В беспилотных, боевых самолетах и крылатых ракетах применяются надежные и простые в конструкции ракетно-прямоточные двигатели. Сейчас в энергетических системах используются разные виды топлива, которые в данном типе двигателя приводят к определенным недостаткам, например, невозможности многократного запуска и низким эксплуатационным характеристикам. Поэтому актуален поиск других способов повышения эффективности ракетно-прямоточного двигателя. Для этого ученые Пермского Политеха подобрали оптимальный состав нового гранулированного топлива, который усовершенствует работу летательного аппарата.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», № 74, 2023. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Конструкция ракетно-прямоточного двигателя отличается простотой и минимальным количеством составляющих элементов. Его тяга обеспечивается сгоранием топлива и образованием реактивного потока. Установка состоит из диффузора, камеры сгорания и сопла, а также вспомогательных систем подачи топлива и зажигания. Такие двигатели устанавливают на крылатых ракетах, летающих мишенях и непилотируемых самолетах, летающих со скоростью в пределах от 2 до 5 маха (2400-6100 км/ч).
Известные типы топлива — жидкое и твердое усложняют конструкцию ракетно-прямоточного двигателя, ограничивают возможность в регулировании тяги и многократного запуска. У установки на гранулированном топливе более простая и доступная конструкция. Она совмещает в себе плюсы альтернативных горючих, можно регулировать расход топлива и тягу в широком диапазоне, включать и выключать установку.
— Топливо имеет форму гранул, что обеспечивает ему текучесть и возможность регулирования расхода при подаче. Сама гранула представляет собой частицу окислителя, покрытую слоем горючего. Такого смешения трудно добиться при раздельной подаче. Также объединение компонентов топлива снижает требуемое количество подаваемого воздуха в камеру дожигания, что позволит применять такой двигатель на большой высоте, в неплотных слоях атмосферы, — рассказывает аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Григорий Доткин.
В настоящее время гранулированное топливо не используется в двигателях ракетно-прямоточного типа. Ученые Пермского Политеха доказали, что это возможно и эффективно, однако важно подобрать оптимальный состав горючего, который обеспечит безопасность, надежность и высокие эксплуатационные характеристики летательного аппарата. В рамках исследования политехники выбрали широко применяемые компоненты ракетных топлив (октоген, перхлорат аммония, сополимер дивинила) и малоизвестные, но перспективные компоненты (азепины) с высоким теплосодержанием — это количество тепловой энергии, которое выделяется при сгорании единицы топлива.
Политехники провели индивидуальные расчеты веществ и их различных комбинаций, определили для них все необходимые параметры — температуру, плотность, массовую долю. Для подбора подходящего состава топлива в специальной программе рассчитали поведение данных комбинаций в процессе работы летательного аппарата при высоте в 30 километров.
В результате изучения различных топливных составов ученые сформулировали критерии, определяющие эффективность работы двигателя на гранулированном топливе. К ним относится устойчивая температура горения в газогенераторе, плотность топлива, соотношение расходов воздуха и топлива для увеличения высоты полета и одна из важнейших характеристик эффективности двигателя — удельный импульс, отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива. Еще важно учитывать содержание конденсированной фазы — твердых частиц в газообразных продуктах сгорания, ученые стремятся их минимизировать, так как они отрицательно влияют на конструкцию двигателя, не расширяются в сопле и приводят к потере тяги.
— В итоге все рассмотренные нами составы на основе освоенных компонентов имеют низкое значение отношения расходов воздуха и топлива, что позволит эксплуатировать летательный аппарат с таким типом двигателя в неплотных слоях атмосферы (выше 30 км). Топлива на основе азепинов, при их содержании около 80%, хотя и обладают высоким удельным импульсом, но не отвечают остальным критериям, — поделился доктор технических наук, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Владимир Малинин.
Политехники отмечают, что составы на основе октогена и перхлората аммония при определенной массовой доле окислительных компонентов (60-80%) удовлетворяют всем критериям. Значит, их использование в составе нового топлива в виде гранул увеличит эффективность двигателя и усовершенствует работу летательного аппарата.
Ранее гранулированное топливо в ракетно-прямоточных двигателях не использовалось. Исследование ученых ПНИПУ доказывает, что это возможно. Большая высота полета (более 30 км) летательных аппаратов и многократный запуск увеличат дальность полета и уменьшат количество требуемого горючего. Разработанная схема двигателя и выбранный для нее состав гранулированного топлива — это перспективное решение для применения в беспилотниках и крылатых ракетах.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60% — региональные университеты.