольких сотен миллионов долларов. Чтобы существенно снизить ее, конструкторы из разных стран мира разрабатывают принципиально новые виды ракетных двигателей, способные выводить полезный груз на орбиту при меньших энергозатратах по сравнению с обычными силовыми установками. На сегодня из различных перспективных проектов такого рода наиболее близки к реализации три. Мы решили разобраться в их особенностях.

Во всем мире в 2015 году были произведены 87 запусков ракет-носителей с различной полезной нагрузкой: 29 запусков пришлись на Россию, 20 — на США, 19 — на Китай, девять — на Европейское космическое агентство, пять — на Индию, четыре — на Японию и один — на Иран. Из этого количества пять запусков были неудачными и окончились потерей двух автоматических космических кораблей и десяти спутников. В 2014 году страны осуществили 92 запуска ракет-носителей, а годом ранее — 80. Сегодня стоимость выведения полезного груза на орбиту составляет от 15 до 25 тысяч долларов за один килограмм при выводе спутников на геопереходную орбиту, откуда они переходят на геостационарную. Запуск космического аппарата на низкую орбиту обходится дешевле, но все равно достаточно дорого — от 2,4 до 6 тысяч долларов на килограмм.

Неудивительно поэтому, что во многих странах ведутся работы по созданию технологий, способных существенно снизить стоимость космических запусков. При этом разные разработчики идут разными путями. Например, американская компания SpaceX занимается созданием ракет-носителей Falcon Heavy с возвращаемой первой ступенью. В компании уверены, что многоразовость первой ступени Falcon Heavy позволит снизить стоимость запуска полезного груза на низкую орбиту Земли до двух тысяч долларов за килограмм и до 9–11 тысяч при запуске на геопереходную орбиту. А американская же компания JP Aerospace занимается созданием многоступенчатой системы запуска, в которой первые две ступени будут представлены дирижаблями.

Словом, различных технологий, нацеленных на снижение стоимости запусков, сегодня разрабатывается много. К ним относятся и ракеты-носители с корпусами из современных материалов, и способные на самолетные взлет и посадку ракетопланы, и навигационные системы возвращаемых ступеней ракет. Но главное место среди них занимают новые двигатели. Правда, в этой области чаще всего речь идет об усовершенствовании конструкций уже существующих ракетных двигателей. Например, двигатель Merlin компании SpaceX обладает значительной мощностью, но при этом относится к традиционным жидкостным ракетным двигателям. Впрочем, есть и оригинальные решения, прежде не применявшиеся для ракет-носителей. О трех наиболее интересных из них, с точки зрения конструкции и потенциальной выгоды, мы расскажем ниже.

Гибридный двигатель

В начале 1990-х годов британская компания Reaction Engines занялась разработкой нового типа ракетного двигателя, который потреблял бы существенно меньше жидкого окислителя, но был бы эффективен на всех высотах полета. Предполагалось, что он будет совмещать в себе качества воздушного турбореактивного и ракетного двигателей. Новый проект получил название SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, синергичный атмосферный ракетный двигатель). Принцип силовой установки относительно прост: при полете в атмосфере для сжигания топлива используется атмосферный кислород, а при выходе в безвоздушное пространство двигатель переключается на использование жидкого кислорода из баков.

Согласно проекту, двигатель SABRE получит универсальную камеру сгорания и сопло, по конструкции во многом схожие с подобными элементами обычного ракетного двигателя. На старте и при разгоне SABRE будет работать как обычный прямоточный реактивный двигатель. В полете воздух будет поступать в воздухозаборник, а дальше по специальным обводным каналам — в охладитель и камеру сгорания. В зоне охладителя предусмотрена установка турбины и компрессора: при выходе реактивной струи из сопла воздух будет затягиваться в двигатель и раскручивать турбину, которая в свою очередь будет раскручивать компрессор. Последний станет сжимать охлажденный воздух, что позволит увеличить его подачу в камеру сгорания, а следовательно и полноту сгорания топлива и его энергетическую отдачу.

