Безопасность, Технологии | Олег Брагинский
20 февраля 2025 года объявили об успешных огневых испытаниях элементов жидкостного ракетного двигателя российской разработки, уникальность которого заключена в топливной паре СПГ–жидкий кислород и технологии изготовления – селективного лазерного сплавления.
Цель тестов – верификация технологий SR Space и рассчитанных параметров, определение дальнейшей стратегии развития, укрепление и развитие связей с подрядчиками.
Верхнеуровневая задача состоит в разработке многоразовых космических ракетных комплексов лёгкого и сверхлёгкого классов для обеспечения укомплектованности отечественного парка средств выведения. Преимущества СПГ в паре с кислородом по сравнению с парой керосин–кислород:
- более высокий удельный импульс: при том же количестве топлива даёт больше тяги
- доступность термодинамических свойств для точного проектирования
- чистота сгорания: не образуется сажа, затрудняющая обслуживание
- более эффективное охлаждение камеры сгорания
- меньшая цена продукта.
Преимущества аддитивных технологий, в том числе селективного лазерного сплавления: гибкость и скорость производства, возможность изготовления более сложных конструкций, недоступных к изготовлению на традиционном оборудовании классическими методами металлообработки.
Анализ рынка и мировых тенденций подтвердил правильность выбранного вектора движения команды: за рубежом в существующих и проектируемых многоразовых ракетах применяют СПГ в роли горючего и 3D-печать, как технология производства некоторых конструкционных элементов.
Данный двигатель создаётся и испытывается как опытный образец для развития и подтверждения компетенций разработчиков: положил начало для следующих изделий с большей тягой, которые будут интегрированы в состав двигательных установок запланированных многоразовых носителей.
Горючее
Применение СПГ прогнозировали ещё в ХХ веке в эпоху космической гонки между СССР и США, в учебных, научных и инженерных материалах многократно подчёркивалась перспективность, в том числе для путешествий в дальний космос. Сегодня можно констатировать: прогноз сбылся.
В связи с широким вниманием к теме достигнутые успехи интуитивно связываются с успехами зарубежных компаний: SpaceX, Blue Origin, Relativity Space, Rocket Lab, LandSpace, которые продвинулись гораздо дальше и уже испытывают ракеты в полёте.
Одной из важнейших задач стало обеспечение чистоты и однородности состава СПГ: протекающие в двигателях процессы сопровождаются изменениями давления и температуры в больших диапазонах, что является критичным для протекаемой в магистралях смеси.
Каждая фракция (метан, пропан, бутан) обладает уникальными термодинамическими свойствами, что при их высоком содержании от малейшего влияния нерасчётного случая может привести к нештатным и некотролируемым процессам, а впоследствии – к аварии и потере изделия.
На данный момент огневые испытания проводятся с газообразными компонентами топлива, при этом обеспечиваемая чистота подаваемой в камеру сгорания смеси соответствует 95% метана:
По мере изготовления и добавления в сборку других элементов двигателя, а также перехода к жидким компонентам топлива может возникнуть требование по увеличению молярной доли метана.
Уже проводим анализ возможных составов СПГ на основе требований нормативной документации, возможностей отечественного производства и исторического развития газовой отрасли. Предварительные результаты показывают достаточность теоретической и материальной базы.
При успешном взаимодействии с производителями и поставщиками горючего следующая задача формируется в виде оценки потребности в собственной производственной базе, целесообразность которой напрямую зависит от размещения точек старта и прогнозируемой частоты пусков ракет.
Следует отметить и актуальность метана в марсианской гонке: его возможно синтезировать реакцией Сабатье с использованием воды на поверхности и углекислого газа в атмосфере планеты.
3D-печать металлом
В методе селективного лазерного сплавления, или SLM (Selective Laser Melting), лазер используется для сплавления металлического порошка и получения изделий сложных форм:
Механическая постобработка осуществляется на стандартном оборудовании и обеспечивает удовлетворение требуемых конструкторской документацией предельных отклонений размеров, допусков формы и расположения поверхностей, а также шероховатостей. Далее следует сборка:
Напечатанными являются камера сгорания, основной элемент двигателя, и форсуночная головка. Эти компоненты требуют высокой точности, имеют сложную геометрию внутренних полостей и каналов. Материалом для печати выбрали жаропрочный никель-хромовый сплав Инконель 718:
Данную технологию применили для сокращения времени изготовления и задействования потенциала наименьших габаритов и массы получаемого в результате изделия. Основными ограничениями стали размеры печатной области и количество доступных рабочих мест:
Важной задачей является освоение SLM и механической обработки в рамках создания собственной производственной площадки. Это позволит сократить расходы на внешних подрядчиков и ускорить процесс разработки и изготовления других опытных образцов – не только элементов двигателя.
Данная технология позволит производить наиболее эффективные конструкционные элементы и в других составных частях космического ракетного комплекса – как в наземной инфраструктуре, так и в средствах выведения, что также подтверждается практикой зарубежных компаний в этой сфере.
Выводы
История неоднократно демонстрировала долгосрочность разработки ракетно-космической техники, важность многочисленных проверок и испытаний, а также критичность выбранных технологий.
Достигнутые успехи отражают стратегическую правильность выбранных технических и организационных решений, а также подтверждают имеющиеся и освоенные компетенции команды.
С учётом полученных результатов планы по выводу полезной нагрузки на целевые орбиты собственными ракетами космического назначения становятся всё более реализуемыми.