Новые решения для ракетных двигателей: легче, прочнее, надежнее

В Центр Келдыша представили результаты двух исследований, направленных на повышение надежности и снижение массы ракетных двигателей. Работы посвящены одной из ключевых задач современной ракетной техники — точному пониманию того, как ведут себя материалы и соединения под нагрузкой.

Легче, прочнее и надежнее: новый подход к конструкции сопла

Специалисты Центра Келдыша предложили способ сделать поворотное сопло ракетного двигателя значительно легче без потери прочности.

Обычно в таких узлах используется стальная арматура, которая утяжеляет конструкцию и усложняет управление. Исследователи заменили сталь на углеродные композиты — материал в несколько раз легче, но при этом достаточно жесткий.

Главная сложность заключалась в том, чтобы точно рассчитать, как будет деформироваться резиновая часть шарнира при работе. Обычные методы здесь не подходят, поэтому была применена более сложная модель, учитывающая большие деформации.

Чтобы убедиться, что расчеты верны, ученые Центра провели наглядные эксперименты: буквально «подсветили» напряжения внутри материалов с помощью метода фотоупругости. Причем им удалось расширить возможности этого метода — впервые он был эффективно применен к мягким, эластичным материалам при больших деформациях.

Проведенные исследования подтвердили, что новая конструкция сохраняет прочность, при этом масса узла может быть снижена примерно в три раза. Одновременно была показана эффективность нового подхода к экспериментальной проверке сложных расчетов, что особенно важно при проектировании ответственных элементов ракетной техники.

Где возникают критические нагрузки: точная проверка соединений

Исследование было посвящено разъемным соединениям корпуса ракетного двигателя — именно тем местам, где чаще всего возникают опасные напряжения.

Ученые совместили компьютерное моделирование и физические эксперименты. Сначала они рассчитали поведение соединений (резьбовых и шпоночных) в инженерной программе, а затем создали прозрачные модели и проверили результаты «вживую» с помощью света.

Ключевое достижение — разработка метода «виртуальной фотоупругости». Он позволяет прямо в компьютерной модели увидеть те же картины напряжений, что и в реальном эксперименте.

Сопоставление расчетов и экспериментов показало их качественное совпадение: были точно определены зоны максимальных нагрузок и подтверждена корректность используемых моделей. Это позволило выявить наиболее уязвимые участки конструкций, такие как первые витки резьбы и углы пазов, где и происходит разрушение при предельных нагрузках. Полученные результаты дают возможность заранее учитывать эти особенности и усиливать конструкцию еще на этапе проектирования.

Проведенные работы демонстрируют высокий уровень компетенций специалистов Центра Келдыша в области прочностного анализа и экспериментальной валидации ракетных конструкций. Сочетание современных методов численного моделирования, нелинейной механики материалов и оптической диагностики позволяет получать достоверные результаты и подтверждать их в натурных экспериментах.
Комплексный подход к расчету и проверке конструкций обеспечивает высокий уровень надежности разрабатываемых решений и подтверждает ведущие позиции Центра Келдыша в области ракетного двигателестроения.

Результаты данных исследований были представлены на научных мероприятиях. На 52-х Гагаринских чтениях оба доклада были отмечены первыми местами. На 11-х Колачёвских чтениях результаты также были высоко оценены: Кривун Кирилл занял первое место, а Пещерова Анастасия – второе место.