Предполагается, что в атмосферном режиме новый гибридный ракетный двигатель будет работать на скоростях полета до пяти чисел Маха (6,2 тысячи километров в час). По мере увеличения скорости воздух в воздухозаборнике — из-за его резкого торможения и сжатия — будет становиться все горячее и горячее. Это ухудшит его компрессию, а значит, и общую эффективность двигателя. Поэтому для охлаждения поступающего воздуха предполагается использовать специальную сеть трубок диаметром один миллиметр и общей протяженностью около двух тысяч километров. Их установят в воздуховоде. В сами трубки под давлением в 200 бар (197 атмосфер) будет подаваться гелий, выполняющий роль теплоносителя.

По расчетам разработчиков, система позволит охлаждать поступающий воздух с более чем одной тысячи градусов Цельсия до минус 150 градусов Цельсия за одну сотую секунды. При этом сжижения воздуха, способного резко снизить эффективность двигателя, не произойдет. После превышения скорости в пять чисел Маха воздухозаборник будет перекрыт, а двигатель переключится на потребление жидкого кислорода из бака. В таком варианте он сможет функционировать в разреженных верхних слоях атмосферы и в безвоздушном пространстве. В качестве топлива планируется использовать жидкий водород. Испытания отдельных узлов SABRE проводились Reaction Engines с 2012 года и признаны успешными.

В настоящее время британская компания занимается сборкой демонстратора технологий двигателя, испытания которого запланированы на конец 2017-го — первую половину 2018 года. В атмосферном режиме этот аппарат сможет развивать тягу в 196 килоньютонов. По своим размерам прототип силовой установки будет соответствовать габаритам турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой F135. Такие двигатели ставятся на американские истребители F-35 Lightning II. Длина F135 составляет 5,6 метра, а диаметр — 1,2 метра. Эта силовая установка способна развивать тягу до 191 килоньютона в режиме форсажа. Полноценная установка SABRE будет немного крупнее и в атмосферном режиме сможет развивать тягу в 667 килоньютонов. Ее испытания запланированы на 2020–2021 годы.

В британской компании полагают, что благодаря ее двигателю ракету-носитель можно будет сделать одноступенчатой. Причем эта единственная ступень станет возвращаемой. Новая силовая установка будет потреблять топлива и особенно окислителя гораздо меньше обычного ракетного двигателя, ведь для полета на атмосферном участке кислород для сжигания горючего предполагается брать из воздуха. Британские двигатели планируется использовать в перспективных американских многоразовых двухступенчатых космических кораблях, которые, по предварительным расчетам, позволят выводить полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту по 1,1–1,4 тысячи долларов за килограмм.

Гиперзвуковой двигатель

Поделиться

Запуск ракеты с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем в Индии на полигоне Шрихарихота

ISRO

В конце августа 2016 года индийская Организация космических исследований провела первые успешные испытания гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Успешное испытание силовых установок состоялось на полигоне Шрихарихота на востоке страны. Для проверки разработчики использовали обычную твердопливную двухступенчатую ракету-носитель ATV, ко второй ступени которой и были прикреплены гиперзвуковые двигатели. Во время летных испытаний силовых установок исследователи проверили зажигание на сверхзвуковой скорости, устойчивое горение топлива, механизм забора воздуха и систему впрыска топлива. Общая продолжительность полета второй ступени составила 300 секунд, из которых пять секунд работали гиперзвуковые двигатели.

Индийские силовые установки, создаваемые в рамках проекта SRE (Scramjet Rocket Engine, гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный ракетный двигатель), работали на скорости полета чуть больше шести чисел Маха. Ступень с двигателями поднялась на высоту 70 километров. Целью первого испытания гиперзвуковых двигателей была проверка стабильности их работы, а не возможности этих силовых установок разгонять носители до гиперзвуковых скоростей. В ближайшее время разработчики планируют завершить обработку данных, полученных во время первого запуска силовых установок, и провести еще серию их испытаний. Предполагается, что гиперзвуковые двигатели будут разгонять вторую ступень ракет-носителей до восьми-девяти чисел Маха.

