Инженеры Харбинского университета нашли необычное применение гелию в ракетных двигателях. На открытие их натолкнули проблемы космического корабля Boeing Starliner . Изучив причины поломки, китайские специалисты придумали, как использовать легкий газ для увеличения мощности двигателя и одновременно сделать ракету почти невидимой для тепловых радаров.
Сейчас из-за утечки гелия в топливной системе Starliner двое астронавтов NASA вынуждены оставаться на Международной космической станции с июня 2024 года. Вообще это вещество в космическом корабле используется для поддержания давления в топливных баках, и его утечка фактически сделала корабль неработоспособным. По предварительным данным, астронавты смогут вернуться на Землю не раньше первого квартала 2025 года, когда будет решена проблема с системой подачи топлива.
В чем же суть китайского открытия? Группа ученых под руководством аэрокосмического исследователя Ян Цзэнаня разработала принципиально новый способ подачи топлива. Газ поступает в камеру сгорания через специально рассчитанные микропоры диаметром 2 миллиметра – именно такой размер обеспечивает оптимальный контроль над процессом.
В ходе многочисленных экспериментов была выведена идеальная закономерность: максимальная эффективность достигается при соотношении одной части гелия на четыре части продуктов сгорания. Любое отклонение от этой пропорции снижает показатели.
Физические свойства гелия – сверхлегкого инертного газа с плотностью 0,166 кг/м³ (4 г/моль) – позволяют ему мгновенно расширяться в камере сгорания. Благодаря этому эффекту удалось достичь впечатляющих показателей: удельный импульс двигателя увеличился на 5,77%, а тягу теперь можно наращивать более чем втрое – до 313% от исходного значения.
В процессе испытаний обнаружился еще один важный эффект: гелий радикально снижает температурный режим работы установки. Выхлопные газы охлаждаются на 1327°C (2420,6°F), из-за чего тепловой след ракеты становится практически неразличимым для инфракрасных датчиков. Это свойство открывает широкие перспективы военного применения технологии.
Более того, химическая инертность газа дает дополнительное преимущество: в отличие от водорода и других активных веществ, способных дестабилизировать горение, гелий не вступает в реакцию с компонентами топлива. В результате двигатель работает равномерно, а ракета сохраняет устойчивость полета даже при резком изменении тяги.
Статья об исследовании вышла в журнале Acta Aeronautica et Astronautica Sinica. На данном этапе все расчеты проводились с помощью компьютерного моделирования.
Способность снижать тепловой след особенно важна в контексте современных систем противоракетной обороны. Например, спутники SpaceX Starshield и перехватчики SM-3 Block IIA, обнаруживают запуски ракет с помощью инфракрасных датчиков, которые улавливают характерное тепловое излучение выхлопа.
Возможность регулировать тягу в реальном времени в диапазоне от 100% до 313% открывает новые тактические перспективы, особенно в области гиперзвукового оружия. Ракета сможет непредсказуемо менять скорость во время полета, что сделает крайне сложным расчет траектории перехвата. Современные системы ПРО просто не успеют среагировать на такие резкие изменения. Для обычной космической отрасли эта разработка – тоже ценный алмаз, ведь твердотопливные ракеты-носители с гелиевой системой позволят быстрее и дешевле выводить спутники на орбиту.