Вернуться в гонку

Группа молодых ученых из Балтийского государственного технического университета (БГТУ) им. Д. Ф. Устинова (Военмеха) успешно испытала первый ракетный двигатель, напечатанный на 3D-принтере и предназначенный для вывода на орбиту сверхлегкой ракеты-носителя. В основе конструкции — доказавший свою надежность жидкостный ракетный двигатель, какие использовались еще для первых космических стартов. Применение технологии 3D-печати позволило значительно ускорить и удешевить процесс доработки изделия и его испытаний, что отвечает главному мировому тренду — создавать космическую технику быстрее и дешевле, чем это было на заре космической эры, и дает России шанс выйти из позиции догоняющих в гонке за лидерство в коммерческом освоении космоса. В рамках проекта к 2024‒2025 годам разработчики рассчитывают также создать более мощный испытательный стенд для двигателей и саму сверхлегкую ракету.

Традиции + новые технологии

«Осенью 2020-го — летом 2021 года мы провели пять серий испытаний своей разработки. Заданные нами характеристики камеры жидкостного ракетного двигателя, изготовленной методом 3D-печати, успешно подтверждены: конструкция выдержала внутрикамерные давление и температуру в процессе горения топлива», — рассказал «Стимулу» Андрей Галаджун, заведующий лабораторией кафедры двигателей и энергоустановок летательных аппаратов Военмеха, отметив, что испытательный стенд у вуза свой. Более того, сюда же привезут для испытаний свои разработки и другие научные группы, которые пока чуть позади военмеховской команды и работают над более камерными конструкциями — двигателями для подруливания и выравнивания орбиты. Они имеют гораздо меньшую мощность.

Андрей Галаджун уточнил, что камеру двигателя изготовили в две детали вместо множества, как при традиционном способе изготовления двигателя. Для этого пришлось усовершенствовать вузовский 3D-принтер, расширив область печати по высоте с 75 до 85 мм. По длине и ширине область печати составляет по 90 мм. Но при серийном изготовлении камеры ракетного двигателя ее лучше печатать в одну деталь. «Даже если бы у нас была возможность напечатать камеру двигателя в одну деталь, на первых этапах мы бы все равно печатали ее из двух частей, чтобы убедиться в проходимости каналов охлаждающего тракта», — пояснил Галаджун.

И здесь, по его словам, все расчеты разработчиков оправдались. Технология 3D-печати позволила включить сложную конструкцию системы охлаждения двигателя в его стенку, обеспечив огромную экономию времени и трудозатрат, ведь изготовление ребер охлаждающего тракта при использовании традиционных технологий — процесс очень сложный, долгий и дорогостоящий. Применение технологии 3D-печати дало значительную экономию ресурсов на стадии разработки.

В ходе испытаний доводки потребовала лишь смесительная головка двигателя, где смешиваются компоненты топлива — керосин и кислород (компоненты топлива используются традиционные, как и в двигателях, уже десятки лет выводящих на орбиту корабли «Союз»).

Андрей Галаджун подчеркнул, что разработка является инициативной. «Печатные ракетные двигатели уже используются в других странах. Мы хотели сами себе доказать, что и мы можем напечатать камеру двигателя, которая будет успешно работать, не разрушаясь во время испытаний. И убедились, что в России есть и кадровый потенциал, и технологические возможности, чтобы создавать печатные двигатели для легкой ракеты», — говорит ученый.

Средний возраст коллектива разработчиков меньше 35 лет, в научную группу входят инженеры, аспиранты и даже один магистрант. Коллектив, как отметил Андрей Галаджун, «морально устойчивый» и готов продолжать инициативный проект, даже несмотря на отсутствие на данный момент госзаказа на этот класс космической техники.

Ученые подчеркивают, что ничего лучше и надежнее, чем советские жидкостные ракетные двигатели, в этой сфере не создано и они с удовольствием опираются на наследие прошлого, добавляя новые технологии в процесс изготовления двигателей.