Технические подробности о своих гиперзвуковых установках индийцы не раскрывают. Однако общая схема таких двигателей, разрабатываемых в нескольких странах мира с 1970-х годов, известна. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель отличается от обычных тем, что топливо в его камере сгорает в сверхзвуковом воздушном потоке. При этом воздух для процесса горения подается в камеру прямотоком без использования дополнительных компрессоров. Выглядит это так: набегающий воздушный поток попадает в воздухозаборник, а затем в заужающуюся компрессорную камеру, где сжимается и откуда поступает в камеру сгорания. Что самое интересное, такие гиперзвуковые двигатели могут вообще не иметь никаких подвижных частей.

Гиперзвуковые силовые установки способны работать при скорости полета не менее четырех-пяти чисел Маха — именно при такой скорости обеспечивается необходимое сжатие воздуха и стабильное сгорание топлива. Теоретическим верхним пределом скорости гиперзвукового двигателя считаются 24 числа Маха. При этом силовая установка сможет развивать и большие скорости, если в камеру сгорания будет дополнительно впрыскиваться жидкий окислитель. Максимальная высота полета, на которой гиперзвуковые двигатели могут работать без потребности в дополнительном впрыске окислителя, составляет 75 километров. Для сравнения, низкая околоземная орбита начинается с отметки в 160 километров.

Помимо Индии, активными работами по созданию гиперзвуковых ракетных двигателей сегодня занимаются США, Россия, Китай и Австралия. США и Россия планируют устанавливать новые силовые установки на гиперзвуковые боевые ракеты, разведывательные аппараты и истребители шестого поколения. Австралия, ведущая разработки совместно с американцами, тоже намерена оснастить новыми двигателями ракеты. Китай, помимо боевого применения силовых установок, намерен использовать их и в ракетах-носителях. По неподтвержденным данным, гиперзвуковые двигатели будут разгонять китайские ракеты-носители до 10–12 чисел Маха, а боевые ракеты — до 20 чисел Маха. Первые испытания китайской гиперзвуковой ракеты состоялись в июне прошлого года.

В США и России полагают, что использование гиперзвуковых двигателей в ракетах-носителях усложнит, а не упростит их конструкцию. Кроме того, исследователи считают, что такие силовые установки не смогут развивать достаточную для запуска больших грузов тягу. Индийские же и китайские разработчики уверены, что использование гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей в ракетах-носителях позволит отказаться от большей части жидкого окислителя, который будет необходим лишь на заатмосферном участке полета. А проблему возможной недостаточности тяги можно будет решить установкой нескольких гиперзвуковых силовых установок, причем выгода от отказа от окислителя нивелирована не будет — совокупная масса двигателей благодаря простой конструкции будет невелика.

Детонационный двигатель

Между тем в России специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» научно-производственного объединения «Энергомаш» занимается разработкой спинового детонационного жидкостного ракетного двигателя, работающего на топливной паре кислород-керосин. О первом успешном испытании такой силовой установки было объявлено 26 августа текущего года. Следует отметить, что это первый в мире спиновый детонационный двигатель, разрабатываемый специально для использования на ракетах-носителях. Аналогичную силовую установку сегодня создают и в США, однако ее планируется использовать в качестве более экономичной и эффективной замены газотурбинных двигателей на кораблях ВМС.

Изучение принципов работы и разработка детонационных двигателей ведется в некоторых странах мира уже больше 70 лет. Впервые ими занялись еще в Германии в 1940-е годы. Правда, тогда работающего прототипа детонационного двигателя исследователям создать не удалось, но были разработаны и серийно выпускались пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Они ставились на ракеты «Фау-1». В силовых установках таких ракет топливо подавалось в камеру сгорания небольшими порциями через равные промежутки времени. При этом распространение процесса горения по топливу происходило на скорости, меньшей скорости звука. Такое сгорание называется дефлаграцией, оно лежит в основе работы всех обычных двигателей внутреннего сгорания.

