Исследование физико-химических, газодинамических процессов и напряжённо-деформированного состояния двигательных установок с центральным телом для многоразовых ракет-носителей

Одним из главных критериев эффективности ракет-носителей является снижение стоимости доставки полезного груза на низкую околоземную орбиту. Одноступенчатая полностью многоразовая ракета-носитель, использующая криогенную кислород-водородную двигательную установку с центральным телом, имеет большой потенциал для этого. Потребность в исследовании принципиально нового типа жидкостного ракетного двигателя обусловлена тем, что работа на нерасчётных режимах традиционных сопл Лаваля приводит к значительным потерям энергетических характеристик современных двигательных установок, и при создании конструкций многоступенчатых ракет применяют двигатели различной высотности. Указанные особенности являются причиной увеличения массы современных ракет-носителей, сложности их конструкций и неэффективности работы на определённых высотах. Одноступенчатая ракета-носитель с двигателем с центральным телом не имеет этих недостатков и позволяет осуществлять многоразовое использование всей ракеты-носителя полностью. Сопло с центральным телом обладает свойством саморегулирования, то есть работает на расчётном режиме независимо от высоты полёта ракеты-носителя. Данное свойство позволяет существенно снизить стоимость вывода полезной нагрузки на орбиту, а также обеспечить возможность многоразового запуска ракеты-носителя. В настоящее время исследования газодинамических и тепловых процессов в жидкостных ракетных двигателях с центральным телом проводятся в различных научных центрах мира, однако верифицированных по данным огневых испытаний математических моделей в открытых источниках не обнаружено. Существующие исследования указывают на значительное преимущество двигательных установок с центральным телом в сравнении с аналогичными двигателями с соплом Лаваля. Исследования двигательных установок с центральным телом выявляют ряд особенностей газодинамических и тепловых процессов, требующих дополнительного изучения, тем самым актуализируя данную область научных исследований. Создание одноступенчатой полностью многоразовой ракеты-носителя возможно только при использовании совокупности новых научно-технических решений, среди которых широкое использование технологий программной намотки и выкладки композитных материалов на основе высокомодульных и высокопрочных волокон в конструкции стенки криобаков, приборного и грузового отсеков, а также силовых элементов двигательной установки. Теплонагруженные элементы двигательной установки будут изготавливаться методами аддитивных технологий из порошковых интерметаллидных составов и трехмерно армированных композитов с керамическими волокнами и керамической матрицей с нулевым тепловым расширением. Полагается, что корпусные элементы должны надёжно отработать не менее 100 полётов, а носовой конус и центральное тело двигателя должны иметь возможность замены через 20-25 полетов, поскольку эрозия поверхностей может сильно изменить динамику обтекания газовыми потоками этих тел и ухудшить лётные характеристики ракеты. Ультрамалоцикловое нагружение конструкции ракеты-носителя (100 циклов) требует расчётно-экспериментального обоснования для назначения рациональных значений коэффициентов запаса по прочности и устойчивости в условиях сложных нестационарных программ термосилового нагружения. При использовании криогенной кислород-водородной двигательной установки различные системы одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя будут работать в неблагоприятных условиях: при криогенных или высоких температурах, или же при очень высоком давлении. С одной стороны, компоненты многоразовой ракеты-носителя должны обладать наименьшей массой, а с другой – соответствовать предъявляемым требованиям по температуростойкости и химической стойкости. Низкие температуры могут приводить к охрупчиванию материалов, а высокие – к протеканию окислительных или восстановительных реакций при взаимодействии с кислородом или водородом. Кислород является сильным окислителем, а водород - сильным восстановителем для металлов из их оксидов при определённых значениях температуры. Водород способен взаимодействовать как с интерметаллидами, так и с различными композитными материалами. Развитие могут получить и процессы сорбции водорода, что может привести к образованию новых химических соединений, свойства которых разительно отличаются от конструктивно заданных. Стоит отметить и то, что водород характеризуется очень высокой теплотой сгорания, в несколько раз превышающей теплоту сгорания углеводородных топлив. Из-за высокой взрывоопасности, использование водорода в многоразовых ракета-носителях во многом зависит от решения задач по его хранению и подаче к кислород-водородной двигательной установке. В одних случаях, проблемы могут быть решены использованием специальных композитных материалов, а в других – покрытий, что стимулирует фундаментальные исследования в области взаимодействия газов и газовых смесей с ионами химических элементов, составляющими основу металлических, интерметаллидных или композитных материалов на границе раздела фаз при различных температурах для установления природы поверхностных явлений и протекающих процессов, которые в свою очередь будут определять основу применяемых материалов, их характеристики и пригодность к эксплуатации в многоразовых ракета-носителях. Исследования в данном направлении позволят скорректировать химический состав в соответствии с предъявляемыми требованиями и условиями эксплуатации, а также предотвратить появление внештатных ситуаций во время циклов многоразового использования ракеты-носителя. Ряд задач могут быть решены численным математическим, теплофизическим, а также термодинамическим моделированием равновесного состояния систем при определённых заданных параметрах. Другие же потребуют проведения прямых экспериментов для исследования кинетики (скорости) протекающих реакций в окислительных или восстановительных средах при взаимодействии с компонентами топлива, под воздействием температуры, а также при условиях, соответствующих процессам горения. Таким образом, изучение физико-химических и газодинамических процессов в двигательной установке с центральным телом является первостепенной задачей при создании многоразовых одноступенчатых ракет-носителей из различных материалов при использовании криогенной кислород-водородной двигательной установки.