28 listopada osiągnięto jeden z kamieni milowych pracy badawczo-rozwojowej „Opracowanie trójstopniowego suborbitalnego systemu rakietowego do wynoszenia ładunków badawczych” – pomyślny test silnika rakietowego na stały materiał pędny o średnicy 610 mm.
Chociaż zasadniczym celem przedsięwzięcia jest opracowanie trójstopniowego suborbitalnego systemu rakietowego wielokrotnego użytku zdolnego do wyniesienia ładunku powyżej linii Kármána, to jest to faktycznie o wiele szerzej zakrojony program. Członkowie konsorcjum założyli bowiem jeszcze na początku pracy, że w jej ramach powstają także rozwiązania i technologie bezpośrednio związane z uzyskaniem przez Polskę nowych kompetencji w obszarze technologii podwójnego zastosowania w technice rakietowej. Silnik rakietowy, który przeszedł pomyślnie pierwszy test 28 listopada br., doskonale wpisuje się w te zamierzenia. Sam projekt, i powstające w jego ramach rozwiązania i technologie tzw. podwójnego zastosowania, był niedawno prezentowany na łamach „Wojska i Techniki” (WiT 8/2023), wypada jednak przypomnieć jego główne założenia.
Projekt badawczo-rozwojowy „Opracowanie trójstopniowego suborbitalnego systemu rakietowego do wynoszenia ładunków badawczych” realizowany jest siłami konsorcjum: Wojskowe Zakłady Lotnicze Nr 1 S.A. (lider), Zakład Produkcji Specjalnej „Gamrat” Sp. z o.o. i Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia na mocy umowy POIR.01.01.01-00-0834/19-00, zawartej w kwietniu 2020 r. z Narodowym Centrum Badań i Rozwoju. Wartość projektu to ponad 23 mln PLN, a kwota dofinansowania – ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju w zakresie Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014–2020 w ramach konkursu Szybka Ścieżka „Technologie Kosmiczne” 5.1.1.1/2019 – wynosi ponad 18 mln PLN. Okres realizacji projektu ustalono na od 1 kwietnia 2020 r. do 30 listopada 2023 r.
Końcowy stopień trójstopniowej suborbitalnej rakiety nośnej o średnicy 300 mm przygotowany do testu poligonowego.
Celem projektu jest opracowanie rakietowego trójstopniowego suborbitalnego systemu nośnego wielokrotnego użytku, zdolnego do wyniesienia ładunku o masie 40 kg powyżej linii Kármána (100 km), umownie uznawanej za granicę przestrzeni kosmicznej. Zastosowane w nim rozwiązania mają ograniczyć koszty wynoszenia aparatury umożliwiającej prowadzenie badań i prac eksperymentalnych w warunkach mikrograwitacji oraz sondowanie górnych warstw atmosfery. Prace pozwolić mają na opanowanie technologii i zdobycie doświadczenia w zakresie produkcji segmentowych silników rakietowych na paliwo stałe.
Za kluczowe w realizacji przedsięwzięcia uznano opracowanie i wykonanie następujących rozwiązań i technologii (na poziomach TRL 8 i 9):
Wiele z innowacyjnych w skali naszego kraju rozwiązań i technologii przewidzianych do opracowania, wdrożenia oraz przetestowania, można z powodzeniem wykorzystać przy projektowaniu i produkcji systemów uzbrojenia rakietowego – przeciwlotniczych, a także do rażenia celów naziemnych. Dotyczy to m.in. silników rakietowych na stały materiał pędny o dużym impulsie całkowitym, wykorzystujących paliwo kompozytowe. To kluczowe kompetencje – podobnie jak system rozdzielania członów – przy opracowywaniu pocisków przeciwlotniczych krótkiego i średniego zasięgu, a także pocisków balistycznych „ziemia-ziemia” o zasięgu nawet kilkuset kilometrów. Niemniej ważne jest opracowanie proporcjonalnych układów sterowania rakiet z napędami elektrycznymi, współpracującymi z aerodynamicznymi powierzchniami sterowymi, czy układu dwukierunkowej łączności z obiektem – w tym przypadku wykorzystywanym do transmisji danych telemetrycznych, ale mogącym zostać przekształcony w system radiokorekcji trajektorii lotu pocisku kierowanego na odcinku, na którym naprowadzany jest za pomocą układu bezwładnościowego. Równie istotne są technologie produkcji samych płatowców rakiet, np. kształtowanie elementów z materiałów kompozytowych czy klejone połączenia metal–kompozyt. Nie do przecenienia są także doświadczenia zdobyte podczas opracowywania metodyki prób, prowadzenia testów naziemnych i w locie, a także analizy ich wyników pozyskanych za pomocą układów telemetrii.
