СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

MODERN SCIENTIFIC RESEARCH ON IMPROVING THE LIQUID ROCKET ENGINE

Nikolay Kaushan

student, Department of Aircraft Engines, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В качестве цели настоящей статьи определена необходимость отражения основных тенденций ближайшего будущего развития ракетостроения ведущих мировых держав. В качестве метода использованы общенаучные методы анализа, обобщения, сравнения. Результаты научных изысканий позволили говорить о необходимости совершенствования жидкостных ракетных двигателей, так как возможности перейти на новый уровень технологий на практике нет. Исследования российских ученых, проводимые на базе отраслевых НИИ и конструкторских бюро соответствующего профиля, показали, что жидкостные ракетные двигатели остаются основными для перспективных средств выведения летательных аппаратов на орбиту в ближайшие 20 лет.

ABSTRACT

The purpose of this article is to determine the need to reflect the main trends in the near future development of rocket science of the leading world powers. The general scientific methods of analysis, generalization, and comparison are used as a method. The results of scientific research made it possible to talk about the need to improve liquid rocket engines, since there is no possibility to move to a new level of technology in practice. The research of Russian scientists conducted on the basis of industry research institutes and design bureaus of the corresponding profile has shown that liquid rocket engines remain the main ones for promising means of launching aircraft into orbit in the next 20 years.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель; перспективные разработки; проектирование.

Keywords: liquid rocket engine; advanced developments; design.

Решение перспективных задач Федеральной космической программы требует создания и модернизации средств выведения легкого, среднего, тяжелого и сверхтяжелого классов. Специалисты отмечают особое значение национальной безопасности с учетом приоритета космической отрасли [7]. Современные научные публикации позволяют говорить о том, что недавнее прошлое, как и перспективы, связаны с совершенствованием жидкостных ракетных двигателей в ракетном машиностроении. Необходимо отметить, что в основе действия жидкостного ракетного двигателя лежит химическая реакция жидкого топлива, в качестве которого выступает, например, сжиженный газ.

В целом, в качестве перспективных направлений использования ЖРД ученые Исследовательского центра им. М.В. Келдыша совместно с ЦНИИМаш выделили следующие технологии [1]:

• использование сжиженных природных газов (СПГ) в качестве универсального, экологически чистого горючего;
• применение новых схем двигателя, в частности с дожиганием восстановительного генераторного газа, и эффективных систем охлаждения камер сгорания;
• использование высокоэффективных систем контроля качества и надежности двигателей в производстве;
• применение новых рациональных схем трехкомпонентных ЖРД.

Космические технологии требуют качественного скачка, который позволит использовать взрывные процессы, переход на ультразвуковые частоты рабочих циклов, отсутствие механической клапанной решетки двигателя. Л.В. Панкова отмечает, что «космические технологии – особая сфера научно-технологического развития, что связано не только с их высокой наукоемкостью, но и с необходимостью определения ближайших и долгосрочных перспектив [9]. В обозримой перспективе, до 2040 года, Россия, несмотря на кризисное состояние космической отрасли к началу третьего десятилетия, остается одной из ведущих космических держав. У государства имеется требуемая для продолжения развития инфраструктура: космодромы, производственная база, система подготовки кадров, имеющийся опыт создания и эксплуатации космических станций (Мир, МКС). Кроме того, специалисты изучают возможности использования новых ракетных топлив. Такие изыскания в настоящее время ведут специалисты ФГУП «РНЦ «Прикладная химия» (ГИПХ) [8].

Научные публикации, связанные с перспективами ракетостроения, связаны с развитием интеграционных процессов в данной сфере: «пути совершенствования жидкостных ракетных двигателей в значительной мере зависят от космической политики мировых и региональных держав и публикации специалистов отражают опыт исследований в США, Китае, России, а также в ряде региональных держав: Иране, Индии, Японии, Израиле и Северной Корее» [6].

Так, в качестве основы технологических изысканий в разных странах специалисты используют:

1. В  Китае специалисты ближайшие перспективы связывают с ракетами легкого класса Newline-1, разрабатываемой частной компанией Linkspace. Ракета состоит из двух ступеней, первая из которых сможет возвращаться на Землю и использоваться повторно, подобно американской Falcon 9, а RLV-T5 имеет длину 8,1 метров и диаметр 65 см., укомплектована пятью жидкостными двигателями, которые работают на этаноле и сжиженном кислороде [5]. Совершенствуя свои конструкторские разработки в разных направлениях освоения космического пространства, китайские ученые основываются на использовании ЖРД.

