Понедельник, 29 Ноября 2021

Челябинские ученые близки к тому, чтобы построить многоразовый космический корабль будущего

01.10.2021 Корреспондент: Светлана Николаева, Евгений Быстрый Фото: Людмила Ковалева, Дмитрий Куткин

На Урале сегодня проведут испытания супердвигателя для многоразовой ракеты. Переворот в ракетостроении и освоении космоса готовы сделать, потому что придумали, как летать «на внешней тяге» и возвращать ракеты с двигателем «наизнанку» на Землю. Подробнее о том, где и как состоится "космический тур", - в материале "Губернии".

Есть ли у человечества шанс выйти из «земной колыбели» и покорить дальний космос? Сегодня ракеты одноразовые, и даже если полетят к дальним мирам, вернуться обратно не смогут. Значит, пора в корне менять подход: вместо многоступенчатых ракет создавать их «в одну ступень», с прицелом на посадку. Возможно ли создать такой космический корабль многоразового использования? Это, как уже сообщала «Губерния» ранее в статье Челябинские ученые придумали, как возвращать ракеты на Землю (gubernia74.ru), было главной темой «Большой редакции», спикером которой выступил доктор технических наук, профессор, проректор ЮУрГУ, директор политехнического института Сергей Ваулин. Сегодня, в день испытаний, рассказываем подробности. 

243158188_3100964360228009_6758706407569026162_n.jpg

Как тебе такое, Илон Маск?

Челябинские ученые действительно собираются удивить Илона Маска. Как известно, американский предприниматель-изобретатель когда-то поставил перед собой цель в десять раз уменьшить затраты на космические полеты. Он заявил, что его компания надеется в 2020-2025 годах совершить полет на Марс. В прошлом году прошел пилотируемый полет космического корабля Илона Маска, первая ступень корабля успешно вернулась на Землю и приземлилась на плавучую платформу в Атлантическом океане, а сам корабль успешно вышел на орбиту и состыковался с МКС. (А в этом году Маск шокировал публику, заявив о намерении построить на Марсе автономный город.) Но наши, российские, ученые намерены пойти дальше – создать корабль, способный сотни раз взлетать и приземляться в атмосфере, с перспективой выхода в дальний космос.

Профессор Сергей Ваулин поделился первыми результатами амбициозного проекта Уральского межрегионального НОЦ «Передовые производственные технологии и материалы» (в нем участвуют Челябинская, Свердловская и Курганская области) по созданию демонстратора двигателя для многоразовой ракеты. Его испытания пройдут сегодня, 1 октября в Нижней Салде (Свердловская область) на площадке АО «Научно-исследовательский институт машиностроения». Будут произведены демонстрационные пуски двигательной установки с центральным телом, состоящей из 16 ракетных двигателей на жидком топливе, которые объединены в единую систему.  

- Запуск нашего проекта во многом стал возможен благодаря поддержке губернатора Челябинской области Алексея Текслера, - отметил Сергей Ваулин.- По его поручению правительство области выделило на это 70 миллионов рублей, еще пять миллионов направил вуз и три миллиона – федеральный центр. Этот проект может сделать переворот в ракетостроении, освоении космоса. Дело в том, что из традиционных многоступенчатых ракет на землю спускается мизерная часть – остальное сгорает при выводе на орбиту. Уходят огромные средства, каждый раз ракету приходится строить заново. Мы же задумали создать многоразовый аппарат всего из одной ступени, и уже выходим на финишную прямую. 

По словам ученого, это демонстратор принципиально новой двигательной установки с центральным телом, системы управления и контроля с искусственным интеллектом ракетно-космического комплекса, с полностью многоразовой ракетой-носителем и универсальной космической платформой. Как пояснил Сергей Ваулин, многоразовую ракету-носитель не раз пытались создать и в нашей стране, и за рубежом. Примерами тому служат американский шаттл и советский «Буран», которые, хоть и не полностью, но возвращались на Землю. При этом они, подобно самолетам, планировали в атмосфере и садились с весьма приблизительной точностью, «теряя» до 80 % первоначальной массы. Эти проекты были очень дорогостоящими и малоэффективными, и тогда зашли в тупик. Но сейчас технологии ушли далеко вперед, появилась возможность построить многоразовый космический корабль будущего. Эту идею продвигали в ГРЦ им. В. П. Макеева, запустив в свое время проект «Корона», но он был заморожен, а теперь идею возродили в рамках межрегионального НОЦ мирового уровня. 