В детонационном двигателе фронт горения распространяется по топливной смеси быстрее скорости звука. Такой процесс горения называется детонацией. Детонационные двигатели сегодня делятся на два типа: импульсные и спиновые. Последние иногда называют ротационными. Принцип работы импульсных двигателей схож с таковым у пульсирующих воздушно-реактивных двигателей: топливо и окислитель подаются в камеру сгорания с высокой частотой через равные промежутки времени. Основное отличие заключается в детонационном горении топливной смеси в камере сгорания. Благодаря детонации топливо сгорает полнее, выделяя большее количество энергии, чем при дефлаграции.

В спиновых детонационных двигателях используется кольцевая камера сгорания. В ней топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. В таких силовых установках детонация не затухает, пока подаются топливо и окислитель. Во время работы двигателя детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, причем топливная смесь за ней успевает обновиться. При этом, если в импульсном двигателе в камеру сгорания следует подавать предварительно подготовленную смесь топлива и окислителя, то в спиновом двигателе этого делать не нужно — фронт высокого давления, движущийся перед детонационной волной, вполне эффективно смешивает необходимые компоненты. Ротационный двигатель впервые начали изучать в СССР в 1950-х годах.

В новом российском спиновом детонационном ракетном двигателе частота спиновой детонации составляет 20 килогерц, то есть за одну секунду детонационная волна успевает «обежать» кольцевую камеру сгорания 20 тысяч раз. Теоретически, детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от нуля до пяти чисел Маха, а при использовании дополнительных агрегатов, например компрессора, верхний предел можно поднять до семи-восьми чисел Маха. Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в базовом варианте в них отсутствует компрессор и многие движущиеся части.

Благодаря своей экономичности при высокой выдаваемой мощности спиновые детонационные двигатели в ракетах-носителях позволят существенно сократить объемы топлива и окислителя, необходимые для вывода полезного груза на орбиту. На практике (и это свойственно всем уже перечисленным проектам), уменьшение массы двигателя (а силовая установка будет весить меньше обычной ракетной), топлива и окислителя позволит либо увеличить забрасываемый вес носителя при сохранении его габаритов, либо оставить забрасываемый вес неизменным при уменьшении габаритов ракеты. Забрасываемый вес ракеты-носителя — это масса последней ступени, ее топлива и полезного груза.

В перспективе гонку на рынке космических запусков выиграет тот, кто сможет как можно дешевле выводить на орбиту как можно больше грузов. Некоторые компании полагают, что благодаря использованию новых технологий стоимость вывода грузов на низкую орбиту можно будет опустить ниже тысячи долларов за килограмм и ниже десяти тысяч за килограмм при запуске на геопереходную орбиту. Правда, когда именно такое будет возможно, пока неясно. По самым смелым оценкам, новые ракетные двигатели будут использоваться на ракетах-носителях с середины 2020-х годов.

Василий Сычёв

НАСА рассматривает возможность использования солнечной энергии для питания нового поколения космических кораблей

Встроить
Поделиться

НАСА надеется на солнечную энергию для питания нового поколения космических кораблей

от VOA

В настоящее время нет доступных медиа-источников

0:00
0:06:07
0:00

Американское космическое агентство NASA недавно запустило свой космический корабль DART для проверки метода защиты Земли от угрожающих астероидов .

НАСА сообщает, что миссия DART также тестирует несколько новых технологий. Один из них двигательная установка , которая получает энергию от солнца. Эта технология называется солнечной электрической тягой.

Поскольку система использует солнечную энергию вместо двигателей, работающих на топливе, ей не нужны большие тяжелые топливные баки. Если технология будет успешной, она может помочь в создании космических кораблей нового поколения.

Чиновники НАСА заявили, что солнечная электрическая тяга может быть важна для планов агентства по будущим исследованиям. Это может включать запланированные миссии по доставке астронавтов на Луну и Марс.

Система на солнечной энергии, включенная в миссию DART, известна как NEXT-C. Он был разработан Исследовательским центром Гленна НАСА в Огайо и построен производителем ракет Aerojet Rocketdyne.

На иллюстрации этого художника изображен космический корабль НАСА DART, который будет запущен, чтобы врезаться в астероид, чтобы увидеть, как авария повлияет на траекторию космического объекта. (Изображение предоставлено: NASA/Johns Hopkins APL)

Технология основана на системах, использовавшихся в прошлом на космических кораблях НАСА, выполнявших миссии по исследованию астероидов. Ученые, работающие над разработкой NEXT-C, заявили, что новая система, как ожидается, будет «примерно в три раза мощнее» тех, что использовались в прошлом.

