ВНХ-Энерго — победитель в номинации «Технологический прорыв НТИ» 2020

25 декабря состоялась церемония награждения премии НТИ «Технологический прорыв 2020: повод для гордости всей страны» и рождественская лекция Дмитрия Пескова, которая стала и подведением итогов года в сообществе НТИ и визионерской — о планах на будущее десятилетие.

Проект компании «Двигатель широкого диапазона для ракет сверхлегкого класса» вошел в ТОП-10 проектов номинации «Технологический прорыв НТИ».

Научной целью проекта является преодоление технологического барьера, связанного с созданием сверхлегкой ракеты-носителя массой в пределах 13 т по одноступенчатой или полутороступенчатой схеме с широкодиапазонными ракетными или комбинированными двигателями. В основе проекта лежат технологии широкодиапазонных ракетных двигателей с более высоким удельным импульсом и системой охлаждения на основе термоэмиссии электронов.

На основе данной технологии уже разработан и испытан лабораторный прототип широкодиапазонного ракетного двигателя (ШРД).

Работы ведутся в рамках комплексного интегрированного проекта (КИП) «Комплексная услуга по выведению на орбиту малых космических аппаратов», предусмотренного актуализированной дорожной картой «АэроСпейсНет 2020». Проект также предусмотрен разработанной в марте 2020 г. Дорожной картой по развитию перспективных средств выведения госкорпорации «Роскосмос», переданной на согласование в Правительство. В соответствии c планом дорожной карты полноразмерный ШРД должен пройти испытания в 2025 г.

Подробно с проектом вы можете познакомиться по следующим ссылкам:

1) Технология ШРД для ракеты-носителя сверхлегкого класса

2) Завершен проект по разработке ШРД по схеме «Тарасова-Левина»

3) Концепция ракеты-носителя сверхлегкого класса

Парагон и Хибрис (Paragon и Hybris)

ВНХ-Энерго, осуществляя разработки в области ракетных двигателей, некоторое время назад занялась проработкой сверхлёгкой ракеты-носителя (СЛРН), которая будет способна вывести полезную нагрузку (ПН) массой до 250 кг на орбиту высотой 500 км, при стоимости пуска не более 3 млн $.  Кроме низкой стоимости запуска, важным преимуществом такой СЛРН будет возможность оперативного запуска полезной нагрузки в космос со временем ожидания, с момента получения заказа, не более 1 недели, сегодня время ожидания составляет от нескольких месяцев до нескольких лет, поскольку космические аппараты массой до 250 кг, как правило, запускаются попутно с большими ПН на ракетах среднего класса. Дополнительным преимуществом СЛРН будет её способность вывести ПН на орбиту с точно заданными параметрами, а не на орбиту основной полезной нагрузки, как это происходит, если ПН запускается в качестве попутной. При оборудовании СЛРН небольшой ступенью довыведения с электроракетными двигателями, её полезная нагрузка может быть переведена с 500 км парковой орбиты на орбиту большей высоты, которая является оптимальной для данной ПН.

ООО «ВНХ-Энерго» разработала два концепта СЛРН: Парагон и Хибрис (Paragon и Hybris). Актуальность разработки сверхлегких ракет-носителей не вызывает сомнений, поскольку ближайшее время на орбите должно находится большое количество спутников.  В то время, как SpaceX планирует вывести на орбиту около 40 тысяч космических аппаратов массой порядка 200 кг, у нас есть проект «Сфера» Роскосмоса порядка 600 космических аппаратов, также есть проект от Airbus, есть проект от Amazon (более 3200 спутниковых аппаратов), а также есть информация, что Facebook планирует создать свою систему спутникового интернета, это не говоря о том, что некоторые страны, как Китай, имеют свои амбиции в космосе.

Нами проработан облик электрической ракеты, концепция которой заключается в том, что мы отказываемся от таких критических систем как турбонасосный агрегат, газогенератор, так как это очень трудоемкие как в изготовлении, так и при разработке, при создании и при отработке конструктивные элементы. У нас только зарождается частная космонавтика и нам очень важно, чтобы проект прошел без каких-либо существенных рисков для разработчиков, поэтому мы убираем эти технические риски, которые на протяжении все своей истории демонстрировали не то, чтобы «капризность», но было очень много аварийных ситуаций. Поэтому применение таких элементов как электронасосный агрегат, позволяет снизить эти риски.