Жидкостный ракетный двигатель на стенде

БГТУ им.Д.Ф.Устинова (Военмех)

Развить успех

Успешно испытанная в Военмехе камера жидкостного ракетного двигателя обеспечивает тягу на уровне 1‒1,25 кН, рассказал Андрей Галаджун. Для легкой ракеты нужны двигатели с силой тяги 12‒20 кН. Поэтому коллектив разработчиков сосредоточился на создании более мощных двигателей, которые также будут изготавливаться методами 3D-печати, и испытательного стенда на базе 20-футового морского контейнера, который можно легко перемещать. Этот стенд будет предназначен для проведения испытаний двигателей с тягой от 5 до 25 кН.

Во время проведения группой Аэронет Национальной технологической инициативы (НТИ) конкурса на разработку сверхлегкой космической транспортной системы в апреле нынешнего года состоялся своего рода смотр инженерных идей. В результате стали ясны оптимальные параметры системы. Стартовая масса ракеты должна быть не более 15‒20 тонн при массе полезной нагрузки 250 кг. Для этого тяга объединенной двигательной установки первой ступени должна быть на уровне 180‒190 кН. По словам Артема Левихина, заведующего кафедрой А8 «Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов» Военмеха, авторы разных проектов тогда сошлись во мнении, что наиболее удачным техническим решением является схема с 9‒15 двигателями в составе двигательной установки первой ступени, и с тягой 12‒20 кН каждый. Эти ориентиры держит в уме и команда разработчиков из Военмеха.

«Наряду с камерой жидкостного ракетного двигателя наиболее сложным и затратным с точки зрения материальных и временных ресурсов является турбонасосный агрегат, обеспечивающий подачу компонентов топлива. Поэтому параллельно с работами по огневой отработке камеры двигателя в Военмехе ведутся работы по созданию электронасосных агрегатов. В научно-исследовательских лабораториях вуза “Газотурбинные энергокомплексы” и “Беспилотные авиационные космические транспортные системы” (НИЛ ГЭК и НИЛ БАКТС) есть стенд для испытаний бортовых электрических машин и батарей, а также стенд для испытаний подшипников и теплового состояния роторных систем, — рассказал Артем Левихин. — Важно отметить, что высокие темы работ в направлении создания сверхлегкой ракеты-носителя стали возможны благодаря созданному на базе кафедры А8 инновационно-образовательному кластеру, объединившему саму кафедру А8, НИЛ ГЭК и НИЛ БАКТС, а также центр коллективного пользования “Аддитивные технологии и объемное сканирование” (ЦКП АТОС). Кроме того, в орбите кластера находится базовая кафедра АО “ОДК-Климов”». Это сотрудничество создает хорошие условия для параллельного ведения работ по созданию электронасосных агрегатов, предназначенных для подачи компонентов топлива.

Действующий демонстратор сверхлегкой ракеты, по плану, должен быть готов 2024‒2025 году.

Зачем нужны сверхлегкие ракеты

Задачи освоения космоса в последние десятилетия сместились в сторону коммерческих полетов. Сама полезная нагрузка в виде спутников, которые сегодня требуется выводить на орбиту, миниатюризировалась. Сегодня спутники раз в 30 легче тех, что были 30 лет назад. Скорость смены технологий также требует создавать спутники с меньшим сроком службы — два-три года. Если, как прежде, делать спутник со сроком службы десять лет, то его начинка — микроконтроллеры и другие элементы — за это время устареет. К тому же спутник с большим сроком службы сложнее и дороже в изготовлении. Это диктует новые задачи для космической отрасли: летать на орбиту нужно будет часто, ракеты-носители нужны легкие и дешевые, готовить их к старту нужно быстро.

По словам Артема Левихина, за последнее десятилетие объем сегмента разработки нано- и микроспутников в мире вырос более чем в два раза. В России потребность в запусках малых космических аппаратов (МКА, спутников с массой до 250 кг) через пять-семь лет может составить до 100 аппаратов в год при цене пуска два-три миллиона долларов. При этом возрастает потребность в запусках спутников «по требованию», например в течение суток после поступления запроса со стороны заказчика.

«Имеющиеся в нашей стране ракеты-носители тяжелого и среднего класса типа “Протон” и семейства “Союз” из нового тренда выпадают, к коммерциализации космоса в этом сегменте рынка наша система оказалась неготовой. Задачи обеспечить коммерчески привлекательный конкурентоспособный пуск, может быть, и стояли, но мы не достигли нужных темпов их решения, — говорит Артем Левихин. — Ракета-носитель “Зенит” и проект “Морской старт” были ближе всего к этому, но с закрытием проектов мы сильнее стали отставать».

