Разработку двигателя одноступенчатой ракеты-носителя многократного использования, которая получила название «Корона», проводит Уральский межрегиональный научно-образовательный центр мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы», созданный на базе ведущих вузов и предприятий трех регионов Урала.

Создание концепта возвращаемого летательного аппарата Государственный ракетный центр им. академика В.П.Макеева (Челябинская область) ведет с 1992 г. В свое время в СССР был космический челнок «Буран», который совершил лишь один полет, а затем проект был закрыт на много лет. «Роскосмос» решил возродить идею создания возвращаемых ракета-носителей. Однако проблема в том, что для запуска и приземления «Бурана» требуется взлетно-посадочная полоса, что становится непреодолимым препятствием при высадке на другие планеты. Конструкция «Короны» предусматривает вертикальный взлет и посадку, а также, в отличие от используемых сегодня многоступенчатых ракет, предполагает целый ряд технических новшеств.

Сейчас космические аппараты возвращаются на Землю частями, а иногда и не возвращаются совсем, — говорит проректор по научно-образовательным центрам и комплексным научно-техническим программам Южно-Уральского госуниверситета Сергей Ваулин. — Большая одноступенчатая ракета-носитель будет возвращаться полностью. И за счет многократного использования стоимость доставки каждого килограмма груза на околоземную орбиту существенно снизится.

Кроме бесспорного экономического преимущества в концепцию новой ракеты-носителя заложена и важная экологическая составляющая: в качестве топлива будет использоваться смесь кислорода и водорода, отличительной особенностью которой является не только высокая эффективность, но и нетоксичность как самой смеси, так и продуктов сгорания.

До последнего времени реализацию проекта тормозило то, что в одноступенчатой ракете многократного использования может применяться только определенный тип двигателя — внешнего расширения с центральным телом. Изготовить двигатели большой тяги на современном этапе технически невозможно. Поэтому принято решение сделать многокамерный двигатель, объединяющий более десятка малых двигателей, расположенных по кругу, в центре которого будет находиться центральное тело, разгоняющее поток и создающее тягу.Разработка двигателя для принципиально новой одноступенчатой ракеты-носителя стала крупнейшим проектом Уральского межрегионального научно-образовательного центра «Передовые производственные технологии и материалы». В научных исследованиях, проектировании и испытаниях опытных моделей задействованы три ведущих вуза региона — Уральский федеральный университет им. Б.Н.Ельцина (УрФУ), Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) и Курганский государственный университет (КГУ).

В течение трех лет в стране планируется создать 15 научно-образовательных центров мирового уровня. Уральский межрегиональный научно-образовательный центр появился еще два года назад в числе первых. На стратегических сессиях были определены ключевые направления и компетенции будущего НОЦ: аэрокосмос, новые материалы и технологии, новая энергетика и металлургия, а УрФУ, ЮУрГУ и КГУ были определены как интеграторы этого процесса. В УМНОЦ объединены три серьезных направления: наука, производство, власть, что и стало залогом успеха проекта. Мы нацелены на получение результатов, важных не только для отдельных регионов, но и для Уральского федерального округа в целом, — говорит Сергей Ваулин.Главные площадки, на которых проводятся исследования и испытания этой уникальной разработки, Южно-Уральский государственный университет представил в рамках пресс-тура в марте. Специалисты ЮУрГУ продемонстрировали путь от идеи ученого и расчетов на суперкомпьютере через создание новых материалов, технологию их обработки и получение конструкций до испытания готовой разработки.Как известно, любая научная разработка начинается с идеи, облеченной в математическую модель. «Мозг» Лаборатории суперкомпьютерного моделирования ЮУрГУ сегодня занимает 13 место в топ-50 самых мощных компьютеров России и стран СНГ, его пиковая производительность — 473,6 терафлопс, которую обеспечивают 480 вычислительных узлов и 960 процессоров. Также в лаборатории имеется новейший вычислительный комплекс — нейрокомпьютер, предназначенный для обучения искусственных нейронных сетей на базе графических ускорителей.

