Jak uchronić dyszę silnika rakietowego przed erozją? Naukowcy z AGH chcą wykorzystać CFRC

Materiały CFRC to wysoce odporne, ale skomplikowane w produkcji kompozyty węglowe. Technologię ich fabrykacji posiada tylko kilka przedsiębiorstw na świecie, które współpracują z ograniczoną grupą odbiorców. Badacze z AGH pracują nad konkurencyjną technologią ich wytwarzania, z której będą mogły skorzystać polskie firmy m.in. z branży kosmicznej i zbrojeniowej. Z kompozytów naukowcy chcą skonstruować dyszę rakietową.

Technologia dla wybranych

Historia prac na rozwojem kompozytów węgiel-węgiel sięga lat 60. ubiegłego wieku i amerykańskiego programu Apollo, który wyniósł ludzi na Księżyc. W późniejszych latach wykonywano z nich np. osłony dziobów oraz skrzydeł promów kosmicznych. Równolegle swoje projekty związane z aplikacją materiałów CFRC rozwijało wojsko. Podobnie jak wiele innych technologii pierwotnie zastrzeżonych dla programów kosmicznych i militarnych, kompozyty węgiel-węgiel trafiły również na rynek cywilny. Znalazły zastosowanie m.in. w produkcji tarcz hamulcowych do samolotów, pociągów wysokich prędkości czy bolidów Formuły 1. Korzysta z nich też również branża sportowa, medyczna, chemiczna czy hutnicza.

Mnogość zastosowań kompozytów węgiel-węgiel nie idzie niestety w parze z ich dostępnością na rynku. Metody produkcji materiałów CFRC opanowało jedynie kilka europejskich, amerykańskich i azjatyckich przedsiębiorstw, a popyt na nie nadal nie nadąża za podażą. – Technologia wytwarzania kompozytów węgiel-węgiel jest wieloetapowym i energochłonnym procesem. Ich produkcją zajmują się duże firmy, które mają swoich odbiorców. Znacznie trudniej jest pozyskać je mniejszym przedsiębiorcom, m.in. na polskim rynku – mówi dr inż. Maciej Gubernat z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki.

Poszkodowanymi mogą być firmy z polskiego sektora kosmicznego czy zbrojeniowego, które chciałyby wykorzystać materiały CFRC w swoich projektach. Wkrótce może się to jednak zmienić za sprawą prac prowadzonych na WIMiC przez zespół dr. inż. Gubernata, który stawia sobie za cel opracowanie konkurencyjnej technologii fabrykacji kompozytów węgiel-węgiel, a następnie skonstruowanie z nich dyszy silnika rakietowego.

Monolit czy hybryda?

Naukowiec wyjaśnia, że wytworzenie tego elementu jest możliwe albo w formie monolitu, albo hybrydy. W tym drugim przypadku w gardzieli umieszcza się krążek z materiału najbardziej odpornego na erozję, natomiast ścianki wykonuje się z mniej wytrzymałego tworzywa. – Jeżeli zrobimy dyszę z dwóch różnych materiałów, które charakteryzuje różna rozszerzalność cieplna, grozi to osłabieniem miejsca ich połączenia. Chcielibyśmy, aby nasza dysza była wykonana z jednego tworzywa, aby ten problem został wyeliminowany. W tym celu planujemy układać włókna węglowe w taki sposób, aby uchronić osnowę przed naprężeniami, które prowadziłyby do jej degradacji – deklaruje pracownik AGH.

Dysza zostanie przetestowana w silnikach rakietowych, które rozwija firma SpaceForest z Gdyni – główny partner projektu. SpaceForest jest producentem suborbitalnej rakiety Perun, dedykowanej do prowadzenia badań w stanie mikrograwitacji, która ma osiągać pułap 150 km i wynosić standardowy ładunek 50 kg. Firma liczy na wykorzystanie wyników projektu w przyszłych konstrukcjach silników rakietowych oraz w rozwijanych układach wykonawczych wektorowania ciągu TVC (ang. Thrust Vector Control).

Recepta na polskie CFRC

W ramach wcześniej prowadzonych eksperymentów, w laboratoriach WIMiC udało się stworzyć prototypowe materiały CFRC 2D, które nie odbiegają znacząco parametrami od wybranych komercyjnych odpowiedników. Teraz naukowcy chcą wykorzystać te doświadczenie, żeby wyprodukować tworzywo o bardziej skomplikowanej architekturze, którego parametry będą odpowiadały celom projektu. Zamierzają zbadać możliwość formowania kompozytów z wykorzystaniem różnych technik tworzenia fazy zbrojącej – poprzez tworzenie wielokierunkowych preform z prętów wzmocnionych włóknem węglowym oraz ich nawijanie, a także wykorzystanie różnych prekursorów fazy węglowej i sposobów dosycania kompozytów.

Testowana będzie m.in. metoda CVI (ang. Chemical Vapor Infiltration), gdzie prekursorem osnowy jest reaktywny gaz węglonośny, które osadza się na preformie i po poddaniu pirolizie tworzy osnowę o gęstości i mikrostrukturze, która powinna dawać oczekiwaną odporność na erozję. – Pokładamy dużą nadzieję, że właśnie ta metoda będzie nie tylko dobra jakościowo, ale też konkurencyjna pod względem ekonomicznym w stosunku do pozostałych – mówi kierownik projektu.

Naukowcy zamierzają również wzbogacić kompozyty o fazę ceramiczną zawierającą związki krzemu i pirowęgiel, aby zwiększyć ich odporność na utlenianie i erozję w warunkach wysokiej temperatury.

Prace profesorów Chłopka i Błażewicza

Badania na kompozytami węgiel-węgiel, prowadzone obecnie na WIMiC, rozwijają kapitał intelektualny zgromadzony przez wcześniejsze pokolenie naukowców. – W naszym wydziale od lat 90. były realizowane prace nad wytwarzaniem implantów z kompozytów typu węgiel-węgiel. Badano wówczas możliwość dostosowania właściwości mechanicznych materiałów do kości, co pozwoliłoby wyeliminować problem nadmiernych naprężeń po implantacji. Przez kilkanaście lat zajmowali się tym z niemałymi sukcesami prof. Jan Chłopek oraz prof. Stanisław Błażewicz, który był promotorem mojej pracy doktorskiej i jest autorem kilkuset publikacji i około 60 patentów w obszarze syntetycznych materiałów węglowych – opowiada dr inż. Gubernat.

Naukowiec jest przekonany, że wciąż istnieje potencjał, aby technologię rozwijać: – W ramach projektu planujemy zakup nowej aparatury, która pozwoli na wytwarzanie i modyfikowanie nowych generacji takich materiałów. Pomysłów mamy wiele, np. z zakresu modyfikacji nanododatkami. Jeszcze kilkanaście lat temu nie było takich możliwości.

Projekt „Opracowanie nowej generacji dyszy silników rakietowych z materiału kompozytowego typu węgiel-węgiel” został dofinansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach XIII edycji programu LIDER.