Nowe ekologiczne paliwo rakietowe – przełom w napędach kosmicznych

0

Wyniki prac rozwojowych Instytutu Lotnictwa.

Ekologiczne, wysokowydajne hipergoliczne materiały pędne od dziesięcioleci były Świętym Graalem napędów kosmicznych. W ostatnich miesiącach, inżynierowie i naukowcy z Łukasiewicz Instytutu Lotnictwa (Łukasiewicz ILOT) z powodzeniem ukończyli szereg testów prowadzących do rozwiązania tego wyzwania.

Nowe paliwo dla przyszłych misji kosmicznych

Opracowany w Łukasiewicz – ILOT materiał pędny jest bezpieczniejszą dla personelu i środowiska alternatywą wobec obecnie stosowanych, toksycznych materiałów – pochodnych hydrazyny oraz tlenków azotu. Opracowana kombinacja wykorzystuje nadtlenek wodoru (o stężeniu 98%) jako utleniacz oraz nowatorskie paliwo.  

Charakteryzuje się wysokimi osiągami – impulsem właściwym w próżni na poziomie 310 sekund, a także hipergolicznością, czyli zdolnością do samoczynnego zapłonu po wymieszaniu składników w komorze spalania. To idealny kandydat do zastosowania w silnikach rakietowych dla przyszłych platform satelitarnych, lądowników i ostatnich stopni rakiet nośnych.

– Opracowanie nowego materiału pędnego jest procesem długotrwałym i wymaga szeregu interdyscyplinarnych badań. Zespół dokonał istotnego osiągnięcia mogącego docelowo obniżyć koszty nowych systemów napędowych i koszty przygotowania satelitów do lotu. Ten krok przybliża nas do tego by polskie paliwo mogło stać się standardem w misjach satelitów przyszłej generacji – mówi dyrektor Centrum Technologii Kosmicznych w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa, dr inż. Adam Okniński. 

Test silnika rakietowego o ciągu 20 N i zapłonie hipergolicznym, wykorzystującego opracowane paliwo oraz nadtlenek wodoru jako utleniacz. / Fot. Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa.

Główne właściwości: 

  • Impuls właściwy w próżni wynosi ok. 310 s – osiągi są porównywalne z obecnie stosowanymi materiałami.
  • Wysoka gęstość – wymaga mniejszych, lżejszych zbiorników i systemów zasilania niż w przypadku wielu innych materiałów
  • Hipergoliczność – zapala się w kontakcie z 98% nadtlenkiem wodoru, bez konieczności stosowania dodatkowych źródeł zapłonu – upraszcza to konstrukcję silnika, pozwalając na wielokrotne użycie.
  • Szybki i powtarzalny zapłon – pozwala na zastosowanie w niewielkich silnikach, które wymagają krótkich i niezwykle precyzyjnych pulsów do kontroli położenia satelity.
  • Powszechnie dostępny i stosowany w przemyśle – brak konieczności stosowania rygorystycznych procedur bezpieczeństwa, w porównaniu z innymi materiałami pędnymi.
  • Zastosowanie zarówno w napędach satelitarnych (silniki korekcyjne satelitów) oraz jako napęd wyższych stopni rakiet nośnych (łatwość wielokrotnego włączania i wyłączania silnika podczas manewrów wymaganych do osiągnięcia docelowej orbity).
Długotrwała próba silnika o ciągu 20 N i zapłonie hipergolicznym wykorzystującego opracowane paliwo oraz nadtlenek wodoru jako utleniacz. / Fot. Łukasiewicz – Instytut Lotnictw

Dalsze badania i rozwój

Zespół inżynierów oraz naukowców Łukasiewicz – ILOT przeprowadził do tej pory ponad 160  testów nowego paliwa z wykorzystaniem silnika o ciągu 20 N, projektowanego do napędów satelitarnych – o skumulowanym czasie pracy na poziomie 2 minut. Najkrótsze włączenia silnika trwały 10 ms, co odpowiada wymaganiom satelitów pod kątem generacji krótkich precyzyjnych pulsów ciągu. Część testów silnika zrealizowano w ramach projektu „10-20N Green Bipropellant Thruster” przyznanego z Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Uzyskano wysoce powtarzalny charakter zapłonu oraz stabilny i powtarzalny przebieg spalania. Nowe paliwo jest efektem przetestowania kilkuset różnych kombinacji związków chemicznych, a optymalizacja składów została opracowana w Łukasiewicz – ILOT. 

Kolejne prace będą skoncentrowane na wprowadzeniu tej innowacyjnej technologii do nowych systemów i podsystemów, opracowywanych przez kluczowych integratorów satelitów, działających na rynku europejskim i światowym. 

Drop Test – eksperyment ukazujący hipergoliczną naturę nowo rozwiniętego paliwa w kontakcie z nadtlenkiem wodoru o stężeniu 98% / Fot. Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa

Kosmiczne specjalizacje

Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa należy do najnowocześniejszych placówek badawczych w Europie, o tradycjach sięgających 1926 roku. Instytut ściśle współpracuje ze światowymi potentatami przemysłu lotniczego, takimi jak: Boeing, GE, Airbus czy Pratt & Whitney, oraz instytucjami z branży kosmicznej, w tym z Europejską Agencją Kosmiczną. Strategicznymi obszarami badawczymi Instytutu są technologie lotnicze, kosmiczne oraz bezzałogowe. Prowadzone są tutaj także badania i usługi dla przemysłu krajowego i zagranicznego w zakresie technologii materiałowych, kompozytowych, przyrostowych, teledetekcyjnych, energetycznych oraz wydobywczych. 

Obecnie Instytut jest zaangażowany w 30 projektów badawczych w obszarze technologii kosmicznych, w tym około połowa we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną. W ramach projektów krajowych bierze udział m.in. w rozwoju konstelacji polskich satelitów optoelektronicznych (projekt PIAST) w ramach programu SZAFIR Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. 

W obszarze technologii kosmicznych Instytut specjalizuje się m.in. w badaniach i rozwoju ad technologii rakietowych, napędów satelitarnych, modułów deorbitacyjnych oraz ekologicznych materiałów pędnych. 
Instytut rozwija własną rakietę suborbitalną ILR-33 BURSZTYN 2K. Podstawowa wersja rakiety została z sukcesem przetestowana w locie, stając się pierwszym na świecie systemem wykorzystującym jako materiał pędny nadtlenek wodoru o stężeniu przekraczającym 98%.

(ILOT)

 

Comments are closed.