Задача проектирования и образования смесей в ракетном двигателе рассчитывалась как раз на суперкомпьютере: была создана модель ракетного двигателя с КПД, который значительно превышал существующие аналоги. Огромная часть экспериментов была проведена именно виртуально, с использованием 3D-модели, — рассказывает руководитель лаборатории Наталья Долганина.При создании опытных моделей нередко возникает потребность в применении инновационных материалов со специфическими техническими свойствами, которые сохраняются даже в агрессивных средах, при аномально высоких или низких температурах, сильных перепадах давления. Зачастую для этого приходится изменять их исходные свойства на наноуровне.

В лаборатории НОЦ «Нанотехнологии» для испытаний химических и дисперсионных свойств новых материалов, анализа жидких сред и термического анализа установлено современное высокоточное оборудование суммарной стоимостью свыше $7 млн., прежде всего — два электронных микроскопа, в том числе просвечивающий высокого разрешения, а также оборудование для рентгеновских исследований.

Как рассказал директор центра Вячеслав Авдин, сегодня ученые работают над созданием стеклоуглепластикового материала с сотовой структурой, который выдерживает серьезные механические нагрузки и при этом выигрывает у металлических материалов за счет гораздо более легкого веса. При этом контролируемая геометрия инновационного материала позволяет настраивать механические свойства под конкретную задачу, формовать ленты бесконечной длины.

Рассчитываем, что созданный нами материал будет востребован и в автомобильной отрасли, и в ракетостроении. Основные испытания уже прошли, сейчас работаем над масштабированием производственной линии, — поделился Вячеслав Авдин. 

Также один из проектов НОЦ — создание органических фоточувствительных элементов, инновационных материалов для солнечных батарей и фотокатализаторов, которые позволяют разлагать трудно окисляемые органические загрязнения полностью, до простых веществ, то есть без образования вредных отходов в виде загрязненных сорбентов, концентратов — по принципам живой природы.   НИИ опытного машиностроения объединяет шесть современных лабораторий, расположенных в разных точках, а также центр компьютерного инжиниринга.

Производим опытные образцы, проводим много научно-исследовательских работ в сотрудничестве с предприятиями региона, изготавливаем по их заказу сложные вещи, которые невозможно поставить на поток: к примеру, многократно уменьшенную копию прокатного стана, которая используется как учебное пособие, — рассказывает директор центра Рамиль Закиров.

В Лаборатории экспериментальной механики, где в свое время проходили испытания 200-тонные двигатели «Бурана» и «Энергии», сегодня сконцентрировались преимущественно на двигателях малой тяги.

Крайне важно проверять динамические свойства ключевых узлов и механизмов экспериментальным путем, в лаборатории, на специальных вибростендах, потому что компьютерное моделирование зачастую учитывает слишком «идеальные» параметры, недостижимые в реальности — например, что все комплектующие закреплены «железобетонно», — рассказывает руководитель лаборатории Павел Тараненко.

Не так давно здесь проводились испытания сигнализатора давления, который устанавливается на ракеты, и акустическое воздействие было настолько сильным, что переполошило всех даже в главном корпусе, который находится за несколько сотен метров.

Модель-демонстратор жидкостного ракетного двигателя, созданного в учебно-исследовательском лабораторном комплексе НОЦ «Аэрокосмические технологии», сейчас проходит интенсивные испытания и в импульсном, и в маршевом режиме. Оборудование уже отработало более 200 циклов, пока все идет в штатном режиме. Управление процессом запуска обеспечивает система видеонаблюдения, с помощью которой ведется управление узлами комплекса и отладка режима работы.

Шестнадцать таких двигателей малой тяги будут установлены в центральном теле двигательной установки одноступенчатой ракеты-носителя. Проект «Исследование, разработка и создание демонстраторов двигательной установки с центральным телом, системы управления контроля с искусственным интеллектом ракетно-космического комплекса с полностью многоразовой одноступенчатой ракетой-носителем и универсальной космической платформой» — визитная карточка УМНОЦ. Разработчики оформляют заявку на получение патента.