Jednym z celów projektu jest opracowanie technologii wytwarzania silnika rakietowego o impulsie całkowitym 1 000 000 Ns. O znaczeniu tych prac niech świadczy to, że w ramach konsorcjum za opracowanie i wykonanie układu napędowego rakiety odpowiadają wszyscy jego członkowie. Rolą WITU było opracowanie konstrukcji silników o średnicach: 105, 200, 300 i 610 mm, wykonanie kompozytowych korpusów w technologii nawijania włókien ciągłych w osnowie żywicy epoksydowej wraz z warstwą ablacyjną oraz przeprowadzenie ich badań statycznych i nadzór nad dynamicznymi. WZL Nr 1 S.A. wykonały, na podstawie dokumentacji WITU, niektóre elementy silnika: metalowe części korpusu – kołnierze górne i części denne, a także kompozytowe dysze o wydłużonej części zbieżnej, zaś Gamratowi przypadło opracowanie paliwa, technologii jego odlewania, wykonanie ładunków napędowych oraz elaboracja (wraz z WITU) silników.
Dziś można już napisać, że cel ten został osiągnięty. Bowiem w ramach pracy zostały wykonane układy napędowe na stały materiał pędny o różnych wymiarach – o średnicach 105 mm, 200, 300 mm i 610 mm oraz mikrosilniki. Ten o średnicy 105 mm posłużył jako napęd modelu rakiety do weryfikacji poprawności działania nowych rozwiązań na obiekcie mniejszym (sam model może posłużyć jako baza do opracowania kierowanego pocisku „ziemia-powietrze” klasy VSHORAD), 300 mm na paliwo kompozytowe ma stanowić napęd poszczególnych stopni zasadniczego nosiciela, a ten o średnicy 610 mm jest jego wersją w skali 2:1 i pomyślany jest jako demonstrator zdolności wykonania przez polski przemysł obronny układów napędowych rakiet nośnych o większych możliwościach bądź pocisków aerobalistycznych „ziemia-ziemia” o zasięgu 300 i więcej kilometrów.
W przypadku rakiet modelowych o średnicy 105 mm (dwie wersje – w układzie aerodynamicznym kaczki i klasycznym) zastosowano rozwiązania (o różnej konstrukcji) z paliwem dwubazowym, opartym na nitrocelulozie i nitroglicerynie.
Zgodnie z założeniami pracy do docelowej rakiety wykonano najpierw silnik o średnicy 300 mm z innym rodzajem paliwa – kompozytowym, z ziarnem typu „gwiazda”. Jego skład opracowali specjaliści ZPS „Gamrat” Sp. z o.o. i jest to paliwo oparte na nadchloranie amonu jako utleniaczu.
Elaboracja tak dużego silnika – masa całości wynosi 148 kg, długość z dyszą 179 cm, masa ładunku paliwa 100 kg – stanowiła nie lada wyzwanie, biorąc pod uwagę ówczesne zaplecze linii produkcyjnej, przeznaczonej do wytwarzania większej liczby, ale małych ładunków (do 20÷25 kg). Zastosowane nowatorskie rozwiązania konstrukcyjne silnika pozwoliły uzyskać stosunek masy ładunku paliwa do masy całego silnika na poziomie bliskim 0,7. Jest to bardzo dobry parametr, biorąc pod uwagę, że napędy wielu pocisków uznawanych za nowoczesne – kupowanych obecnie za granicą dla Sił Zbrojnych RP – mają go na poziomie 0,4–0,5.
W maju 2023 r. pierwszy silnik o średnicy 300 mm został zmontowany i poddany defektoskopii, a pod koniec czerwca zespół specjalistów z WITU i Gamratu przeprowadził jego pierwsze odpalenie na hamowni w Zielonce. Wynik testu był pomyślny, a badania statyczne silnika były kontynuowane latem. Silnik uzyskał podczas próby impuls całkowity o wartości ponad 240 kNs. Jego ciąg to ok. 40 kN. Było to także potwierdzenie zdolności do wytwarzania jeszcze większych zespołów napędowych, do tego celu zmodernizowano zaplecze produkcyjne Gamratu.
Modułowa konstrukcja silnika umożliwia łączenie go w segmenty, dzięki czemu zwiększa się impuls całkowity. W przypadku rakiety suborbitalnej jej pierwszy stopień będzie wyposażony w silnik dwusegmentowy.
