Ученые ЮУрГУ разрабатывают демонстраторы многокамерной двигательной установки с центральным телом, оснащенные системой управления

В Уральском федеральном округе в рамках национального проекта «Наука и университеты» создан и успешно функционирует межрегиональный научно-образовательный центр мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы», который по результатам 2023 года включен в первую лидерскую категорию среди всех научно-образовательных центров. Одним из ключевых проектов, включенных в портфель УМНОЦ, является проект «Исследование, разработка и создание демонстраторов технологий одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя вертикального взлета и посадки», который выполняют сотрудники Южно-Уральского госуниверситета (ЮУрГУ) при экспертном сопровождении АО «ГРЦ Макеева».

Цель проекта заключается в формировании научно-технического задела, а также ряда конструкторско-технологических подходов и решений, в подготовке специалистов и научных сотрудников к реализации проекта АО «ГРЦ Макеева» по созданию полностью многоразовой, одноступенчатой ракеты-носителя. В качестве ключевой технологии при реализации идеи используется двигательная установка с центральным телом. Для отработки технологии необходимо экспериментально, путём создания демонстраторов, проверить работоспособность выбранного решения, подтвердить или опровергнуть данные, полученные в ходе расчетно-теоретических работ.

На первом этапе проекта УМНОЦ в 2021 году сотрудники ЮУрГУ создали и успешно запустили на территории предприятия-индустриального партнёра АО «НИИМаш» (г. Нижняя Салда) первый в России демонстратор двигательной установки с центральным телом и с дискретным расположением камер, работающий на топливной паре «спирт-кислород».

Исследователи провели ряд расчетно-теоретических исследований для подтверждения возможности саморегулирования двигательной установки с центральным телом и валидации (т.е. проверки соответствия результатов моделирования реальному процессу) методик, на основе сравнения структуры течения, полученной в ходе эксперимента.

Поскольку разрабатываемая АО «ГРЦ Макеева» ракета-носитель работает на топливной паре «кислород-водород», в 2022 году разработчики вуза осуществили переход на такую пару в газообразном состоянии. Кроме того, они применили охлаждаемое центральное тело, поскольку такой топливный состав имеет более высокую температуру продуктов сгорания, в отличие от применяемой ранее топливной пары «спирт-кислород». В октябре на площадке АО «НИИМаш» успешно прошли запуски демонстратора двигательной установки на «кислород-водородном» топливе. В результате проведённых работ ученые разработали модели внутрикамерных и теплообменных процессов, а также модель газодинамического процесса обтекания высокотемпературным потоком охлаждаемого центрального тела двигательной установки.

С точки зрения расширения экспериментальной базы, основными результатами 2023 года стали выполненные работы по увеличению тяги и времени работы демонстратора на топливной паре «кислород-водород», создание стенда для осуществления отработки взлета и посадки объекта, оснащенного двигательной установкой с охлаждаемым центральным телом на топливной паре «спирт-кислород», а также открытие в Челябинской области площадки для проведения запусков демонстраторов на различных топливных парах. В части расчетно-теоретических исследований ученые провели валидацию цифровых моделей разработанных объектов.

В 2024 году разработчикам ЮУрГУ удалось успешно завершить исследовательские испытания системы управления пространственным движением демонстратора посадочного модуля, оснащенного двигательной установкой с охлаждаемым центральным телом, которая работает на топливной паре «спирт-кислород» при различных способах создания управляющих усилий (механическим приводом и регуляторами расхода отдельных блоков камер). Успешность испытаний продиктована тем, что удалось впервые в мире с помощью разработанной системы управления продемонстрировать плавный подъем, перемещение демонстратора, оснащенного таким типом двигательной установки, до точки посадки, и саму плавную посадку. Определение положения и ориентации подвижного объекта в пространстве в системе управления обеспечивалось комплексированной инерциальной навигационной системой бесплатформенного типа, системой технического зрения, лазерным высотомером. Полученные экспериментальные результаты подтвердили надежность и точность работы комплексированной навигационной системы. При расчетно-теоретических исследованиях последовательно выполнены валидация компьютерной модели демонстратора ракетного двигателя малой тяги на топливной паре «спирт-кислород», а также верификация данных цифрового моделирования движения демонстратора.

Помимо прочего, проект «Исследование, разработка и создание демонстраторов технологий одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя вертикального взлета и посадки» решает вопрос подготовки кадров. Так, в ЮУрГУ функционирует молодежное конструкторское бюро «Астероид», в котором прошли проектную подготовку для реализации проекта АО «ГРЦ Макеева» девяносто семь студентов и семь аспирантов; причем тридцать студентов распределены на предприятие, начиная с 2022 года. Дважды в год в университете проводится научно-техническая конференция «Астероидная безопасность», где студенты и молодые ученые докладывают о своих результатах проектной деятельности перед экспертами – представителями предприятий ракетно-космической отрасли.

«Дальнейшее направление развития созданного в рамках проекта задела связано с расширением сотрудничества с другими предприятиями РОСКОСМОСа, в частности, с АО ГНЦ “Центр Келдыша” по части разработки методик проектирование для перехода к демонстраторам большей размерности, расчета характеристик демонстраторов при работе в реальных условиях полета ракеты-носителя, – уточняет заведующий научной лабораторией «Ракеты-носители, космические и беспилотные летательные аппараты» ЮУрГУ Руслан Пешков. – Планируются продолжение работ с АО “ГРЦ Макеева” по формированию задач, анализ полученных результатов и выдача рекомендаций по таргетированию исследований, продолжение взаимодействия с АО “НИИМаш” в части исследовательских и экспериментальных работ, связанных с переходом на топливную пару “СПГ-кислород”».

Другими немаловажными задачами выделяются развитие материально-технической базы аэрокосмического направления Южно-Уральского государственного университета, создание научно-технического задела для подачи заявок на гранты РНФ, а также формирование научных школ по тематике проекта, подготовка кадров, в том числе и высшей квалификации.