В России испытали ракетный двигатель с напечатанным горючим

Успешные испытания твердотопливного ракетного двигателя с напечатанным на 3D-принтере топливом прошли в рамках проекта «Экспансия» с поддержкой национального проекта «Наука и университеты».

Что такое твердое топливо и зачем надо его печатать, «Ъ-Наука» поговорил с основателем научного проекта «Экспансия» Сильвестром Курдовым.

— Чем отличается ракетное топливо от обычного — например, машинного?

— Многим, но основное различие заключается в том, что для «машинного топлива» необходим окислитель из внешней среды, в то время как в составе ракетного топлива, помимо прочих добавок, уже есть окислитель.

Чтобы было понятнее, объясню проще: двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает на топливно-воздушной смеси, где в качестве окислителя выступает атмосферный воздух, а в качестве топлива используется, как правило, бензин, а в твердом ракетном топливе компоненты уже смешаны все вместе.

— Как работает ракета на твердом топливе?

— Твердое топливо, изготовленное в виде заряда (или по-другому — «шашки», «топливного элемента») определенной формы, размещается непосредственно в камере сгорания ракетного двигателя.

При включении двигателя специальным инициатором заряд начинает быстро воспламеняться, выделяя газообразные продукты сгорания, которые, вытекая через сопло под воздействием давления, ускоряются и тем самым создают реактивную тягу для всей ракеты.

— Что относится к твердому топливу?

— Так как речь идет о ракетном топливе, то под твердым ракетным топливом подразумевается высокоэнергетический химический источник энергии, находящийся в твердом агрегатном состоянии, для ракетного двигателя. Твердые ракетные топлива в основном бывают смесевыми и баллиститными. Мы освоили 3D-печать смесевых топлив.

Также твердотопливные заряды используют в гибридных ракетных двигателях либо в качестве окислителя, либо в качестве горючего.

— Зачем вообще нужно печатать топливо?

— Прекрасный вопрос. Есть огромное количество причин, но я выделю основное.

99% всех ракетных двигателей — твердотопливные. Их используют всюду: применяют в космических миссиях для разгона космических аппаратов к далеким планетам (например, миссия «Новые горизонты»), используют для отправки на Землю марсианского грунта (Mars Ascent Vehicle), ими уводят отработанные ракетные ступени и обтекатели с траектории полета ракеты-носителя, ими запускают массивные БПЛА при отсутствии аэродрома и т. д.

Сейчас актуальна проблема «захламленности» функциональных космических орбит. Поэтому в ближайшее время общемировым стандартом работы в космосе станет обязательное условие безопасной утилизации отработавших космических аппаратов с помощью схода с орбиты в сторону Земли, где отживший свое спутник сгорит в плотных слоях атмосферы. И тут снова пригодятся надежные, дешевые, легкие, малогабаритные и способные создать гарантированный для схода с орбиты импульс твердотопливные ракетные двигатели.

И конечно же, такие двигатели применяются в военной сфере, что очень востребовано сейчас, в ближайшей перспективе и всегда.

Востребованность в твердотопливных ракетных двигателях будет только расти, и технология 3D-печати ракетного топлива позволит удовлетворить новый спрос и при этом полностью изменит эту отрасль. Значительно снизит издержки и избавит от производственно-технологических ограничений традиционных технологий, позволив «печатать» самые разные твердотопливные моторы на относительно небольшом пространстве on-demand.

— Чем 3D-печать лучше привычного топлива?

— 3D-печать позволяет создавать топливные элементы со сложной геометрической формой и вложенными структурами, которые либо крайне сложны, либо вообще недостижимы для традиционных методов, таких как прессование или литье. А чем сложнее форма топливного элемента, тем больше тяга ракетного двигателя.

Также 3D-печать позволяет тонко настраивать параметры твердотопливных зарядов, что позволяет производить ракетные двигатели по требованию заказчика, с теми параметрами, которые нужны ему, а не которые себе может позволить производство.

Помимо прочих преимуществ перед традиционными методами, 3D-печать — это достаточно роботизированная технология, которой не нужна никакая технологическая оснастка и для которой не требуется большое количество человеческого труда, что делает ее намного безопаснее в отличие от, например, литья, где требуется немало механической обработки (как правило, ручной).

— Как работает технология 3D-печати топлива?

— В настоящий момент в мире разработано несколько способов 3D-печати ракетного топлива, основные из которых — послойное нанесение топлива на подложку с помощью экструзии и селективное наплавление фотополимерной массы с помощью ультрафиолетового излучения.

Наша команда освоила первый метод, а сейчас работаем над вторым.

— Над этой технологией, судя по открытым источникам, работают в США, Великобритании, Нидерландах и Китае. Опиралась ли ваша команда на международный опыт исследований в этой сфере?

— Мы пристально следим за международными научными публикациями в этой сфере, но полученный результат был реализован исключительно за счет наших собственных научных изысканий.

— Как, на ваш взгляд, будет развиваться эта технология в дальнейшем?

— Уже в краткосрочной перспективе можно ожидать, что в США эту технологию доведут до промышленного применения за счет инвестиций от DARPA и Министерства обороны.

В среднесрочной перспективе стоит ожидать включения данной технологии в общую синергию аддитивного производства, так как основные элементы ракет печатают уже несколько лет. Станет возможным создание автономного завода-принтера, выполняющего 3D-печать подавляющей части номенклатуры деталей для ракет и автоматизированную сборку дешевых кастомизированных ракет в любые точки планеты, где есть доступ к электричеству.

А в долгосрочной перспективе 3D-печать сделает намного более доступной управляемую реактивную силу за пределами Земли, что, безусловно, обеспечит экспансию космического пространства: установил подобный 3D-принтер на условный Марс, и он там тебе печатает ракетные двигатели сразу вместе с топливом, что значительно упростит межпланетную логистику и не нужен будет никакой электролиз дефицитной воды для получения топлива.

Подготовлено при поддержке национального проекта «Наука и университеты»