Современные жидкостные ракетные двигатели, принципы работы которых были предложены Циолковским более века назад, требуют дальнейшего совершенствования, утверждают учёные.

В чем причина неудачных запусков космических ракет? Что происходят в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей на наноуровне? Отдел нанотехнологий «Центра Келдыша» ищет ответы на эти вопросы.

Современные жидкостные ракетные двигатели, принципы работы которых были предложены Циолковским более века назад, требуют дальнейшего совершенствования. Время их работы во многом ограничивает агрессивное воздействие продуктов сгорания ракетного топлива на материал камеры сгорания. Теплозащитное покрытие и стенки камеры сгорания двигателя при этом могут разрушаться. Какие физические и химические процессы протекают в камере сгорания и что происходит с материалом на атомарном и нано - уровнях? На эти вопросы пытались ответить сотрудники ФГУП «Центр Келдыша», в котором два года назад был основан отдел нанотехнологий.

«Мы рассматривали процессы взаимодействия продуктов сгорания (керосина и кислорода) с теплозащитным хромоникелевым гальваническим покрытием и медной стенкой камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя в интервале температур от 600 до 1800 градусов Цельсия при давлениях от 80 до 160 атмосфер», — рассказывает сотрудник отдела нанотехнологий ФГУП «Центр Келдыша» Леонид Агуреев.

В камере сгорания ракетного двигателя происходит несколько физических и химических процессов. Сначала продукты сгорания проникают к стенкам камеры сгорания, происходит процесс физической адсорбции (при котором твердое вещество поглощает газ). Затем на поверхности стенок начинаются химические взаимодействия, хемосорбция (поглощение с образованием химических соединений), сублимация (переход твердого вещества в газообразное) и испарение. Продукты сгорания проникают внутрь теплозащитного покрытия и стенок камеры сгорания, вступая в химические взаимодействия.

Так, реакции с водородом в камере сгорания приводят к хрупкости металлов в результате проникновения его в покрытие и образования гидридов. Действительно, водород вступает в химическое взаимодействие с различными элементами и фазами в металлах и сплавах и проникает в микрополости, поры и микротрещины на поверхности камеры сгорания. Водород растворяется в кристаллической решетке металла в атомарном состоянии. Происходит хемосорбция, и хром, никель и медь образуют с водородом совершенные растворы. С ростом температуры количество адсорбированного водорода увеличивается.

Другая причина разрушения стенок камеры сгорания двигателя — взаимодействие с углеродом, который образуется из оксида углерода на металлическом покрытии. Образующийся сажистый углерод может самоорганизовываться в нановолокна. На хромовом покрытии концентрация углерода может оплавляться, после чего возникает трещина. В некоторых случаях на внутренней стенке камеры сгорания образуются углеродные волокна — на катализаторах (никель, медь), дефектах поверхности, трещинах, включениях, очагах газовой коррозии и отдельных частицах. Углеродные наноструктуры могут отрываться под действием газового потока, унося частицы металлического покрытия. Теплозащитное покрытие может также разрушать кислород, окисляющий медь и хром с появлением эрозии. То есть, при высоких температурах элементы газового потока — углерод и кислород — взаимодействуют с теплозащитным покрытием и стенками камеры сгорания, что также приводит к охрупчиванию хромового слоя за счёт образования оксидов и карбидов, а также углеродных нановолокон.

Кроме того отрицательную роль играют перепады температуры. Они способствуют развитию термических напряжений в покрытии, которые возникают из-за деформации поверхности стенки при нагреве или увеличении давления.

Образование трещин и эрозия покрытия могут возникать при частичном испарении металлов (сублимации). Никель, например, заметно испаряется при тысяче градусов Цельсия.

Такие исследования помогут выявить причины неудачных запусков космических аппаратов, а разработка новых наноматериалов с нужными свойствами позволит избежать многих недостатков в современных жидкостных ракетных двигателях и устранить недостатки в двигателях для будущих космических миссий, считают исследователи.