Znak Politechniki Warszawskiej

Silniki rakietowe studentów PW – przyszłość przemysłu kosmicznego

Silnik hybrydowy stworzony przez KNN MELprop podczas testów

Nad silnikiem hybrydowym nasi studenci pracowali przez niemal rok, fot. KNN MELprop

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.

Członkowie KNN MELprop pochylają się nad wtryskiwaczami do silnika na paliwo ciekłe

W 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.

Silnik na paliwo ciekłe

Silnik na paliwo ciekłe wciąż jest ulepszany, fot. KNN MELprop

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.

***

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