Доказано на Урале: ракеты способны возвращаться

Полностью многоразовая ракета-носитель: наш ответ Илону Маску

Исследовательские испытания демонстратора двигательной установки с охлаждаемым центральным телом на топливной паре «водород-кислород» / Фото ЮУрГУ

В России сделаны важные шаги к созданию полностью многоразовой ракеты-носителя. Южно-Уральский государственный университет с индустриальными партнерами разработал и успешно испытал демонстраторы двигательной установки и систему управления пространственным движением

В апреле глава Роскосмоса Дмитрий Баканов заявил о готовности представить через полтора-два года рабочую модель (демонстратор) отечественной ракеты «Амур-СПГ» с возвращаемой первой ступенью. Пока же единственными в мире серийными частично многоразовыми ракетами-носителями остаются Falcon 9 и созданная на ее базе сверхтяжелая Falcon Heavy американской аэрокосмической корпорации SpaceX, основанной миллиардером и инженером Илоном Маском.

Но в нашей стране активно работают над созданием российской многоразовой ракеты-носителя вертикального взлета и посадки, позволяющей значительно снизить стоимость доставляемых в космос грузов. В этом процессе по ряду проектов уже несколько лет задействован Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ, Челябинск). Ключевой проект связан с исследованием, разработкой и созданием демонстраторов технологий одноступенчатой, полностью многоразовой ракеты-носителя вертикального взлета и посадки.

Причем речь идет о демонстраторе ракетного двигателя с соплом внешнего расширения. Использование сопел внешнего расширения может обеспечивать высокие тяговые характеристики на всей траектории полета по сравнению с традиционными сопловыми схемами.

ЮУрГУ выполнял эти работы в рамках Уральского межрегионального научно-образовательного центра в команде с Научно-исследовательским институтом машиностроения (НИИМаш, г. Нижняя Салда Свердловской области) и Государственным ракетным центром имени В.П. Макеева (г. Миасс Челябинской области).

Полигон возможностей

Как пояснили в ЮУрГУ, для отработки технологии необходимо было экспериментально, путем создания демонстраторов, проверить работоспособность выбранного решения, подтвердить или опровергнуть данные, полученные в ходе расчетно-теоретических работ.

— Проект по разработке и созданию демонстраторов является комплексным. Он реализовывался путем проведения работ в разные годы с различными источниками финансирования, — рассказал журналу «Эксперт-Урал» декан аэрокосмического факультета, заведующий кафедрой «Двигатели летательных аппаратов» Южно-Уральского государственного университета Руслан Пешков. — Мы отработали некоторые технологии и получили математические численные модели, которые в дальнейшем уже можно использовать при разработке двигательных установок.

Исследовательские испытания по отработке технологии управления демонстратором посадочного модуля, оснащенного многокамерной двигательной установкой

На начальном этапе проекта в 2021 году сотрудники университета создали и запустили первый в России демонстратор двигательной установки с центральным телом и с дискретным расположением камер. Таких камер сделали 16, что приближало демонстратор к концепту того реального ракетного двигателя, который предполагается создать. Демонстратор работал на топливной паре «спирт-кислород».

Испытания были успешно проведены на полигоне предприятия — индустриального партнера НИИМаш в Нижней Салде. Благодаря этому демонстратору удалось провести ряд расчетно-теоретических исследований, чтобы подтвердить возможность 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.

— В 2022 году мы осуществили переход двигателя на топливную пару «кислород-водород» в газообразном состоянии. Кроме того, применили охлаждаемое центральное тело, поскольку такой топливный состав имеет более высокую температуру продуктов сгорания, в отличие от применяемой ранее топливной пары «спирт-кислород», — продолжает Руслан Пешков. — В октябре того же года на полигоне НИИМаша успешно провели запуски демонстратора двигательной установки на «кислород-водородном» топливе. Это позволило нам разработать модели внутрикамерных и теплообменных процессов, а также модель газодинамического процесса обтекания высокотемпературным потоком охлаждаемого центрального тела двигательной установки.

На следующем этапе уральским разработчикам было важно отработать систему управления пространственным движением демонстратора посадочного модуля. Для этого сотрудники университета создали в Челябинской области собственный испытательный полигон, где стали проводить запуски демонстраторов на различных топливных парах.

— Сначала мы испытывали демонстратор, который просто вертикально взлетал и садился. Затем разработали демонстратор, который мог в полете перемещаться в горизонтальном направлении. Делалось это при различных способах создания управляющих усилий (механическим приводом и регуляторами расхода отдельных блоков камер). То есть демонстратор взлетал, перемещался в автономном режиме и плавно садился в заданную точку. Определение положения и ориентации подвижного объекта в пространстве в системе управления обеспечивалось комплексированной инерциальной навигационной системой бесплатформенного типа, системой технического зрения, лазерным высотомером. Таким образом, нам удалось первыми в мире отработать систему управления демонстратором, оснащенным двигательной установкой с охлаждаемым центральным телом, — описывает процесс Руслан Пешков.

