Специалисты Пермского Политеха разработали эффективный состав топлива в виде гранул для ракетных двигателей. Такая форма обеспечивает ему текучесть и возможность регулирования расхода при подаче. Сама же гранула — это частица окислителя, покрытая слоем горючего.
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», — рассказал аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Григорий Доткин.
Гранулированное топливо пока 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.
Ученые 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.
Изучая различные топливные составы, 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», — отметил профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Владимир Малинин.
В пресс-службе ПНИПУ отметили, 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.
Политехники доказали, что использование гранулированного топлива в ракетно-прямоточных двигателях — 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.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», № 74, 2023. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
.png)
.jpg)