Общая схема ракетоносителя представляет собой следующее: она заключается в том, что на первой и второй ступени у нас используется один универсальный двигатель, компоненты – метан, кислород, достаточно экологичный вид топлива, характеризуется большим удельным импульсом.

Сама концепция ракеты получила вариантность. Первый вариант называется Парагон (Paragon), основные его особенности – использование классического электронасосного агрегата, по аналогии с СЛРН «Электрон», используется шестнадцать литиевых установок по 1,2 тонны/силы. Почему именно такая размерность и такая тяга, так как 1,2 тонны проще отработать в наших условиях, на имеющейся стендовой базе, чем большей размерности.  Электронасосный агрегат включает в себя электрические насосы, электрический привод и электродвигателей, и современные литий-полимерные батареи. Также, мы в качестве двигателя планируем использовать разработки БГТУ «ВОЕНМЕХ», где прорабатывается двигатель ан метане с кислородом, тягой примерно около 1 тонны, у нас есть задел в этом направлении. На второй ступени также будут использоваться электронасосные агрегаты, будет вакуумный вариант с увеличенным соплом, тягой также порядка 2 тонны. Цена ожидается от 3,3 -5 млн. долларов. Вес 13,5 тонн.

Развитием концепции Paragon является ракета варианта Hybris, вместо батарей планируется использовать разрабатываемый в БГТУ «ВОЕНМЕХ» и проходящий сейчас испытания турбогенератор. Применение турбогенераторов позволяет существенно снизить массу, массу электрического блока ракетоносителя. Уменьшая массу, мы уменьшаем стоимость разработки ракетоносителя. Применяется тот же двигатель метан-кислород, примерно той же тяги в 1,2 тонны/силы на первой ступени. Но из-за применения турбогенератора, получается уменьшить массу СЛРН до 11,5 тонн. Очень важная особенность то, что мы заменяем критически сложные в разработке турбину, турбонасосный агрегат и газогенератор, которые могут представлять некоторый риск, как технический, так и организационный, политический, на достаточно надежную электрическую систему, состоящую из турбогенераторов. Еще интересная особенность проекта Hybris заключается в использовании щелевых сопел, такая конструкция позволяет реализовать различные режимы – как на уровне моря, так и высотный режим. То есть для двигателя первой ступени характерно уменьшение удельного импульса, чем у двигателя второй ступени, то в щелевых соплах можно уменьшить потери, которые характерны для двигателей первых ступеней РН и выигрыш по тяги может составить по удельному импульсу 10-15%, это также уменьшает массу, стоимость разработки и стоимость для заказчика. Цена для заказчика 3-4,4 млн. долларов. Расчет стоимости запуска, выводя 1 кг полезной нагрузки выполнялся по методике SOLSTICE). Кроме запуска проекта «Сфера», есть еще ряд научных миссий, в которых можно участвовать: миссии Луны, миссия на Венеру, также к астероидам. Такие варианты уже публиковались для «Электрона», а поскольку у нас грузоподъёмность планируется больше, чем у «Электрона», то это будет большим плюсом для отрасли в целом.

Проект представлен на конкурс инженерных записок, проводимый АНО «Аналитический центр «АЭРОНЕТ» и сделан доклад на круглом столе  «Концепции ракетоносителя сверхлегкого класса (РН СЛК) и разгонного блока. Конкурс Аэронет» научно-практической конференции Аэронет 26-27 ноября 2020г.

Подробнее о концепции ракеты-носителя сверхлегкого класса можно прочесть — Здесь

Проект ШРД для для ракеты-носителя сверхлегкого класса

Проект предусматривает разработку демонстратора широкодиапазонного ракетного двигателя (ШРД) ракеты-носителя сверхлегкого класса (РН СЛК) стартовой массой до 13 т. НИОКР выполняется в рамках комплексного интегрированного проекта (КИП) «Комплексная услуга по выведению на орбиту малых космических аппаратов», предусмотренного актуализированной дорожной картой «Аэроспейснет 2020». НИОКР также предусмотрена разработанной в марте 2020 г. Дорожной картой по развитию перспективных средств выведения госкорпорации «Роскосмос», переданной на согласование в Правительство. В соответствии c планом дорожной карты полноразмерный ШРД должен пройти испытания в 2025 г.

Проект поддержан рабочей группой Аэронет Национальной технологической инициативы.

Подробнее о проекте можно прочесть Здесь.

