Budowa rakiet i materiałoznastwo

BUDOWA RAKIET I
MATERIAŁOZNAWSTWO
WSTĘP
Technologie, które zostały rozwinięte w oparciu o techniki satelitarne, w sposób rewolucyjny wpłynęły
na życie ludzkie i czynią to nadal w rosnącym tempie. Globalna i szybka telekomunikacja, wideokonferencje,
aplikacje internetowe wymagają coraz większej liczby satelitów a te z kolei potrzebują rakiet wynoszących.
Zarówno w czasie pokoju jak i konfliktów technologie kosmiczne mają żywotne znaczenie dla
narodów.
W nadchodzących latach, takie dziedziny życia jak komunikacja, nawigacja, kontrola, prognozowanie
pogody, śledzenie zmian na ziemi, nadzór, rozpoznanie i wczesne ostrzeganie przed niebezpieczeństwem,
obrona czy badania międzyplanetarne będą się rozwijały i wykorzystywały przestrzeń kosmiczną. Popyt na
wynoszenie satelitów będzie rósł.
Należy zadać sobie pytanie czy Polska ma ambicje i możliwości na aktywny udział
w budowie rakiety wynoszącej?
Oczywiste jest, że jest to możliwe w wypadku współpracy Polski z krajami europejskimi w oparciu
o europejskie programy naukowe wsparte finansowaniem budżetowym.
Rynek dużych rakiet wynoszących jest już podzielony i leży poza możliwościami finansowymi i technicznymi
naszego kraju. Istnieje natomiast coraz większe zapotrzebowanie na tanie rakiety wynoszące na orbity Ziemi
małe ładunki o masie ok. 200 kg. Ich zalety to niższa cena oraz możliwość częstego wystrzeliwania po szybkim
skompletowaniu ładunku.
Korzyści z udziału Polski w budowie rakiety wynoszącej są następujące:
 ROZWÓJ NOWYCH TECHNOLOGII W WIELU DZIEDZINACH GOSPODARKI
 DOSTĘP DO NAJNOWOCZEŚNIEJSZYCH ROZWIĄZAŃ TECHNICZNYCH
 POWIĄZANIE POLSKICH PRZEDSIĘBIORSTW Z CZOŁOWYMI OŚRODKAMI NAUKOWYMI
W KRAJU I W EUROPIE
 KONSOLIDACJA POLSKIEGO PRZEMYSŁU
 ASPEKT MILITARNY
KIERUNKI ROZWOJU W ASPEKCIE BUDOWY RAKIETY WYNOSZĄCEJ
Polska powinna wyspecjalizować się w konstrukcji, badaniach i wykonaniu pewnych zespołów rakiety
wynoszącej. Potencjał naukowy, badawczy i wytwórczy istniejący w naszym kraju skłania do wytypowania
następujących elementów rakiety, które potencjalnie mogą się stać naszą specjalnością wśród nowych krajów
mających aspiracie kosmiczne:
•
•
BUDOWA SILNIKA RAKIETOWEGO NA PALIWO CIEKŁE
BUDOWA ZBIORNIKÓW NA CIEKŁY TLEN I CIEKŁE PALIWO
W budowie silnika głównym celem poza niższą ceną może być zastosowanie do napędu „czystego” paliwa np.
ciekłego metanu a jako utleniacza ciekłego tlenu. Aspekt „ekologicznych” materiałów pędnych jest w obszarze
zainteresowania głównych ośrodków kosmicznych na świecie.
W budowie zbiorników proponuje się użycie materiałów kompozytowych, co powinno zaowocować niższą
wagą kompletnych zbiorników.
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www. kosmos.gov.pl
MOŻLIWOŚCI
WYNOSZACEJ
PRZEMYSŁU
KRAJOWEGO
W
BUDOWIE
ELEMENTÓW
RAKIETY
Tab. nr 1. Analiza polskiego potencjału naukowego i przemysłowego.