Уральцам удалось первыми в мире отработать систему управления демонстратором, оснащенным двигательной установкой с охлаждаемым центральным телом  

В ходе испытаний также проводились эксперименты по увеличению тяги и времени работы демонстратора на топливной паре «кислород-водород». В результате удалось достичь такого расчетного времени, которое сопоставимо со стандартным временем выведения полезной нагрузки на орбиту.

Помимо этого сотрудниками университета был создан демонстратор, работающий на перспективном виде топлива «кислород-метан». Как и с применением водорода, такое топливо экологичное, но менее взрывоопасное. Предполагается, что именно на топливной паре «кислород-метан» будет работать двигательная установка разрабатываемой многоразовой ракеты «Амур-СПГ».

— В дальнейшем планируем расширять сотрудничество с другими предприятиями Роскосмоса, в частности, с ГНЦ «Центр Келдыша» по части разработки методик проектирования для перехода к демонстраторам большей размерности, расчета характеристик демонстраторов при работе в реальных условиях полета ракеты-носителя, — уточнил декан аэрокосмического факультета ЮУрГУ. — Рассчитываем продолжить работы с ГРЦ Макеева по формированию задач, анализу полученных результатов и выдаче рекомендаций по таргетированию исследований. Также намерены продолжить взаимодействие с НИИМаш в части исследовательских и экспериментальных работ.

Демонстратор двигательной установки с охлаждаемым центральным телом и без него на стенде

Кадры для ракеты

При выполнении проекта по созданию демонстраторов технологий многоразовой ракеты-носителя со стороны Южно-Уральского гос­университета был создан большой задел не только в экспериментальной базе, но и в подготовке кадров высшей категории. Сегодня аспиранты используют результаты, полученные в ходе описанных выше испытаний, для написания и защиты своих кандидатских диссертаций.

Кроме того, в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования России в ЮУрГУ работает научно-исследовательская лаборатория проблем физикохимии и газодинамики двигательных установок многоразовых ракет-носителей. В частности, здесь ведут работы с новыми материалами. Например, в прошлом году впервые в России были испытаны макеты ракетного двигателя малой тяги, изготовленные с применением высокоэнтропийного сплава (многокомпонентный материал, который содержит пять и более элементов в равных или близких к равным атомных пропорциях). Использование инновационных композитных материалов и покрытий позволяет повысить стойкость компонентов ракеты, чтобы выдержать необходимые температурные режимы.

— Важно отметить роль Уральского межрегионального научно-образовательного центра и лаборатории ЮУрГУ, занимающейся исследованиями демонстраторов двигателей, в вопросе подготовки кадров — специалистов, которые придут на предприятие уже подготовленными по прикладным задачам. А компетенции, которые получит лаборатория, можно будет использовать при проведении большого проекта по многоразовой ракете-носителю, — комментирует руководитель проектов по ракетно-космическому направлению ГРЦ Макеева Евгений Мочалов.

В настоящее время над проектами ракетно-космической тематики работают порядка 80–90 студентов ЮУрГУ. Что же касается ключевого проекта по исследованию, разработке и созданию демонстраторов технологий многоразовой ракеты-носителя, то с 2021 года прошли подготовку около сотни студентов и семь аспирантов. Многие из них проходили практику и затем трудоустроились в ГРЦ Макеева и на другие предприятия госкорпорации «Роскосмос» (география — очень широкая, от ОКБ «Факел» в Калининграде до космодрома «Восточный» в Амурской области).

В феврале 2025 года Южно-Уральский государственный университет подписал соглашение о развитии научно-исследовательских проектов в области ракетно-космической деятельности с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша. Соглашение предусматривает совместную работу над передовыми разработками и научно-исследовательскими проектами в сфере ракетно-космического двигателестроения, проведение студенческих практик и стажировок на базе предприятия.

— Основная тема взаимодействия с ЮУрГУ сегодня — это создание демонстраторов двигателя внешнего расширения, — отметил генеральный директор Исследовательского центра имени М.В. Келдыша Владимир Кошлаков. — Мы ознакомились с теми испытаниями, которые были проведены, более того, мы уже более двух лет интенсивно работаем на уровне Роскосмоса для создания этой системы, поэтому мы видим перспективы, и участие ЮУрГУ в этом проекте крайне важно. Потому что именно ГРЦ Макеева и ЮУрГУ и были тем двигателем, который запустил эту «машину».

Итак, в рамках совместной работы конструкторов и инженеров отраслевых предприятий, ученых университета получены результаты, которые подтвердили правильность и перспективность выбранного вектора развития отечественной одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя вертикального взлета и посадки. Теперь проект переходит к следующему этапу реализации, для чего требуются десятки профильных высококвалифицированных специалистов.