Большинство двигательных установок используют топливо для химических реакций, обеспечивающих тягу, которая приводит в движение космический корабль. NEXT-C — это силовая установка, использующая электричество для преобразования газообразного ксенона в ионы ксенона. Когда ионы высвобождаются, они создают силу для перемещения космического корабля. Большие солнечные коллекторы производят электричество из солнечного света.

NEXT-C не является основной силовой установкой для DART. Он был включен в миссию для проверки его эффективности. Однако эта технология станет основной двигательной установкой для предстоящей миссии НАСА под названием Psyche.

Космический корабль «Психея» отправится к металлическому астероиду, вращающемуся вокруг Солнца между Марсом и Юпитером. NASA заявляет, что планирует запустить Psyche в августе. Космический корабль должен пройти около 2,4 миллиарда километров за три с половиной года, чтобы добраться до астероида.

Оказавшись на орбите, команда миссии изучит данные, собранные научными приборами Психеи. Ученые считают, что астероид может быть частью металлического ядра ранней планеты. Они говорят, что астероид мог отделиться во время сильных столкновений, которые произошли во время раннего формирования нашей Солнечной системы.

На этой фотографии, сделанной в ноябре 2020 года, технические специалисты впервые включают основной корпус космического корабля NASA Psyche, называемого шасси Solar Electric Propulsion (SEP), в чистой комнате Maxar Technologies в Пало-Альто, Калифорния. (Изображение предоставлено:

НАСА заявляет, что как только Psyche отделится от своей ракеты-носителя, она будет зависеть от солнечной электрической тяги, чтобы достичь своей цели. Также ожидается, что космический корабль получит гравитационный толчок, когда пролетит мимо Марса.

Космическое агентство сообщает, что «Психея» станет первым космическим кораблем, использующим солнечные двигатели за пределами орбиты нашей Луны. НАСА описывает тягу как « нежный », но достаточно сильный, чтобы двигать космический корабль в его долгом полете.

НАСА сообщило, что испытания показали высокую эффективность системы. По оценкам ученых, двигатели Psyche «могут работать годами, не заканчивая топливо».

Линди Элкинс-Тэнтон из Университета штата Аризона, исследователь НАСА и возглавляет миссию «Психея». «Даже в начале, когда мы впервые разрабатывали миссию в 2012 году, мы говорили о солнечной электрической силовой установке как части плана», — сказала она в своем заявлении. «Без него у нас не было бы миссии Psyche».

Пауло Лосано руководит лабораторией космических двигателей в Массачусетском технологическом институте (MIT). Он сказал MIT Technology Review , что, по его мнению, Psyche может помочь проложить путь к новому исследованию космоса на солнечной энергии. Технология может разрешить более длительные и менее дорогостоящие миссии. «Это фактически открывает возможность исследовать и коммерциализировать пространство так, как мы не видели раньше», — сказал Лозано.

Я Брайан Линн.

Брайан Линн написал эту статью на основе отчетов NASA и MIT Technology Review. Марио Риттер-младший был редактором.

Мы хотим услышать от вас. Напишите нам в разделе комментариев, и посетите нашу страницу Facebook .

Викторина — НАСА рассматривает возможность использования солнечной энергии для питания нового поколения космических кораблей

Начать викторину, чтобы узнать

Начать викторину

_________________________________________________________

Слова в этой истории

астероид – 90.16 астероид каменистый объект, вращающийся вокруг Солнца как планета

миссия – н. важный проект или путешествие, особенно связанное с космическим путешествием

двигатель – n. сила, создаваемая системой для перемещения или движения транспортного средства

тяга – n. толчок вверх или усилие

сердцевина – n. центральная часть планеты

нежная – прил. не сильный или сильный

коммерческий – v. организовать что-то с целью получения прибыли

Исследователи UCF разрабатывают космические технологии нового поколения Луна и не только.