Технология ШРД для ракеты-носителя сверхлегкого класса

Научной целью проекта является преодоление технологического барьера, связанного с созданием сверхлегкой ракеты-носителя массой в пределах 13 т по одноступенчатой или полутороступенчатой схеме с широкодиапазонными ракетными или комбинированными двигателями. В основе проекта лежат технологии широкодиапазонных ракетных двигателей с более высоким удельным импульсом и системой охлаждения на основе термоэмиссии электронов.

Проект продолжает тематику НИР «Разработка широкодиапазонного ракетного двигателя (ШРД) по схеме «Тарасова-Левина» с соплом внешнего расширения и резонаторным усилителем тяги», выполненной при поддержке Фонда Содействия Инновациям, на основании соглашения №378ГРНТИС5/42597 от 23.08.2018 г., в ходе которого была предложена новая, ранее не встречавшаяся схема ШРД. (Подробнее можно прочесть Здесь).

В ходе предстоящей НИОКР предполагается разработать, изготовить и испытать функциональную модель ШРД в масштабе 1:150, работающую на штатных компонентах топлива «керосин (нафтил)-кислород», систему охлаждения ШРД, отводимое тепло которой может быть использовано для привода топливных насосов.

Предусмотрено сравнение двух вариантов: привод турбонасосного агрегата парами хладагента (гелия); электрический привод насосов с подачей питания от термоэмиссионной системы охлаждения (ТЭО) с вакуумным катодом.

В качестве базы для сравнения принята РН СЛК RocketLab Electron. Расчет её характеристик приведен в Приложении 2 (Приложения к бизнес-плану выложены в электронную систему в раздел «Дополнительные документы»). В рамках комплексного проекта рассматривается вариант РН СЛК с корпусом и баками из алюминиевых сплавов и ШРД, вместо корпуса и баков из углепластика и ЖРД с соплами Лаваля.

Расчеты показывают, что замена традиционных ЖРД с соплом Лаваля на классический клиновоздушный двигатель (КВРД, AeroSpike), см. рисунок 1, позволяет получить выигрыш в массе около 1 т даже при условии применения сплава АМГ- 6, который стоит в 8 раз меньше углепластика.

Рисунок 1 — Клиновоздушный двигатель (AeroSpike): работа на уровне моря (а), на расчетной высоте (б), укороченное центральное тело (в)

Перспективность КВРД привлекала к нему пристальное внимание в течение последних 40 лет. В реальных условиях проблема охлаждения ЖРД с соплами внешнего расширения препятствует распространению в ракетно-космической технике сопел данного типа, т.к. охлаждаемая поверхность ШРД и тепловые потоки, которые необходимо отводить, примерно в 2.5 раза больше, чем у классического ЖРД.

Большое количество камер сгорания и дополнительных устройств (см. рисунок 2), а также сложность организации управления ракетой по углам крена, тангажа и рыскания, приводят к тому, что при более компактной конструкции, чем у классических ракетных двигателей с соплами Лаваля, КВРД получается в 2-5 раз тяжелее и в несколько раз дороже, имеются и серьезные проблемы с надежностью.

Рисунок 2 — Большое количество камер КВРД ведет к высокой стоимости, более низкой надежности и большему весу по сравнению с классическим соплом Лаваля

К новизне проекта можно отнести три технические решения, ранее не применявшиеся ранее в ракетной технике:

— ШРД с оригинальной формой сопла в районе критического сечения и особой организацией течения в донной области, которая исключает колебания в процессе запуска сопла и при перестройке режимов по мере увеличения высоты полёта;

— Плазменное горение (Plasma-Assisted Ignition and Combustion) с укороченной дистанцией воспламенения;

— Термоэмиссионное охлаждение центрального тела с преобразованием отведенного тепла в электрический ток, направляемый на электропривод топливных насосов.

В ходе проекта предполагается провести испытания ШРД с целью подтверждения возможности бесколебательной перестройки струи, при изменении внешнего давления. Члены коллектива, работающие в этой области, относятся к научной школе Гинзбурга-Ускова, которая обладает абсолютным мировым приоритетом в вопросах нестационарных ударно-волновых процессов в донных областях ракет и иных летательных аппаратов, накопленным в течение 40 лет.

В ходе двух предыдущих проектов, поддержанных Фондом, на основании этого задела были выпущены программы, реализующие алгоритмы и модели управления нестационарными
ударно-волновыми процессами.

Плазменное объемное зажигание в камере, по объему равной камере сгорания модельного ШРД, разрабатываемого в ходе проекта, уже испытано. В настоящем проекте предполагается проведение испытаний с имитацией реального процесса в камере сгорания в присутствии холодной неравновесной плазмы.