Latem rozpoczęto w Gamracie intensywne przygotowania do elaboracji silnika o średnicy 610 mm, w którym masa paliwa wynosić miała niemal 500 kg. Jego zaplanowane wykorzystanie to wspomaganie startów innych systemów nośnych w celu zwiększania ich ładowności lub samodzielne źródło napędu np. pocisków balistycznych „ziemia-ziemia”.
Odlewanie materiału pędnego silnika zakończono na początku listopada br. Badania, m.in. rentgenowskie, potwierdziły poprawność wykonania, a to z kolei umożliwiło przystąpienie do montażu kompletnego silnika. Proces ten zakończono w drugiej połowie listopada, a po kolejnym cyklu badań kontrolnych w warunkach laboratoryjnych, silnik umieszczono na specjalnie przygotowanym stanowisku testowym na poligonie Lipa koło Nowej Dęby, wykorzystywanym przez Ośrodek Badań Dynamicznych WITU w Stalowej Woli. Silnik odpalono 28 listopada, a przebieg testu uznano za pomyślny. Postawionym w nim celem było sprawdzenie działania układu napędowego, którego koncepcja, pełny proces technologiczny i wykonanie są dziełem wspomnianego zespołu. W jego ramach zweryfikowano m.in. zachowanie się użytych materiałów ablacyjnych, strukturalnych i pędnych. Silnik wytworzył w teście ponad 1 200 000 Ns impulsu całkowitego przy masie materiałów pędnych sięgającej 500 kg. Efektywny czas pracy wyniósł kilkanaście sekund.
Jak wspomniano, w projekcie „Opracowanie trójstopniowego suborbitalnego systemu rakietowego do wynoszenia ładunków badawczych” przewidziano dwa główne kamienie milowe – test silnika rakietowego na paliwo stałe o impulsie całkowitym 1 200 000 Ns i wyniesienie masy 40 kg na wysokość 100 km lub więcej. Próba z 28 listopada potwierdziła osiągnięcie pierwszego z nich. Niestety, z wielu przyczyn, w większości niezależnych od członków konsorcjum, nie udało się w terminie zawartym w umowie uzyskać drugiego. W związku z tym, choć prace rozwojowe formalnie zakończyły się 30 listopada 2023 r., konsorcjum wystąpiło już w październiku z wnioskiem do instytucji nadzorującej o możliwość kontynuacji prac w okresie kolejnych dwóch lat. W trakcie posiedzenia komitetu sterującego podjęto decyzję o priorytetowym przeprowadzeniu próby silnika rakietowego o impulsie całkowitym 1 200 000 Ns, jako testu obarczonego mniejszym ryzykiem niż prowadzenie badań poligonowych układu nośnego na nadmorskim poligonie o tej porze roku. Skorygowany harmonogram pracy przewiduje wyniesienia w drugiej połowie 2024 r. na wysokość 100 km masy płatnej o masie 40 kg.
Dzięki sukcesowi listopadowej próby silnika o średnicy 610 mm konsorcjum rozważa użycie go jako pierwszego stopnia trójstopniowej rakiety suborbitalnej, która ma zostać wykorzystana do wyniesienia wspomnianego ładunku poza linię Kármána. Przyczyni się to do znacznego podniesienia możliwości systemu nośnego, przede wszystkim wynoszonej masy płatnej. Większa średnica pierwszego stopnia znacznie ułatwi również separację członu startowego na relatywnie niewielkich wysokościach i przy występowaniu dużego ciśnienia dynamicznego (analogiczne zjawisko obserwuje się m.in. przy separacji stopni pocisku 5W24/5W27 systemu OPL S-125).
Na przestrzeni kolejnych dwóch lat realizacji prac (2024–2025), przy dodatkowym zaangażowaniu środków własnych poszczególnych konsorcjantów, planuje się realizację czterech tur poligonowych na Centralnym Poligonie Sił Powietrznych w Ustce. W każdym roku planowane są one na maj i wrzesień. W trakcie pierwszej tury poligonowej – w maju 2024 r. – planowany jest start rakiety składającej się z trzeciego stopnia. Celem testu będzie sprawdzenie układu sterowania rakiety i pozostałych elementów systemu. Kolejne trzy tury poligonowe posłużą startom rakiety trójstopniowej na wysokość 100 km z masą płatną wynoszącą min. 40 kg.
Zobacz więcej materiałów w pełnym wydaniu artykułu w wersji elektronicznej >>`
Pełna wersja artykułu