Obszar/zagadnienie
KONSTRUKCJA I
OBLICZENIA
SILNIKA
RAKIETOWEGO
BUDOWA
PROTOTYPU,
BADANIA
BUDOWA SILNIKA
1:1
Ocena polskiego
potencjału (w punktach,
od 0 do 5)
Polski potencjał (lista
podmiotów)
Czas dojścia do
stanu „5”,
bariery i
konieczne
uzupełnienia
Naukowo- Przemysło
badawczy wy
BUDOWA SILNIKA RAKIETOWEGO NA PALIWO CIEKŁE
3
Instytut Lotnictwa
2
PW (MEiL)
ITWL
2
2
2
2
Materiały
żarowytrzymałe
2
2
Materiały do pracy w
niskich temperaturach
1
1
Własności materiałów
konstrukcyjnych w
niskich temperaturach
2
0
Możliwe
„niekosmiczne”
zastosowania w
gospodarce
(konkretne przykłady)
Zastosowania
wojskowe
WSK RZESZÓW,
Instytut Lotnictwa
WZL 2,4
WSK RZESZÓW
WZL 2,4
PZL Kalisz
Wojskowy Instytut
Techniczny Uzbrojenia w
Zielonce
SNECMA
AVIA-Polsks
MŚP (Dolina Lotnicza)
4
Instytut Lotnictwa
(CBMiK),
WSK Rzeszów
AGH
Instytut Fizyki PAN
3
Energetyka, piece,
przemysł
samochodowy
4
Przemysł
samochodowy,
zbiorniki na skroplone
paliwo
6
3
Drogi osprzęt do
maszyn
wytrzymałościowych
Technologie
4
4
Instytut Plazmy i
2
Przemysł
plazmowego nanoszenia
Laserowej Mikrosyntezy
lotniczy,
powłok na dużych
WSK Rzeszów
okrętowy,
elementach (1000 mm)
WZL
samochodowy,
IMP
maszynowy,
energetyczny
Technologie
4
4
Explomet S.c. (Opole)
1
Przemysł lotniczy,
wybuchowego łączenia
WAT
okrętowy,
materiałów (np: stalenergetyczny,
aluminium, stal-miedź)
elektrotechniczny
Własności paliw i
2
0
2
Przemysł
utleniaczy w niskich
motoryzacyjny,
temperaturach (100K)
lotniczy,
BUDOWA ZBIORNIKÓW PALIWOWYCH (CIEKŁY TLEN, METAN)
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www. kosmos.gov.pl
KONSTRUKCJA I
3
OBLICZENIA
BUDOWA
2
PROTOTYPU
BADANIA
WYKONAWSTWOZBI 2
ORNIKA 1:1
2
Instytut Lotnictwa,
Politechnika Wrocławska
Instytut Lotnictwa,
„Kompozyt”
2
2
Instytut Lotnictwa,
„Kompozyt”,
Zakłady Lotnicze
Margański & Mysłowski
6
Technologie
kompozytowe
(nawijarki)
2
1
f-ma „Kompozyt”
Wrocław
6
Materiały kompozytowe 1
do pracy w warunkach
próżni i niskich
temperaturach
0
Instytut Lotnictwa
6
Technologie połączeń
kompozyt metal w tzw
węzłach siłowych
Oddziaływanie paliw i
utleniaczy na materiały
konstrukcyjne w tym
kompozyty
Materiały izolacyjne
i osłonowe
2
1
6
0
0
Instytut Lotnictwa,
Zakłady Lotnicze
Margański & Mysłowski
WAT
1
1
?