2 Иранские специалисты сосредоточились на создание ракеты-носителя (РН) Сафир, которая представляет собой двухступенчатую ракету с ЖРД. В качестве компонентов топлива используется окислитель АК-27И (на основе азотной кислоты) и углеводородное горючее – ТМ-185 [5].

3 Японская космонавтика связывает свои ближайшие перспективы с испытанием построенной в 2020 году новой ракеты компанией Mitsubishi Heavy Industries. Базовая структура ракеты включает усовершенствованный жидкостной двигатель.

Специалисты предлагают современные расчеты, связанные с использованием современных отечественных ракет-носителей различных классов, описывая возможности жидкостного ракетного двигателя [11]. Кроме того, продолжаются экспериментальные и теоретические исследования, связанные с процессами моделирования характеристик процесса матричной конверсии метан-кислородной смеси при введении в нее добавок водорода, монооксида углерода, синтез-газа и водяного пара [4].

Перспективы использования ЖРД связаны с использованием:

• кислородно-метановых ЖРД, которые наиболее востребованы в российской космической отрасли. Использование кислородно-метанового топлива обусловлено доступностью и относительной дешевизной российского природного газа, а также экологическими преимуществами его применения;
• трехкомпонентного двигателя как основы создания ЖРД нового поколения. Основным преимуществом трехкомпонентных ЖРД по сравнению с двухкомпонентными кислородно-водородными двигателями является возможная экономия и большая эффективность;
• возможность создания жидкостно-воздушного ракетного двигателя (ЖВРД). Специалисты полагают, что «ЖВРД следует рассматривать в первую очередь как перспективный двигатель для одноступенчатых многоразовых воздушно-космических систем» [2];
• использование различных добавок, например, бериллия и лития, позволяет повысить эффективность жидких ракетных горючих [3].

При этом с учётом обеспечения транспортировки и возможности наземной отработки объектов ракетно-космической техники принимается модульный принцип построения средств выведения с применением более эффективных криогенных топливных пар в двигательных установках (ДУ):

• кислород-керосин,
• кислород-сжиженный природный газ (СПГ),
• кислород-водород [10].

В заключение следует говорить о том, что, не смотря на сложные экономические условия, в значительной мере утраченные позиции в мировой космической науке, потенциал в научной сфере развития центра ракетно-космической промышленности, тем не менее, имеется. В том числе, в значительной степени продвигаются практические испытания с целью выявления перспективных компонентах топлива.

Список литературы:

1. Алтунин В.А. Некоторые пути повышения эффективности жидких и газообразные углеводородных и азотосодержащих горючих для двигателей летательных аппаратов // Тепловые процессы в технике. – 2019. – № 10. – С. 453-479.
2. Алтунин В.А. Некоторые пути повышения эффективности углеводородных и азотосодержащих горючих космического применения // Журнал «Военмех. Вестник БГТУ». – 2019. – № 55. – С. 424-429.
3. Алтунин В.А. Анализ путей повышения эффективности жидких горючих двигателей и энергоустановок // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли. – 2018. – С. 326-330.
4. Влияние добавок водорода, монооксида углерода, синтез-газа и водяного пара на характеристики матричной конверсии богатых метан-кислородных смесей / В. И. Савченко, А. В. Никитин, А. В. Озерский [и др.] // Нефтехимия. – 2020. – Т. 60. – № 4. – С. 538-547
5. Ганиев Т.А. Космическая политика мировых и региональных держав / Т.А. Ганиев, В.В. Карякин : монография. – М.: Архонт, 2020. – С.55
6. Кожемякин С. А. Передовой опыт использования жидкостных ракетных двигателей // Аллея науки. – 2021.– № 1(52). – С. 34–37
7. Кравченко Р. С. Национальная безопасность с учетом приоритета в космической деятельности // Государственное и административное управление, право, цифровизация в экономике, бизнесе, культуре и образовании: молодежный взгляд : тезисы докл. всерос. науч.-практ. конф. – Тула, 2021. – С. 47–49
8. Новиков И. И. Разработка ракетных топлив нового поколения и их возможное применение // XLIII Академические чтения по космонавтике : сб. тезисов. – Москва: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, 2019. – С. 73-75
9. Панкова Л. В. Космическое измерение инновационно-технологического прорыва // Мировая экономика и международные отношения. – 2020. – Т. 64. – № 11. – С. 62-73
10. Сизяков Н.П. Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности: основные направления производственной и научной деятельности // Полёт. – 2019. – № 12. – С. 3-8
11. Стельмах С. Ф. Анализ состояния разработки и перспектив применения ракеты-носителя «Союз -5» // Известия Института инженерной физики. – 2021. – № 2(60). – С. 10-15