На Урале провели испытания демонстратора двигателя для многоразовой ракеты-носителя

В Нижней Салде (Свердловская область) провели испытания демонстратора будущего двигателя для полностью возвращаемой ракеты-носителя. Пуск демонстратора — уменьшенной модели будущего двигателя — успешно проведен на площадке Научно-исследовательского института машиностроения (НИИМаш).

Проект двигателя разрабатывают НИИМаш, ГРЦ им. Макеева, НПО автоматики, ЮУрГУ и Уральский государственный университет.

Демонстратор (он был создан учеными Южно-Уральского государственного университета) состоит из 16 экспериментальных жидкостных двигателей для ракет (их разработали специалисты НИИМаш), собранных в некое подобие «короны» вокруг сопла. С помощью этой конструкции можно будет производить запуски ракеты каждые 24 часа, а не через несколько месяцев, как это происходит сейчас. К тому же, новый двигатель будет использовать водородное топливо, что в разы снизит время, затрачиваемое на подготовку полета.

В ходе испытаний модели были произведены демонстрационные пуски двигательной установки с центральным телом. Его главное отличие от традиционного реактивного в том, что сопло внешнего расширения находится не внутри, а снаружи центрального тела. Такому двигателю не страшны колоссальное давление и нагрев при посадке на Землю. Испытания удались. По мнению экспертов, пуск подтвердил высокую эффективность, надежность и безопасность «внешней тяги».

– Пуск прошёл успешно. Далее будем работать над переводом системы на топливную пару «водород-кислород». Уже сейчас чётко видно, что уральские учёные в этой сфере обладают компетенциями действительно мирового уровня, – отметил директор по развитию Уральского научно-образовательного центра Игорь Манжуров.

Планируется, что космический грузовик «Корона» начнёт регулярные ежедневные (!) рейсы на орбиту в 2030 году. Аббревиатура расшифровывается как «космическая одноступенчатая ракета – орбитальный носитель аппаратов». Ну и схема двигательной установки соответствующая: центральное тело в обрамлении камер сгорания.

Руководитель проекта, профессор ЮУрГУ Сергей Ваулин после испытаний сказал:

- Мы представляем вам начальный результат грандиозного проекта, который называется "Корона". Идею создать многоразовый корабль в свое время продвигали в ГРЦ им. В. П. Макеева, запустив даже проект «Корона», но он был заморожен. А теперь идею возродили в рамках межрегионального НОЦ мирового уровня. Он был создан в 2020 году, и те проекты, которые в нем сейчас реализуются, мирового уровня. Если бы не было соглашения трех губернаторов Свердловской, Челябинской и Курганской областей, сложно было бы представить, что мы дойдем до итогов сегодняшнего дня.

- Таких двигателей еще не было, в основном теоретические разработки, - продолжил профессор Ваулин. - У американцев не получилось запустить такой двигатель, а у нас получилось. Та же топливная пара, спирт+кислород. В чем здесь дело? Ракета «Корона» полностью многоразовая. Взлетает на своих двигателях и на них же возвращается. Такого в мире нет ни у кого. Хотел бы выразить огромную благодарность губернатору Челябинской области Алексею Текслеру, потому что он поверил в этот проект, поддержал его, выделил средства, чтобы финансировать работу.

Обсуждение (не мое)

Разработками клиновоздушных двигателей (или КВРД) занимались и в СССР, и в США и в других странах. И даже в начале "нулевых" была программа замены этими двигателями основных дигателей "Спейс Шаттлов". Однако и там не обошлось без популизма (и позже объясню, почему). Но, поскольку свернули проект шаттлов, то свернули и эти разработки новых двигателей. К слову, и здесь, и "там" разрабатывали КВРД разной формы - и "цилиндрические" и "плоские" или линейные.

Испытание двигателей для прототипов новых спейс-шаттлов

В линейном, вернее, в двигателе с поверхностью призмы, есть потери энергии с боков. Но чем шире конструкция, тем эти потери менее заметны.

В целом же считается, что такие двигатели могут иметь эффективность на 25-30% выше, чем существующие двигатели с соплом Лаваля. Сопло Лаваля - это расширяющееся сопло для сверхзвуковой реактивной струи:

Проблема этих двигателей с соплом Лаваля одна - они рассчитаны на определенное внешнее давление. Или, другими словами, эффективны для определенных высот. Поэтому от поверхности Земли до высот порядка 50-100 км (по-разному у разных ракет) на первых ступенях используют двигатели с одним расширением, а в дальше используют вакуумные двигатели с другим расширением потока.

В клиновоздушных двигателях роль "регулятора" степени расширения, играет сама атмосфера, ее давление. Если правильно подобрать форму клина, угол наклона первичной, выходящей из двигателей струи, по отношению к оси цилиндрического двигателя, можно получить устойчивые показатели тяги в атмосфере любой плотности. Вот примерная схема того, что происходит при разных давлениях:

Несмотря на то, что струя с повышением высоты и снижением давления расширяется, общая струя газов после клина продолжает иметь строго "вертикальное" направление, то есть не проихсодит потерь энергии и импульса. Это в идеале. В реальности возможны некоторые отклонения от идеала, но даже при этом эффективность должна быть выше, чем у сопла Лаваля.

Итак, испытание прототипа - замечательный шаг. Теперь о трудностях, которые ждут впереди.

Второе. Некоторые трудности.

Испытание, которое было проведено, согласно Дмитрию Конаныхину, популяризатору ракетно-космической науки и техники, проводилось на паре спирт-кислород. Как у ФАУ-2. Спирт дает другие параметры горения, чем керосин, и тем более, чем водород, на который надеются перейти создатели двигателя.

В целом это сложная задача со множеством неизвестных. Сколько лет (в лучшем случае) и сколько денег на это потребуется, мы не знаем. Поэтому об эйфории говорить рано. Несмотря на отличный результат.

Еще одним изменением при переходе на другие компоненты будет повышение температуры струи. А это будет требовать сложной системы охлаждения самого конуса.

Кроме того, испытания, которые проводились, проводились именно у поверхности Земли при давлении в одну атмосферу. Насколько удастся сохранить параметры при давлении в половину атмосферы? А в вакууме? Это еще один большой пласт испытаний и доработок, который обязательно нужно будет пройти.

Даже если будет создан прототип реального двигателя в течение ближайших нескольких лет, еще столько же уйдет на сертификационные испытания. Ну, а дальше уже будет видно. Так что путь впереди неблизкий. Но, несомненно, интересный!