Двигатель «наизнанку» 

- Для создания такой ракеты нужен особенный реактивный двигатель,- пояснил Сергей Ваулин.- Чем меньше давление окружающей среды, тем больше должно быть его сопло для выхода нагретых газов. Их особенность в том, что струя продуктов сгорания при расширении взаимодействует с окружающей средой, подстраиваясь под наружное давление. При классической схеме сопло Лаваля работает без потерь лишь при одной величине наружного давления. Между тем при наборе высоты оно падает, поэтому сегодня используют многоступенчатые ракеты-носители, ступени которых отделяются в ходе взлета ракеты. Изменяющаяся геометрия, лепестковая конструкция проблему не решат, нужен был совершенно новый подход. И мы сконструировали необычный двигатель – с внутренним центральным телом и соплом внешнего расширения. Его потери не зависят от давления воздуха. Отсюда и большее «кпд двигателя», удельный импульс, на протяжении всего полета.

Этот супермотор имеет сопло внешнего расширения с центральным телом. Двигатели такого типа как бы «вывернуты наизнанку»: сопло находится снаружи, а агрегаты внутри. Как показало компьютерное моделирование работы, потери при этом минимальные. Правда, трехсоттонную «Корону» он не потянет, но для ракет небольших размеров его тяги вполне хватит. Он как бы подстраивается под давление внешней среды. Наш «челнок» во многом даже превосходит многоразовый Starship Илона Маска, который возвращается на Землю лишь частично.

Зарубежные ученые не раз пытались создать такой двигатель нового поколения, в США разрабатывали 16-камерный ракетный «мотор», работающий на кислороде и спирте, но пока неудачно. А уральцы в рамках проекта УМНОЦ, в коллаборацию которого вошли ГРЦ им. В. П. Макеева, ЮУрГУ и «Научно-исследовательский институт машиностроения», сумели сконструировать экспериментальную модель демонстратора, построить ее и довести до испытательной стадии.

- Пробные пуски прошли успешно, и наш двигатель, построенный под патронажем ГРЦ в НИИ машиностроения, на его площадке в свое время испытывали тяговые установки «Бурана», показал себя с самой лучшей стороны,- продолжает ученый.- Правда, в ходе создания «внешнего» двигателя в вузовской лаборатории поначалу не все шло гладко, три образца сгорели. В итоге мы пришли к идее сборки из 16 двигателей, установленных «по кольцу» вокруг центрального тела. Теперь, после доработки, эта система обрела надежность, и мы решили показать пуск демонстратора широкой общественности. 

87c98c71fcb604445fa2f18ad5c70f72.jpgРакету посадит «машина»

По словам Сергея Ваулина, при этом пришлось еще и решить проблему создания сверхпрочных топливных баков. В качестве «горючего» будет служить топливная пара – кислород и водород, соединение которых, если не обеспечить надежную защиту, может привести воспламенению и аварии. Они будут   в жидком состоянии, при криогенных температурах – 183 и – 253 соответственно. Правда, для демонстратора пока предусмотрели промежуточный вариант – «топливом» будет служить безопасный жидкий азот, охлажденный до – 196 градусов. А проблему надежности стенок топливных баков решили, придумав многослойный «композит», выдерживающий колоссальное давление и температуру. Гостям «космического тура» продемонстрируют фрагменты топливного бака из композитных материалов. Это многослойная конструкция, состоящая из 5-6 слоев, которые обеспечивают теплозащиту.

- Кроме того, пройдет апробацию и «умная» система управления,- отметил ученый.- Модель ракеты будет подниматься над поверхностью Земли и опускаться по установленным координатам. Создаваемый нашими учеными демонстратор системы управления даст возможность проверить будущую посадку «челнока» на установленную площадку. Искусственный «машинный» интеллект вернет его на Землю с ювелирной точностью. А в перспективе многоразовая ракета-носитель, уже в увеличенном размере, сможет поднимать «с Земли» груз массой 8 тонн, а «с морского старта» - 12 тонн.