Этот ряд технологий включает передовые высокоскоростные двигательные установки для межпланетных путешествий, лунные посадочные площадки, которые самособираются при спуске ракеты, вертолетоподобный спускаемый аппарат, который пролетит почти миллиард миль, чтобы пролететь над поверхностью луны Сатурна. Титан и паруса для космических путешествий на солнечной энергии.

Работа отражает роль UCF как лидера в производстве технологий и рабочей силы, необходимых для новой космической гонки страны.

Гиперзвуковая двигательная установка

Работа над силовой установкой, возглавляемая доцентом UCF по машиностроению и аэрокосмической технике Каримом Ахмедом, направлена ​​на создание нового топлива и детонационного двигателя для приведения в движение ракет с гиперзвуковой скоростью 5 Маха и выше, или в пять раз превышающей скорость скорость звука.

Для космических миссий эта передовая технология позволит космическим кораблям путешествовать дальше и использовать меньше топлива, тем самым облегчая их нагрузку.

Министерство обороны США вкладывает значительные средства в работу, предоставив UCF новый грант в размере 1,5 миллиона долларов для продвижения технологии, и UCF выбрал команду для получения награды Jump Start для модернизации своих объектов.

«Если технология будет успешно развита, гиперзвуковые двигатели на основе детонации могут быть реализованы в атмосферных и космических путешествиях человека в ближайшие десятилетия», — говорит Ахмед.

Самособирающиеся посадочные площадки

UCF Florida Space Institute Planetary Scientist Фил Мецгер ’00MS’05PhD помогает руководить проектом по созданию лунных и марсианских посадочных площадок с гораздо меньшим потреблением энергии, меньшим количеством материалов, доставленных с Земли, и по более низкой цене.

Работа важна, потому что без посадочной площадки реактивные струи при спуске ракеты могут взорвать повреждающие камни и почву в находящееся рядом оборудование или создать массивную воронку.

Исследование осуществляется на основе субподряда с авиационной и аэрокосмической компанией Cislune в рамках программы НАСА по инновациям в малом бизнесе.

Ключом к проекту является предварительно запатентованное изобретение UCF, которое использует магнитные поля для сортировки лунного грунта на слои. В ходе этого процесса почва зачерпывается, а затем проходит через процесс разделения, известный как обогащение, когда зерна сортируются по частям, чтобы сохранить те, которые лучше всего поглощают микроволновую энергию. Затем эти почвы укладывают обратно на землю и расплавляют с помощью микроволновой энергии на посадочные поверхности. Этот процесс известен как микроволновое спекание.

Мецгер, постдокторант UCF Дакка Сапкота и группа студентов бакалавриата в настоящее время определяют, насколько хорошо зерна можно сортировать по слоям, и Мецгер готовит исследования, которые моделируют экономические, энергетические и развивающие преимущества этой техники по сравнению с другими методами.

«Уже сейчас микроволновое спекание кажется наиболее экономически практичным методом создания посадочной площадки на Луне», — говорит Метцгер. «Мы ожидаем, что с новой технологией он выиграет еще быстрее и окажется очень доступным для НАСА».

Винтокрылый корабль Dragonfly

Ассистент UCF по машиностроению и аэрокосмической технике профессор Майкл Кинзель помогает проектировать посадочный модуль винтокрылого корабля NASA Dragonfly, который будет исследовать окружающую среду крупнейшего спутника Сатурна, Титана.

Ожидается, что миссия начнется в 2027 году и достигнет Титана к середине 2030-х годов. Ученые надеются узнать больше о происхождении жизни, изучая окружающую среду Титана, которая содержит химические вещества, похожие на те, какими, по мнению ученых, была Земля до возникновения жизни.

Проект возглавляет Лаборатория прикладной физики Джона Хопкинса, и команда Кинзела сосредоточена на постоянном улучшении конструкции основного корпуса или фюзеляжа корабля на основе отзывов команды Джона Хопкинса.

Они делают это, выполняя передовые компьютерные симуляции потока газа, с которым Стрекоза будет сталкиваться во время полета на Титане, что помогает понять, как устроен корабль. Это включает в себя использование высокопроизводительного вычислительного кластера Stokes UCF с помощью директора Центра перспективных исследований UCF Гленна Мартина для определения аэродинамических характеристик фюзеляжа во всех условиях полета, которые он будет испытывать.