Артем Левихин уточнил, что лидирует в этой сфере на сегодня новозеландско-американская компания Rocket-Lab, работающая при поддержке NASA. Фактически это единственная компания, специализирующаяся на оказании пусковых услуг по доставке МКА на низкую околоземную орбиту. У этой компании не было аварийных пусков с 2018 года. Есть еще несколько американских и европейских компаний, которые более или менее успешно двигаются по пути создания сверхлегких ракет-носителей и двигателей к ним.

В России разработки в направлении создания ракетных двигателей с использованием технологий 3D-печати помимо БГТУ ведутся в Воронежском государственном техническом университете, МГТУ им. Н. Э. Баумана, Южно-Уральском государственном университете и в раде коммерческих компаний — «Лин Индастриал» (Красноярск), КБ «Ларос» (Москва), Центре аддитивных технологий (Воронеж), ВНХ-Э (Санкт-Петербург).

Элементы камеры ЖРД после печати

БГТУ им. Д. Ф. Устинова (Военмех)

Подход Аэронета

Космонавт-испытатель, лидер (соруководитель) рабочей группы Аэронет НТИ Сергей Жуков рассказал «Стимулу», что разработка ученых из Военмеха победила в первом этапе конкурса на создание сверхлегкой космической транспортной системы. «Коллеги эти работы начали еще раньше участия в конкурсе. Мы их приветствуем, они хорошие, — прокомментировал Сергей Жуков. — Мы проводили достаточно длительный форсайт и выбрали точкой своих усилий создание сверхлегкой транспортной системы. Это сверхлегкая ракета, стартовый комплекс и разгонный блок. Ракета на старте должна весить не больше 20 тонн, полезная нагрузка, которая выводится на опорную орбиту в 500 километров, — 250 килограммов. И малый разгонный блок — третья ступень, — который развозит маленькие спутники до высоты до 2000 километров. Спутник может быть один, их может быть и пять весом по 50 килограммов каждый. Таким образом, эта транспортная система становится окном возможностей и для других работ. Это может быть создание небольших группировок научных спутников или “штопка” орбит». Под «штопкой», как пояснил Сергей Жуков, подразумевается следующее. Вывод большого количества аппаратов на орбиту экономически выгоднее осуществлять средней ракетой. Но вот когда требуется замена одного или двух спутников из состава многоорбитальной группировки спутников, вышедших из строя, эта задача будет по силам сверхлегкой ракетной системе.

Программа конкурсных работ

Дальнейшая архитектура конкурса, по словам Сергея Жукова, будет включать в себя еще два этапа. Второй начался осенью 2021 года и завершится в феврале 2022-го, его итоги планируется подвести ко Дню космонавтики, 12 апреля. На третьем этапе — он запланирован на начало осени 2022 года — будет эскизное проектирование.

Аэронет, рассказал Сергей Жуков, ведет эту тематику по согласованию с «Роскосмосом»: «Госкорпорация финансирования не выделяет, но помогает экспертно, нормативной базой и в перспективе, как мы надеемся, поможет и стендовой (испытательной) базой».

«Цель конкурса — отобрать головного исполнителя, может быть, двух, которым мы могли бы оказывать содействие. А конкурентов пригласить в кооперацию с ними. Тем самым мы бы сформировали одну или две такие кооперации, которые работают со сверхлегкой ракетой на сетевом принципе. Мы рассчитываем, что это будут интересные инженерные решения и накладные расходы будут существенно ниже», — говорит лидер Аэронета.

На третьем этапе конкурса планируется привлечение средств институтов развития, например фонда Национальной технологической инициативы. Но стандартная модель финансирования проектов этим фондом не очень подходит. Обычно определяется один победитель. «У нас многоступенчатый путь, мы предпочитаем, чтобы все группы получали одинаковое гарантированное финансирование на каждом этапе и борьба шла бы за переход на следующий этап», — пояснил Сергей Жуков.