Silniki rakietowe studentów PW – przyszłość przemysłu kosmicznego

Czy już niedługo będziemy obserwować start rakiety wyposażonej w nowatorski silnik zaprojektowany przez naszych studentów? Brzmi nieprawdopodobnie, ale jest szansa, że za sprawą członków Koła Naukowego Napędów MELprop, działającego przy Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa, okaże się to możliwe.

Studenci pracują nad dwoma rodzajami silników rakietowych: na paliwo ciekłe i hybrydowymi. Ten pierwszy wykorzystuje utleniacz (w postaci ciekłej lub gazowej) i płynne paliwo, jest wydajniejszy, ale też bardziej skomplikowany (a więc i droższy) niż silnik na paliwo stałe. W hybrydowym używa się ciekłego utleniacza i stałego paliwa. Dzięki temu jest równie wydajny co silnik na paliwo ciekłe, ale przy tym tani i prosty – jak silnik na paliwo stałe.

– Najłatwiej wyjaśnić to na przykładzie wahadłowca, który jest wyposażony w silniki na paliwo stałe i paliwo ciekłe – mówi Filip Kopeć. – Na początku uruchamiane są silniki ciekłe. Ich przewaga nad stałymi polega na tym, że gdy np. przy starcie wykryje się jakąś usterkę, można zatrzymać spalanie i zapobiec katastrofie. W przypadku silnika stałego nie mamy takiej kontroli.

– A silników hybrydowych w misjach kosmicznych zasadzie się jeszcze nie używa – dodaje Aleksander Gorgeri, główny konstruktor silników rakietowych w KNN MELprop. – Wykorzystano je w SpaceShipOne, czyli pierwszym prywatnym załogowym statku kosmicznym.

To oznacza, że nasi studenci mierzą się z wielkim wyzwaniem. Tym większym, że w Polsce niewiele osób je podejmuje. – Z tego, co wiem, silnikami hybrydowymi zajmują się u nas tylko Instytut Lotnictwa, Polskie Towarzystwo Rakietowe i grupa studentów AGH, a ciekłymi – Instytut Lotnictwa i dr hab. inż. Jan Kindracki z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa PW – wyjaśnia Olek.

Prace nad silnikami zaangażowanych jest kilkanaście osób (fot. KNN MELprop)

Wielkie obliczenia i ciężka praca

Członkowie KNN MELprop tworzą swoje konstrukcje od podstaw. Robią wyliczenia, wybierają i zamawiają części, sprawdzają, a jeśli potrzeba – zmieniają. – Na początku do sprawdzania instalacji jako utleniacza używaliśmy podtlenku azotu, znanego jako gaz rozweselający – opowiada Filip. – Kilogram kosztuje ok. 40 zł. A my zużywaliśmy nawet pół kilo na sekundę. Dlatego zainwestowaliśmy w dwutlenek węgla, który jest dużo tańszy i ma podobne właściwości, więc przy testach dobrze się sprawdza. Ale w silniku nie może zastąpić podtlenku.

W prace nad silnikami zaangażowanych jest w sumie kilkanaście osób. Niezbędna jest wzajemna pomoc, ale także cierpliwość, bo czasami na kolejne elementy silnika czeka się nawet 1,5 miesiąca. Wszystko dlatego, że wiele z nich może wykonać tylko jedna firma w Polsce.

– Wszystko sprowadza się do wypisania kilkudziesięciu  wzorów, zróżniczkowania ich, wrzucenia do programu MATLAB i optymalizacji kodu – krótko podsumowuje Olek – Dzięki temu wiemy, jakie są parametry pracy i wymiary silnika. Na ich podstawie trzeba szczegółowo zaprojektować całą konstrukcję, dobrać odpowiednie materiały i wreszcie znaleźć firmę, która zajmie się wykonaniem.

Olek opowiada o tym, jakby to było równie łatwe, co pójście do sklepu po zakupy. A łatwe wcale nie jest. Potrzeba tu wiedzy, doświadczenia i komputera z odpowiednią mocą obliczeniową. Komputerowi domowemu mogłoby to zająć nawet 2 tygodnie. Ten, którym dysponują nasi studenci, poradzi sobie w jeden dzień.

To działa!

Niemal roczna praca nad silnikiem hybrydowym została wynagrodzona na początku sierpnia. Nasi studenci przeprowadzili testy. Ich silnik zadziałał. – W przyszłości będzie w stanie wynieść rakietę – nie ma wątpliwości Filip. – Według naszych obliczeń będzie mogła osiągnąć pułap nawet 12 kilometrów – precyzuje Olek.

Inne parametry silnika także są imponujące: ciąg (siła, jaka powstanie przy wyrzuceniu substancji roboczej) na poziomie 1 kilonewtona (czyli 100 kilogramów), temperatura w komorze spalania wynosząca 3 tys. kelwinów (dla porównania – na powierzchni słońca jest niecałe dwa razy tyle, bo 5,8 tys.), a prędkość gazów wylotowych (kluczowa, bo pokazuje efektywność jednostki) równa 2 kilometrom na sekundę.

– Nasz silnik, przede wszystkim przez ograniczenia budżetowe, nie jest tak technologicznie zaawansowany, żeby z miejsca wykorzystać go komercyjnie – zaznacza Filip. – Ale dzięki naszym doświadczeniom bylibyśmy w stanie taki zaprojektować.

Na drodze do kolejnego sukcesu

Członkowie KNN MELprop wielkimi krokami zbliżają się do kolejnego ważnego dnia – testów swojego silnika na paliwo ciekłe. Pracują nad nim od dwóch lat. Ostatnio sprawdzili dwie instalacje: paliwową oraz chłodzenia. – To projekt typowo badawczy, ale naprawdę dobrze odwzorowuje, jak w rzeczywistości działa tego rodzaju silnik – podkreśla Filip. A Olek dodaje: – W normalnym silniku wszystkie elementy są ze sobą zespawane na stałe, w naszym można wykręcić i wymienić poszczególne części. Dzięki temu łatwo ulepszać projekt.

Każdy kolejny etap prac to szansa na zdobycie wiedzy, której nie wyczyta się nawet z najlepszych podręczników.

Silnik na paliwo ciekłe wciąż jest ulepszany (fot. KNN MELprop) ►

***

Członkowie KNN MELprop są wdzięczni Dziekanowi Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa oraz firmie MESco za pomoc w uzyskaniu komputerowej stacji roboczej wyposażonej w licencje na oprogramowanie ANSYS.
 
Agnieszka Kapela
Biuro ds. Promocji i Informacji