«Это во многом итеративный процесс определения аэродинамического дизайна с последующей переоценкой структурных и тепловых нагрузок, а также получением новых функций от ученых», — говорит Кинзель. «Они говорят нам, что что-то не работает или не соответствует критериям дизайна, или нам нужен новый датчик, и мы повторяем и постоянно совершенствуем и улучшаем дизайн».

Предварительный обзор проекта должен быть представлен в НАСА этим летом.

Развертываемые конструкции космических кораблей

Ассистент машиностроения и аэрокосмической техники профессор Каваи Квок руководит исследованиями по моделированию характеристик ультратонких композитов, которые можно использовать для создания солнечных парусов и других крупных развертываемых конструкций для космических кораблей.

Почти как измерительная лента, тонкослойные композитные развертываемые конструкции можно сворачивать, уплотнять и хранить в течение длительного времени до тех пор, пока они не потребуются для развертывания. Это делает их идеальными для космических миссий, где меньшие размеры и вес означают более эффективное путешествие.

Используя компьютерное моделирование, команда Квока продемонстрировала первую полномасштабную симуляцию составных развертываемых стрел, подвергающихся упаковке, длительному хранению и развертыванию.

Новые возможности моделирования позволяют предсказывать искажения формы длинных композитных стрел в космосе, что является необходимым условием для пригодности конструкций к полетам, говорит Квок.

«Наши сотрудники в НАСА используют результаты нашего анализа для проведения наземных испытаний составных развертываемых стрел в рамках подготовки к миссии Advanced Composite Solar Sail System, или ACS3, запуск которой ожидается в этом году», — говорит Квок.

Исследователь говорит, что в настоящее время команда переходит к следующему этапу проекта, где они будут изучать производство больших конструкций непосредственно в космосе с использованием высокотемпературных термопластичных композитных материалов.

Космические технологии в UCF

Выделенная здесь технология представляет собой снимок широкого спектра связанных с космосом технических проектов в UCF, в том числе более дюжины, направленных на возвращение США на Луну, а также на разработку новых способов питание и обогрев космических кораблей, когда солнечная энергия нецелесообразна, и ожидается больше проектов, поскольку стремление исследовать космос и использовать его ресурсы продолжается.

Опыт работы исследователя

Ахмед присоединился к факультету машиностроения и аэрокосмической техники UCF, входящего в состав Колледжа инженерии и компьютерных наук UCF, в 2014 году. Он также является преподавателем Центра передовых исследований в области турбомашин и энергетики и Флоридского центра. для Advanced Aero-Propulsion. Более трех лет он проработал старшим инженером по аэро- и теплотехнике в компании Pratt & Whitney, производящей военные двигатели, работая над передовыми программами и технологиями двигателей. Он также работал преподавателем в Университете Олд Доминион и Университете штата Флорида. В UCF он возглавляет исследования в области двигателей и энергетики с приложениями для производства электроэнергии и газотурбинных двигателей, реактивных двигателей, гиперзвука и пожарной безопасности, а также исследования, связанные с наукой о сверхновых и COVID-19.управление трансмиссией. Он получил докторскую степень в области машиностроения в Государственном университете Нью-Йорка в Буффало. Он является научным сотрудником Американского института аэронавтики и астронавтики, а также научным сотрудником исследовательской лаборатории ВВС США и научным сотрудником Управления военно-морских исследований.

Мецгер получил степень бакалавра электротехники в Обернском университете, а также степень магистра и доктора физики в UCF. До прихода в UCF в 2014 году он почти 30 лет проработал в Космическом центре имени Кеннеди НАСА.

Кинзел получил докторскую степень в области аэрокосмической техники в Пенсильванском государственном университете и в 2018 году поступил на работу в Департамент машиностроения и аэрокосмической техники UCF, входящий в состав Колледжа инженерии и компьютерных наук UCF. Он также является членом Центра передовых турбомашин и энергетики UCF. Исследовательская работа.

