Przejdź do treści Przejdź do stopki
Artykuły z kategorii Nauka

Jak uchronić dyszę silnika rakietowego przed erozją? Naukowcy z AGH chcą wykorzystać CFRC

Biała rakieta za którą ciągnie się chmura spalin wydobywająca się z dyszy wznoszącą się w górę ponad chmurami na tle błękitnego nieba

Grafika ilustracyjna, fot. Dreamstime

Jak uchronić dyszę silnika rakietowego przed erozją? Naukowcy z AGH chcą wykorzystać CFRC

Materiały CFRC to wysoce odporne, ale skomplikowane w produkcji kompozyty węglowe. Technologię ich fabrykacji posiada tylko kilka przedsiębiorstw na świecie, które współpracują z ograniczoną grupą odbiorców. Badacze z AGH pracują nad konkurencyjną technologią ich wytwarzania, z której będą mogły skorzystać polskie firmy m.in. z branży kosmicznej i zbrojeniowej. Z kompozytów naukowcy chcą skonstruować dyszę rakietową.

Dysza to jeden z kluczowych elementów każdego silnika rakietowego. Jej charakterystyczny profil (tzw. stożek de Lavala), odpowiada za nadawanie gazom powstającym w wyniku spalania paliwa naddźwiękowej prędkości wyjściowej. Ich przepływ powinien pozostawać niezakłócony, aby parametry lotu utrzymywały się na stabilnym poziomie. Osiągniecie tego stanu nie jest łatwe, ponieważ gorący strumień gazów oddziałuje mechaniczne ze ściankami dyszy, powodując wymywanie cząstek tworzywa, z którego są wykonane. Najbardziej wrażliwe na erozję jest przewężenie dyszy, zwane gardzielą. Już każda zmiana jej przekroju poprzecznego może mieć wpływ na uzyskiwane przez rakietę osiągi. Dlatego wciąż poszukuje się nowych, mniej podatnych na erozję materiałów.

Bardzo odporne kompozyty

Jednym z tworzyw, na które zwracają obecnie uwagę naukowcy i inżynierowie, jest CFRC (ang. Carbon Fiber Reincorced Carbon). Cechuje je nie tylko wysoka odporność na korozję wysokotemperaturową, ale również mniejsza masa niż przypadku metali ogniotrwałych używanych do wytwarzania dysz rakiet kosmicznych czy grafitów pirolitycznych stosowanych w niektórych bojowych rakietach taktycznych. Ich zastąpienie lżejszymi materiałami pozwoliłoby więc zmniejszyć również ilość energii niezbędnej do ich lotów, a co za tym idzie, ograniczyć ilość zużywanego przez nie paliwa.

CFRC to kompozyty złożone z włókien węglowych, które stanowią fazę zbrojącą, oraz węglowej osnowy. Stąd też ich alternatywa nazwa, czyli kompozyty węgiel-węgiel. Wszystkie komponenty zespala się, poddając je procesowi obróbki termicznej. Stanowią one szeroką klasę materiałów, których właściwości warunkuje wybór prekursora osnowy i architektury ułożenia włókien. Pierwszy ma wpływa na mikrostrukturę materiału, drugi natomiast pozwala nadać mu anizotropowe właściwości. W zależności od liczby kierunków ułożenia włókien, mówi się o materiałach 2D, 3D itd.

Technologia dla wybranych

Historia prac na rozwojem kompozytów węgiel-węgiel sięga lat 60. ubiegłego wieku i amerykańskiego programu Apollo, który wyniósł ludzi na Księżyc. W późniejszych latach wykonywano z nich np. osłony dziobów oraz skrzydeł promów kosmicznych. Równolegle swoje projekty związane z aplikacją materiałów CFRC rozwijało wojsko. Podobnie jak wiele innych technologii pierwotnie zastrzeżonych dla programów kosmicznych i militarnych, kompozyty węgiel-węgiel trafiły również na rynek cywilny. Znalazły zastosowanie m.in. w produkcji tarcz hamulcowych do samolotów, pociągów wysokich prędkości czy bolidów Formuły 1. Korzysta z nich też również branża sportowa, medyczna, chemiczna czy hutnicza.

Mnogość zastosowań kompozytów węgiel-węgiel nie idzie niestety w parze z ich dostępnością na rynku. Metody produkcji materiałów CFRC opanowało jedynie kilka europejskich, amerykańskich i azjatyckich przedsiębiorstw, a popyt na nie nadal nie nadąża za podażą. – Technologia wytwarzania kompozytów węgiel-węgiel jest wieloetapowym i energochłonnym procesem. Ich produkcją zajmują się duże firmy, które mają swoich odbiorców. Znacznie trudniej jest pozyskać je mniejszym przedsiębiorcom, m.in. na polskim rynku – mówi dr inż. Maciej Gubernat z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki.