В целом, проект отличается неприемлемо высокой для разработки серийного изделия долей инновационных решений. Но проект и не является частью разработки конструкторской документации готового объекта, а выполняется в целях обоснования возможных направлений прорывных решений, которые качественно помогут улучшить потребительские свойства РН СЛК, прежде всего, снизить её стоимость. Сегодня стоимость выведения является практически единственным проектным параметром, который определяет конкурентоспособность РН СЛК.

Создаваемый коммерческий продукт и его характеристики

Целью проекта является достижение технологического лидерства в области средств выведения полезных нагрузок (ПН) массой до 250 кг на низкие околоземные орбиты.

Типовой задачей является выведение двух спутников массой по 75 кг с солнечными батареями на орбиту международной космической станции (480 км), с дальнейшим их разведением по индивидуальным орбитам высотой до 800 км.

Отсюда следует необходимость предусмотреть наличие на борту межорбитального буксира, который по оценкам будет весить не более 100 кг. Получается — доставка груза 250 кг на орбиту высотой 500 км.

Анализ рынка и запросов потребителей ограничивает стоимость единичного пуска в 3 млн.$, а цену выведения — в 15-20 тыс.$/кг. Это накладывает серьезные ограничения на массу ракеты — не более 13 т при использовании для изготовления конструкции ракеты и баков сплава АМГ-6, и не более 11 т при использовании композитных материалов.

Анализ показал, что такие характеристики достижимы, если применить на ракете ШРД, лабораторный прототип которого был испытан в ходе выполнения контракта №378ГРНТИС5/42597 от 23.08.2018 г. (Подробнее можно прочесть Здесь).

Описанные выше требования приводят к тяге ШРД на уровне моря в двух вариантах 14 т и 17 т. Удельный импульс на уровне моря при работе на топливной паре керосин — кислород будет на уровне 3150-3200 м/с, а на метане — 3400-3450 м/с.

Технические характеристики модельного двигателя согласованы с руководителем сегмента Космос 2.0 Рабочей Группы Аэроспейснет Жицем Р.Ю.

Первое участие компании на Баркемпе 20.35 НТИ в Санкт-Петербурге

ООО «ВНХ-Энерго» впервые представила свои разработки, выполненные в партнерстве с БГТУ «ВОЕНМЕХ», на ежегодном мероприятии Национальной технологической инициативы в Санкт-Петербурге в ноябре 2019г

Задачей компании является развитие научно-технологического потенциала, повышение конкурентных позиций отечественной продукции на мировом рынке, создание интеллектуальных, производственных и финансовых ресурсов для реализации перспективных проектов в области газотурбинного двигателестроения.

В соответствии с программой развития, ООО «ВНХ-Энерго» работает над такими стратегическими целями как:

• Техническое переоснащение инфраструктуры проектирования, стендовой опытно-экспериментальной базы;
• Создание нового инновационного продукта, к которым можно отнести непрерывно-детонационный гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД);
• Создание условий для вывода на рынок конкурентоспособной продукции;
• Формирование новых инструментов управления предприятием.

Создан прототип высокочастотного синхронного электрогенератора

Проектом компании является разработка алюмоводородного реактора, предназначенного для бортовой энергетической установки космического аппарата, работающей на инертных компонентах: алюминиевом порошке и смеси воды с перекисью водорода.

С целью утилизации энергии парогазовой смеси на высокооборотной турбине был разработан прототип высокочастотного синхронного электрогенератора. Произведены расчеты собственных частот ротора в системе «ротор-подшипники» с учетом особенностей газодинамических подшипников, расчеты электродинамической системы, выполнена оценка тепловыделения при работе на номинальной мощности в 100 кВт.

В процессе работы реактора бортовой энергетической установки вырабатывается парогазовая смесь под высоким давлением, которое срабатывается в высокооборотной турбине. Для выработки электроэнергии в таких условиях ООО «ВНХ-Энерго» разработан высокочастотный синхронный электрогенератор. Действующий прототип состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор представляет собой набор пластин из электротехнической стали с девятиполюсной схемой обмотки проводом под заданное напряжение и устанавливается в корпусе. Ротор является особо нагруженной частью машины и имеет композитный бандаж из углеволокна, удерживающий редкоземельные магниты от перемещения и разрушения при высоких частотах вращения. Ротор устанавливается в корпус при помощи подшипников на газовой смазке.

