Оптимальный состав нового гранулированного топлива, который позволит усовершенствовать работу летательных аппаратов, использующих ракетно-прямоточные двигатели, разработали специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 11 декабря сообщила пресс-служба вуза.

Ракетно-прямоточные двигатели надежны и просты в конструкции, поэтому их охотно применяют в беспилотных боевых самолетах, летающих мишенях и крылатых ракетах. Однако те виды топлива, которые в настоящее время используются в энергетических системах летательных аппаратов, в случае их использования в таких двигателях приводят к определенным проблемам.

Среди них невозможность многократного запуска и низкие эксплуатационные характеристики. Поэтому задача отыскать способы повышения эффективности ракетно-прямоточного двигателя особенно актуальна, и именно ее решали ученые ПНИПУ.

Тяга в ракетно-прямоточном двигателе обеспечивается реактивным потоком от сгораемого топлива. Конструктивно двигатель состоит из диффузора, камеры сгорания, сопла и вспомогательных систем подачи топлива и зажигания. Летательные аппараты, которые их используют, двигаются со скоростями в пределах от 2 до 5 махов (1 мах равен скорости звука — 340 м/сек или 1224 км/ч).

Системы подачи жидкого или твердого топлива усложняют конструкцию ракетно-прямоточного двигателя, ограничивают возможность регулирования тяги и многократного запуска.

Предложенная пермяками конструкция установки на гранулированном топливе более проста, а кроме того, позволяет в широком диапазоне регулировать расход топлива и тягу, включать и выключать установку в полете.

Почему ученые обратились к гранулированной форме топлива, рассказал аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Григорий Доткин:

«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».

Исследователей не смутил тот факт, что в настоящее время гранулированное топливо в двигателях ракетно-прямоточного типа не используется. Ученые Пермского Политеха доказали возможность и эффективность его использования при условии подбора оптимального состава горючего, обеспечивающего как безопасность и надежность, так и высокие эксплуатационные характеристики летательного аппарата.

При подборе оптимального состава политехники исследовали такие широко применяемые компоненты ракетных топлив, как октоген, перхлорат аммония, сополимер дивинила, а также малоизвестные, но перспективные азепины с высоким теплосодержанием.

Ученые выполнили индивидуальные расчеты для каждого из этих веществ и их различных комбинаций, определили для них все необходимые параметры — температуру, плотность, массовую долю. Для подбора подходящего состава топлива с помощью специальной программы рассчитали поведение данных комбинаций топлив в процессе работы летательного аппарата при высоте в 30 км.

Эффективность работы двигателя на том или ином гранулированном топливе ученые оценивали по таким критериям, как устойчивая температура горения в газогенераторе, плотность топлива, соотношение расходов воздуха и топлива при увеличении высоты полета.

Одной из важнейших характеристик эффективности двигателя является удельный импульс — отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива. Еще одной — содержание конденсированной фазы (твердых частиц в газообразных продуктах сгорания). Таких частиц должно быть как можно меньше, так как они отрицательно влияют на конструкцию двигателя, не расширяются в сопле, снижая тягу.

«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», — поделился результатами исследования доктор технических наук, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Владимир Малинин.

Всем вышеперечисленным критериям, как выяснили исследователи ПНИПУ, удовлетворяют составы на основе октогена и перхлората аммония при определенной массовой доле окислительных компонентов (60–80%). Таким образом, их использование в составе гранулированного топлива увеличит эффективность двигателя и позволит усовершенствовать работу летательного аппарата.

Результаты работы ученые Пермского политеха представили в статье «Анализ возможности применения различных составов гранулированного твердого топлива в ракетно-прямоточных двигателях», опубликованной в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», № 74, 2023.

Исследование, проведенное учеными ПНИПУ, доказывает, что использование гранулированного твердого топлива предложенного состава не только возможно, но и обеспечивает многократное включение/выключение ракетно-прямоточного двигателя, что при большой высоте полета (более 30 км) летательных аппаратов позволит увеличить дальность полета и уменьшить количество потребного горючего.

Разработанная пермяками схема такого двигателя и выбранный для нее состав гранулированного топлива является перспективным решением для БПЛА и крылатых ракет.