Сегодня Россия из-за санкций Запада может потерять большую долю «орбитального» рынка, а уральский проект с подстраиваемой под требования заказчика космической платформой позволит восполнить эту нишу. Этот «челнок» сможет, намного удешевляя такие «перевозки», доставлять грузы на 500 км от поверхности Земли! По планам его создателей, одноступенчатая ракета-носитель будет полностью возвращаемой, способной совершать многоразовые полеты. Причем стоимость выведения на орбиту - в четыре раза ниже, чем у западных конкурентов. Уменьшен и срок подготовки запуска «челнока» — 24 часа против 4-6 месяцев.

Как добавил Сергей Ваулин, такой аппарат при посадке способен выдержать ударную волну и «звездную» температуру – до 12 тысяч градусов. Испытывающие меньшую нагрузку узлы возвращаемой ракеты можно будет использовать до 100 раз, при средней нагрузке – до 50, а при максимальной – до 25 раз. Но уже появляются новые материалы, способные намного продлить ее «жизнь». 

«Оседлать» атом и ион!

- В нашей команде около 100 разработчиков самого разного профиля, - делится ученый. - Они создавали двигатель космического аппарата, топливные баки, систему управления с искусственным интеллектом. В этом нам помогали научные эксперты из Сколково. Добавлю, что наш проект может дать толчок созданию новых материалов с заранее заданными свойствами, «умных» систем управления, навигации и лазерного прицеливания. Эти ноу-хау могут найти применение в самых разных сферах. Причем они послужат и развитию экологически чистой и сверхмощной водородной энергетики, мы узнаем, как этот самый распространенный в природе газ взаимодействует с металлом.

К разработке прорывного проекта привлекли студентов и аспирантов из молодежного конструкторского бюро. Они начали с создания модели космического аппарата для посадки на астероид, чтобы защитить Землю от метеоритной угрозы (что она вполне реальна, показало «пришествие» в 2013 году челябинского болида), а потом в рамках проектного обучения подключились и к проектированию многоразовой ракеты.

- России нужны свои научные кадры - молодые, амбициозные, и мы делаем все, чтобы выпускники вуза не уезжали за границу, оставались на родине, - подытожил Сергей Ваулин.- К примеру, из-за санкций нашим ученым приходится самим разрабатывать новые материалы, ни в чем не уступающие западным аналогам. Наша молодежь, творческая, ищущая, и уверен, ей будут по силам еще более масштабные проекты. Созданный хоть и принципиально новый, но все же жидкостный двигатель, работает по привычному реактивному принципу. Но уже на подходе и атомные, и так называемые электрические космические «моторы», в том числе на ионной тяге. Они в разы мощнее реактивных, способны развивать скорость в десятки километров в секунду. И все же у них есть и свой минус – для разгона ионов нужна огромная энергия. Решение этой проблемы будет по силам нашим растущим талантам.

 

Другие материалы рубрики
12:16 Южноуральские ученые помогут сократить смертность в пандемию?

Нейтрофилы и криобанк: как в челябинском НИИ иммунологии изучают коронавирус. Ученые во всем мире бьются над решением задач, которые помогут остановить пандемию COVID-19, снизить заболеваемость и найти панацею от опасной болезни, которая, по последним данным, унесла жизни более пяти миллионов человек во всех странах. На Южном Урале тоже проводят уникальные исследования и создают запас биологических материалов. Более 1000 образцов клеток крови, собранных челябинскими учеными в клинических больницах, становятся базой изучения COVID-19. Они позволяют понять молекулярно-генетические, гуморальные и клеточные механизмы формирования иммунитета к COVID-19 и применять полученные знания для борьбы с опасным заболеванием на практике.

15:38 Денис Винник: «Диссертации теперь защищают в более раннем возрасте»

Председатель Совета молодых ученых и специалистов Челябинской области рассказал, о чем еще 15 лет назад и не мечтали, сколько грантов может получить один человек и нужен ли молодым ученым на Южном Урале миллион рублей

15:34 Уникальная находка археологов на Южном Урале: знатный воин раскрывает тайны тысячелетней давности

Историческое открытие проливает свет на отношения двух «Венгрий»: европейской и зауральской

Возврат к списку