Испытания продлятся до лета, в сентябре планируется демонстрационный пуск многокамерной двигательной установки. Сейчас модель работает на топливе, которое состоит из жидкого этилового спирта и газообразного кислорода.

В следующем году разработчики намерены перевести ее на кислородно-водородную смесь, что позволит выводить ракету на орбиты до 500 километров — верхнего предела так называемого «обитаемого пояса», в котором может работать пилотируемая орбитальная станция. Таким образом, на глобальном рынке проект Уральского НОЦа будет конкурировать с решениями компании SpaceX.

Если говорить о значимости проекта, то в истории космического дела мы немного не успели за Илоном Маском. Но мы быстро бегаем. Для реализации проекта мы консолидируем ведущие предприятия Уральского округа, самые светлые головы ученых нескольких вузов. Это серьезная задача мирового масштаба. Проект по-хорошему наглый и звонкий. Пандемия, к сожалению, немного подкузьмила. Сроки поджимают: осталось два с половиной года, чтобы досконально разобраться с двигательной установкой, композитным корпусом, системой управления — и появятся серьезные основания для обращения для серьезным федеральным финансированием, — рассказывает ректор Южно-Уральского государственного университета Александр Шестаков.

При разработке новейшего жидкостного ракетного двигателя использованы и исследования ученых Уральского федерального университета. Как говорит Сергей Ваулин, прежде всего, такое сотрудничество возможно в области материаловедения, математического моделирования и энергетики.

Все эти компетенции будут очень востребованы в реализации данного проекта. Мы уже успешно взаимодействуем с рядом предприятий в Свердловской области — Научно-исследовательским институтом машиностроения в Нижней Салде и НПО автоматики. Если к проекту подключится УрФУ, а также институты Уральского отделения академии наук, то эффект от сотрудничества будет колоссальным, — отмечает он.

К проекту «Корона» уже подключились лаборатории микропорошковых технологий, импульсных систем и быстропротекающих процессов, а также учебно-исследовательский лабораторный комплекс «Жидкостный ракетный двигатель», в котором проходят испытания двигателя, отрабатываются и оптимизируются его параметры.

Завершить испытания демонстратора двигателя для первой российской возвращаемой ракеты-носителя в ЮУрГУ планируют к 2024 г.

Конечно, ключевой на сегодняшний день проект — разработка двигателя для ракеты-носителя «Корона», но мы выполняем большое количество проектов для предприятий Челябинской области, которые будут актуальны для всех предприятий Уральского федерального округа. Наша задача не только создать эффективную технологию, но и подготовить специалистов, которые в будущем смогут продолжать реализацию проектов, — говорит Александр Шестаков.

Всего в Уральский межрегиональный НОЦ входят 66 организаций — 9 вузов, 10 научных организаций и 47 индустриальных партнеров. В портфеле центра — 48 проектов, треть из которых выполняют ученые ЮУрГУ. Например, в вузе работают над комплексом управления экологическими рисками «Экомонитор» и проектом переработки техногенных отходов медеплавильных предприятий. Еще один проект —  производство композитного материала с заданными характеристиками, технической особенностью которого является принципиально новый подход к формованию с организацией непрерывного процесса. На оборудовании вуза изготавливали комплектующие для «Арктического автобуса» — транспорта, который рассчитан на работу в аварийных ситуациях даже в условиях Крайнего Севера.

Портфель УМНОЦ «Передовые производственные технологии и материалы» сегодня насчитывает несколько десятков проектов, и их число будет только расти, подчеркивает ректор Уральского федерального университета, председатель управляющего совета УМНОЦ Виктор Кокшаров. Он уверен, что эти научные разработки способны стать драйверами развития экономики уральских регионов.