Квок получил докторскую степень в области аэрокосмической техники в Калифорнийском технологическом институте. В 2017 году он присоединился к кафедре машиностроения и аэрокосмической техники UCF, входящей в состав Колледжа инженерии и компьютерных наук UCF.

Колледж инженерии и компьютерных наук
пространство
Космический институт Флориды
Кафедра машиностроения и аэрокосмической техники
Центр передовых исследований в области турбомашиностроения и энергетики

Испытание передовых космических двигателей здесь, на Земле

U-M является членом нового института стоимостью 15 миллионов долларов, занимающегося совершенствованием физического моделирования передовых двигателей для пилотируемых космических исследований.

Автор: Николь Казаль Мур

12 мая 2021 г.

Бен Джорнс

Доцент кафедры аэрокосмической техники

Алекс Городецкий

Ассистент профессора аэрокосмической техники

Алек Д. Галлимор

Роберт Дж. Власик Декан инженерного факультета, профессор Ричард Ф. и Элеонора А. Таунер, профессор Артура Ф. Турнау и профессор аэрокосмической техники

Джон Фостер

профессор Ядерная инженерия и радиологические науки и профессор аэрокосмической техники

ЭКСПЕРТЫ:

Инженеры Мичиганского университета играют важную роль в новом центре НАСА стоимостью 15 миллионов долларов, который будет разрабатывать более эффективные способы тестирования усовершенствованных космических двигателей, которые однажды смогут доставить людей к Луна, Марс и не только.

Объединенный институт перспективных двигателей (JANUS) со штаб-квартирой в Технологическом институте Джорджии возглавляет выпускник Университета Массачусетса Митчелл Уокер, профессор Школы аэрокосмической инженерии Дэниела Гуггенхайма в Технологическом институте Джорджии. Его содиректором является Бен Джорнс, доцент кафедры аэрокосмической техники Университета Массачусетса. В нем участвуют несколько других преподавателей и выпускников UM.

Скотт Холл, бывший докторант в области аэрокосмической техники в Мичиганском университете, регулирует рекордный двигатель X3 в Исследовательском центре Гленна НАСА в 2017 году. Фото: НАСА

«Мы очень рады быть частью этой команды и с нетерпением ждем ответа на важный вопрос о том, как вы будете тестировать эти двигатели нового поколения. Это важный шаг к продвижению этой технологии для исследования дальнего космоса», — сказал Йорнс.

Институт будет развивать технологии электрических двигателей, включая двигатели Холла и ионные двигатели с сеткой.

Электрические силовые установки чрезвычайно эффективны. Они используют энергию внешних источников энергии, таких как солнце или ядерные реакторы, для ионизации или положительного заряда газового топлива, такого как ксенон. Затем ионы ускоряются и выталкиваются из двигателя, разгоняя космический корабль до скорости, которая может достигать 200 000 миль в час, как описывает НАСА. Эти системы могут стоить меньше, нести больше и использовать до 9На 0 % меньше топлива, чем в типичных химических двигателях. В настоящее время они используются в спутниках и роботизированных миссиях, но НАСА присматривается к более мощным версиям для исследования Солнечной системы человеком.

Большой вакуумный испытательный стенд в Лаборатории плазмодинамики и электрических двигателей Мичиганского университета является крупнейшим в своем роде объектом в любом университете страны. Фото: Джозеф Сюй/Michigan Engineering

Двигатель Холла UM — самый мощный

UM уже давно является лидером в этой области благодаря Лаборатории плазмодинамики и электрического движения (PEPL), основанной в 1992 году Алеком Д. Галлимором, деканом инженерного факультета Роберта Дж. Власика, профессором Ричарда Ф. и Элеоноры А. Таунер. , профессор Артура Ф. Турнау и профессор аэрокосмической техники. Галлимор и Йорнс в настоящее время совместно руководят лабораторией.

Его двигатель Холла X3 держит рекорды по рабочему току, мощности и тяге. А PEPL является домом для крупнейшего в своем роде вакуумного испытательного центра в любом университете страны.

Но чтобы продолжать развивать технологию, исследователям нужны новые подходы к тестированию систем на Земле.