Целью создания прототипа является проведение испытаний системы, предназначенной для выработки электроэнергии нужных параметров для питания потребителей.

Работа выполнена при поддержке Некоммерческой организации Фонд развития Центра разработки и коммерциализации новых технологий (Фонд «Сколково») по Соглашению о предоставлении микрогранта от 11 декабря 2018 г. № 40113/07003/1075-2018

Завершен проект по разработке ШРД по схеме «Тарасова-Левина» с соплом внешнего расширения и резонаторным усилителем тяги

(далее…)

Динамика исследований за пять лет

В 2013 г. фирма «ВНХ-Энерго» получила статус резидента Сколково сразу с двумя проектами в двух разных кластерах («Энерго» и «Космос»). Первый проект был связан с разработкой технологии утилизации «трудных» биологических и углеводородсодержащих отходов, второй — с разработкой технологии космической алюмоводородной установки. К концу 2016 г. основные научно-технические проблемы в области СКВО были разрешены и компания приступила к разработке методов утилизации энергии, а также коммерциализации накопленного научно-технического задела. В этой области выявились значительные трудности, т.к. продукты сгорания на выходе из СКВО реактора содержали примеси в виде большой концентрации азота, водяного пара, керамической и металлической пыли.

В 2016 г. в компанию были привлечены специалисты по детонационному горению из ООО «КБ Динамика», специалисты по двигателям и камерам сгорания из БГТУ «ВОЕНМЕХ», а также научные сотрудники Московского радиотехнического института (МРТИ), имевшие опыт воспламенения «трудных» и бедных топливных смесей при помощи резонансных СВЧ разрядов. Столкнувшись со значительными трудностями в моделировании высокоскоростных потоков с учетом горения и ударно-волновых превращений, компания обратилась к разработке собственного программного пакета, в основу которого была положена теория ударно-волновых превращений, развитая сотрудниками БГТУ «ВОЕНМЕХ» с 1982 по 2013 г. В ходе разработки пакета сотрудники ООО «ВНХ-Энерго» решили ряд новых задач в области горения и ударно-волновых процессов.

В 2017 г. полученный ранее опыт и значимые научные результаты привели ООО «ВНХ-Энерго» к участию в проекта БГТУ «ВОЕНМЕХ» по разработке новых технологий в области детонационных процессов.

Сотрудничество БГТУ «ВОЕНМЕХ», МРТИ и «ВНХ-Энерго» привело к экспериментально обоснованному оригинальному подходу к проектированию детонационных двигателей. Наконец, в 2018 г. была разработана карта по развитию целой линейки технологий горения и расширения продуктов сгорания с созданием тяги. 

По результатам исследований был получен ряд патентов:

1) Программа расчета конфигурации ударных волн

2) Программа расчета интерференции и рефракции ударных волн

3) Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

4) Двигатель внутреннего сгорания с объемным многоочаговым зажиганием

Получен Микрогрант Сколково

Проектом компании является разработка алюмоводородного реактора, предназначенного для бортовой энергетической установки космического аппарата, работающей на инертных компонентах: алюминиевом порошке и смеси воды с перекисью водорода.

В настоящее время разработаны и испытаны лабораторная и макетная установки для сжигания алюминия в водных средах, отработана опытная технология активации алюминия, наработана первая партия активированного алюминия, проведены испытания по сжиганию алюминия в водных средах при до- и сверхкритических параметрах, подтверждающие высокую скорость (более 30 г А1/с) и полноту сгорания (более 99,9%).

Существует задача, связанная с размещением на борту ЛА (летательного аппарата) баков для хранения топливных элементов, в частности водорода, для эффективного размещения топливных элементов необходим большой объем, для этого ООО «ВНХ-Энерго» реализует прототип кессона крыла с большой строительной высотой и ёмкостью для хранения компримированного водорода в четырех конфигурациях.

Целью создания прототипа являлось проведение аэродинамических испытаний кессонов. Определение коэффициента лобового сопротивления в зависимости от удельного расхода воздуха, удаленного из верхней критической точки, а также анализ распределения давления поверхности кессона с целью задания условия для моделирования бака кессона водородного БПЛА.

Прототип кессона крыла с большой емкостью для хранения компримированного водорода в четырех конфигурациях

Работа выполнена при поддержке Некоммерческой организации Фонд развития Центра разработки и коммерциализации новых технологий (Фонд «Сколково») по Соглашению о предоставлении микрогранта от 03 октября 2017 г. № 40104/07003/0689-2017