4
Metody ultradźwiękowe, 2
rentgenowskie i inne
nieniszczące badań
kompozytów
1
Politechniki: Wrocławska
Warszawska
3
KONSTRUKCJA
TURBOPOMP
3
KONSTRUKCJA
UKŁADÓW
ZASILAJĄCYCH
WYKONAWSTWO
ZESPOŁÓW,
ZAWORÓW,
INSTALACJI
4
2
4
2
UKŁADY HYDRAULICZNE I ZASILAJĄCE
2
Instytut Lotnictwa,
2
PZL-Hydral
WSK Rzeszów
PZL Kalisz
4
PZL-Hydral,
3
WSK Rzeszów
3
3
PZL-Hydral
Progres Sp.z o.o
WSK Rzeszów
5
Uszczelnienia do pracy 1
w niskich temperaturach
1
PZL-Hydral
2
Własności materiałów
konstrukcyjnych w
niskich temperaturach
0
Zbiorniki na wysoko
sprężone gazy i
skroplone gazy,
przemysł
motoryzacyjny,
Zbiorniki na wysoko
sprężone gazy i
skroplone gazy,
przemysł
motoryzacyjny,
Przemysł maszynowy,
lotniczy,
motoryzacyjny.
Przemysł
motoryzacyjny,
lotniczy
Przemysł maszynowy,
budowlany,
ciepłownictwo
Przemysł
motoryzacyjny,
lotniczy. maszynowy
Przemysł
samochodowy
Przemysł
samochodowy po
wejściu skroplonych
paliw metan, wodór
3
Drogi osprzęt do
maszyn
wytrzymałościowych
TECHNIKI OBLICZENIOWE (potwierdzone wynikami badań laboratoryjnych)
Programy do obliczeń
2
1
PW
3
Wszystkie gałęzie
wymiany ciepła
przemysłu
Programy do obliczeń
2
1
PW
3
Wszystkie gałęzie
©
2
Przemysł
motoryzacyjny,
lotniczy, maszynowy
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www. kosmos.gov.pl
przepływów
Programy do obliczeń
wytrzymałości
materiałów
wielowarstwowych
2
1
Instytut Lotnictwa
PW
Instytut Lotnictwa
3
przemysłu
Wszystkie gałęzie
przemysłu
Zakłady lotnicze z racji stosowanych procedur, norm oraz jakości wytwarzanych wyrobów stanowią naturalna
bazę do wytwarzania podzespołów dla przemysłu kosmicznego. Szereg przedsiębiorstw prywatnych dysponuje
technologiami, które przy ich specjalistycznemu rozwojowi mogę być wykorzystane przy budowie silników
i zbiorników dla przyszłej rakiety wynoszącej.
ROZWÓJ TECHNOLOGII
Istotnym problemem w realizacji przedsięwzięcia polegającego na budowie elementów rakiety wynoszącej jest
dostęp i rozwój niezbędnych technologii. W powyższej tabeli zestawiono główne technologie i umiejętności,
których rozwój wydaje się konieczny do realizacji przedsięwzięcia.
Główny nacisk należy położyć na rozwój materiałoznawstwa.
Wymagania stawiane konstrukcjom kosmicznym zmuszają do sięgnięcia po materiały o skrajnie
zróżnicowanych wymaganiach. Z jednej strony mamy materiały żarowytrzymałe do pracy w bardzo wysokich
temperaturach a z drugiej materiały do pracy w temperaturach kriogenicznych rzędu 70 K.
Konstrukcje powinny się charakteryzować dużą wytrzymałością i niską wagą a kryteria bezpieczeństwa
konstrukcji muszą być wyższe od konstrukcji lotniczych. Wymaga to ścisłej współpracy między hutami (ich
ośrodkami badawczymi) a laboratoriami przemysłowymi lub naukowymi.
Konieczne jest opracowanie zamienników stali, na których pracował do tej pory przemysł lotniczy (głównie
stale opracowane w byłym ZSRR). Niezbędne jest uruchomienie badań własności materiałów w niskich
temperaturach rzędu 70 K.Dostępne obecnie dane materiałowe dotyczą temperatur rzędu 230 K a te dotyczące
niższych temperatur są objęte tajemnicą firm prowadzących badania.
Badaniom w niskich temperaturach należy poddać poza materiałami konstrukcyjnymi także paliwa, materiały
izolacyjne, oraz materiały na elementy uszczelniające pracujące w warunkach kriogenicznych.