Poszkodowanymi mogą być firmy z polskiego sektora kosmicznego czy zbrojeniowego, które chciałyby wykorzystać materiały CFRC w swoich projektach. Wkrótce może się to jednak zmienić za sprawą prac prowadzonych na WIMiC przez zespół dr. inż. Gubernata, który stawia sobie za cel opracowanie konkurencyjnej technologii fabrykacji kompozytów węgiel-węgiel, a następnie skonstruowanie z nich dyszy silnika rakietowego.

 

Dr inż. Maciej Gubernat prezentuje próbkę materiału CFRC stworzoną na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Fot. Marianna Cielecka

Młody mężczyzna o ciemnych włosach w okularach i z brodą ubrany w granatową marynarkę i białą koszulę trzyma w rękach cienką prostokątną w próbkę w kolorze czarnym

Monolit czy hybryda?

Naukowiec wyjaśnia, że wytworzenie tego elementu jest możliwe albo w formie monolitu, albo hybrydy. W tym drugim przypadku w gardzieli umieszcza się krążek z materiału najbardziej odpornego na erozję, natomiast ścianki wykonuje się z mniej wytrzymałego tworzywa. – Jeżeli zrobimy dyszę z dwóch różnych materiałów, które charakteryzuje różna rozszerzalność cieplna, grozi to osłabieniem miejsca ich połączenia. Chcielibyśmy, aby nasza dysza była wykonana z jednego tworzywa, aby ten problem został wyeliminowany. W tym celu planujemy układać włókna węglowe w taki sposób, aby uchronić osnowę przed naprężeniami, które prowadziłyby do jej degradacji – deklaruje pracownik AGH.

Dysza zostanie przetestowana w silnikach rakietowych, które rozwija firma SpaceForest z Gdyni – główny partner projektu. SpaceForest jest producentem suborbitalnej rakiety Perun, dedykowanej do prowadzenia badań w stanie mikrograwitacji, która ma osiągać pułap 150 km i wynosić standardowy ładunek 50 kg. Firma liczy na wykorzystanie wyników projektu w przyszłych konstrukcjach silników rakietowych oraz w rozwijanych układach wykonawczych wektorowania ciągu TVC (ang. Thrust Vector Control).

Recepta na polskie CFRC

W ramach wcześniej prowadzonych eksperymentów, w laboratoriach WIMiC udało się stworzyć prototypowe materiały CFRC 2D, które nie odbiegają znacząco parametrami od wybranych komercyjnych odpowiedników. Teraz naukowcy chcą wykorzystać te doświadczenie, żeby wyprodukować tworzywo o bardziej skomplikowanej architekturze, którego parametry będą odpowiadały celom projektu. Zamierzają zbadać możliwość formowania kompozytów z wykorzystaniem różnych technik tworzenia fazy zbrojącej – poprzez tworzenie wielokierunkowych preform z prętów wzmocnionych włóknem węglowym oraz ich nawijanie, a także wykorzystanie różnych prekursorów fazy węglowej i sposobów dosycania kompozytów.

Testowana będzie m.in. metoda CVI (ang. Chemical Vapor Infiltration), gdzie prekursorem osnowy jest reaktywny gaz węglonośny, które osadza się na preformie i po poddaniu pirolizie tworzy osnowę o gęstości i mikrostrukturze, która powinna dawać oczekiwaną odporność na erozję. – Pokładamy dużą nadzieję, że właśnie ta metoda będzie nie tylko dobra jakościowo, ale też konkurencyjna pod względem ekonomicznym w stosunku do pozostałych – mówi kierownik projektu.

Naukowcy zamierzają również wzbogacić kompozyty o fazę ceramiczną zawierającą związki krzemu i pirowęgiel, aby zwiększyć ich odporność na utlenianie i erozję w warunkach wysokiej temperatury.

Prace profesorów Chłopka i Błażewicza

Badania na kompozytami węgiel-węgiel, prowadzone obecnie na WIMiC, rozwijają kapitał intelektualny zgromadzony przez wcześniejsze pokolenie naukowców. – W naszym wydziale od lat 90. były realizowane prace nad wytwarzaniem implantów z kompozytów typu węgiel-węgiel. Badano wówczas możliwość dostosowania właściwości mechanicznych materiałów do kości, co pozwoliłoby wyeliminować problem nadmiernych naprężeń po implantacji. Przez kilkanaście lat zajmowali się tym z niemałymi sukcesami prof. Jan Chłopek oraz prof. Stanisław Błażewicz, który był promotorem mojej pracy doktorskiej i jest autorem kilkuset publikacji i około 60 patentów w obszarze syntetycznych materiałów węglowych – opowiada dr inż. Gubernat.

Naukowiec jest przekonany, że wciąż istnieje potencjał, aby technologię rozwijać: – W ramach projektu planujemy zakup nowej aparatury, która pozwoli na wytwarzanie i modyfikowanie nowych generacji takich materiałów. Pomysłów mamy wiele, np. z zakresu modyfikacji nanododatkami. Jeszcze kilkanaście lat temu nie było takich możliwości.

Projekt „Opracowanie nowej generacji dyszy silników rakietowych z materiału kompozytowego typu węgiel-węgiel” został dofinansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach XIII edycji programu LIDER.

Stopka