Współczesne konstrukcje kosmiczne wykorzystują w dużej mierze materiały kompozytowe. W kraju w sposób
dynamiczny rozwijają się technologie kompozytowe do zastosowań naziemnych i lotniczych. Z ważnych
konstrukcji należy wymienić kompozytowy samolot I-23 skonstruowany i wykonany w Instytucie Lotnictwa
oraz konstrukcje powstające w Zakładach Lotniczych Margański & Mysłowski. Konstrukcje kosmiczne
wymagają uwzględnienia dużych zmian temperatur, wysokich ciśnień (zbiorniki) oraz warunków próżni
panujących na orbitach okołoziemskich.
Wydaje się konieczne opanowanie technologii tworzenia konstrukcji kompozytowych w warunkach
sterowanego naciągu włókna i przesycania go żywicami w warunkach próżni. Obecnie brak w kraju nawijarek
do kompozytów (konieczne do zbiorników ciśnieniowych) spełniających w/w wymagania i umożliwiających
opanowanie technologii (powtarzalność procesu).
Istotnym problemem jest opanowanie nieniszczących technik kontroli kompozytów pod wysokie wymagania
przemysłu kosmicznego.
Obok tych głównych wręcz fundamentalnych technologii należy zwrócić uwagę na szereg innych, które pojawią
się w podczas realizacji konkretnych zadań konstrukcyjnych i wykonawczych. Wśród nich na szczególną uwagę
zasługuje technologia wybuchowego łączenia metali. Pozwala ona łączyć takie metale jak miedz-stal czy
aluminium-stal i wykorzystywać ich szczególne właściwości.
Istotną cechą wymienionych technologii jest możliwość szerokiego ich zastosowania w innych gałęziach
przemysłu. Rozwój tych technologii znajdzie swe zastosowanie w przemysłach: lotniczym, metalurgicznym,
hutniczym, maszynowym, energetycznym i samochodowym. Ten ostatni wraz z nadchodzącymi zmianami
dotyczącymi zastosowania ciekłych paliw gazowych jak metan czy wodór stanie się naturalnym odbiorcą
rozwiązań dotyczących zbiorników kompozytowych, uszczelnień, materiałów konstrukcyjnych do pracy
w warunkach kriogenicznych.
Rozwój wymienionych technologii pozwoli włączyć się naszemu krajowi w budowę „polskiego” stopnia rakiety
wynoszącej jak, i konkurować na tym rynku z innymi krajami.
BARIERY
• realizacja programów kosmicznych w aspekcie budowy rakiety wynoszącej wymaga wysokich
nakładów finansowych
• konieczne uruchomienie długofalowego finansowania budżetowego na wytypowane kierunki rozwoju
technologii kosmicznych
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www. kosmos.gov.pl
•
•
•
•
•
•
bariera technologiczna w zakładach przemysłowych – konieczny dostęp do technologii z zakresu hightech
nowi zagraniczni właściciele zakładów branży lotniczej mogą nie być zainteresowani w udziale
w „Polskim programie kosmicznym”
część technologii jest technologiami „podwójnego zastosowania” wraz z wynikającymi z tego faktu
ograniczeniami w wymianie handlowej.
dostęp do nowych materiałów
brak specjalistów z obszaru technik kosmicznych
brak specjalistycznej bazy laboratoryjnej
WNIOSKI
• Polska może wziąć udział w budowie elementów małej rakiety wynoszącej.
• Naszą specjalnością mogą być małe silniki rakietowe i zbiorniki na ciekłe paliwa
• Sektor wojskowy powinien być zainteresowany rozwojem tej dziedziny przemysłu
• Przemysł lotniczy może być bazą produkcyjna w/w elementów
• Procedury produkcyjne, normy lotnicze, jakość produkcji – predysponują firmy lotnicze do udziału
w programie kosmicznym
• Przemysł kosmiczny jest generatorem rozwoju najnowocześniejszych technologii mających
zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu (patrz tabela).
• Uczelnie powinny rozpocząć kształcenie specjalistów z dziedziny technologii kosmicznych np.
w formie studiów podyplomowych
Opracowanie: P. Kalina
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www. kosmos.gov.pl