BUDOWA RAKIET I MATERIAŁOZNAWSTWO

Transkrypt

1 BUDOWA RAKIET I MATERIAŁOZNAWSTWO WSTĘP, 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.

2 MOŻLIWOŚCI PRZEMYSŁU KRAJOWEGO W BUDOWIE ELEMENTÓW RAKIETY WYNOSZACEJ Tab. nr 1. Analiza polskiego potencjału naukowego i owego. 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 Naukowobadawczy Przemysło wy BUDOWA SILNIKA RAKIETOWEGO NA PALIWO CIEKŁE 3 - Instytut Lotnictwa 2 PW (MEiL) ITWL 2 2 WSK RZESZÓW, Instytut Lotnictwa WZL 2,4 2 2 WSK RZESZÓW WZL 2,4 PZL Kalisz Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia w Zielonce SNECMA AVIA-Polsks MŚP (Dolina Lotnicza) 4 6 Możliwe niekosmiczne zastosowania w gospodarce (konkretne przykłady) Zastosowania wojskowe Materiały żarowytrzymałe Materiały do pracy w Własności materiałów konstrukcyjnych w plazmowego nanoszenia powłok na dużych elementach (1000 mm) wybuchowego łączenia materiałów (np: stalaluminium, stal-miedź) Własności paliw i utleniaczy w niskich temperaturach (100K) 2 2 Instytut Lotnictwa (CBMiK), AGH 3 Energetyka, piece, samochodowy 1 1 Instytut Fizyki PAN 4 Przemysł samochodowy, zbiorniki na skroplone paliwo Drogi osprzęt do maszyn wytrzymałościowych 4 4 Instytut Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy WZL IMP 4 4 Explomet S.c. (Opole) WAT 2 Przemysł okrętowy, samochodowy, maszynowy, energetyczny 1 Przemysł okrętowy, energetyczny, elektrotechniczny Przemysł BUDOWA ZBIORNIKÓW PALIWOWYCH (CIEKŁY TLEN, METAN)

3 KONSTRUKCJA I OBLICZENIA BUDOWA PROTOTYPU BADANIA WYKONAWSTWOZBI ORNIKA 1:1 3 2 Instytut Lotnictwa, Politechnika Wrocławska 2 2 Instytut Lotnictwa, Kompozyt 2 2 Instytut Lotnictwa, Kompozyt, Zakłady Lotnicze Margański & Mysłowski Przemysł maszynowy kompozytowe (nawijarki) Materiały kompozytowe do pracy w warunkach próżni i niskich temperaturach połączeń kompozyt metal w tzw węzłach siłowych Oddziaływanie paliw i utleniaczy na materiały konstrukcyjne w tym kompozyty Materiały izolacyjne i osłonowe Metody ultradźwiękowe, rentgenowskie i inne nieniszczące badań kompozytów KONSTRUKCJA TURBOPOMP KONSTRUKCJA UKŁADÓW ZASILAJĄCYCH WYKONAWSTWO ZESPOŁÓW, ZAWORÓW, INSTALACJI 2 1 f-ma Kompozyt Wrocław 6 Zbiorniki na wysoko sprężone gazy i skroplone gazy, 1 0 Instytut Lotnictwa 6 Zbiorniki na wysoko sprężone gazy i skroplone gazy, 2 1 Instytut Lotnictwa, Zakłady Lotnicze 6 Przemysł maszynowy, motoryzacyjny. Margański & Mysłowski 0 0 WAT 2 Przemysł lotniczy 1 1? 4 Przemysł maszynowy, budowlany, ciepłownictwo 2 1 Politechniki: Wrocławska Warszawska 3 Przemysł lotniczy. maszynowy UKŁADY HYDRAULICZNE I ZASILAJĄCE 3 2 Instytut Lotnictwa, 2 PZL-Hydral PZL Kalisz 4 4 PZL-Hydral, 3 Przemysł samochodowy 3 3 PZL-Hydral Progres Sp.z o.o 5 Uszczelnienia do pracy w Własności materiałów konstrukcyjnych w 1 1 PZL-Hydral 2 Przemysł samochodowy po wejściu skroplonych paliw metan, wodór Drogi osprzęt do maszyn wytrzymałościowych TECHNIKI OBLICZENIOWE (potwierdzone wynikami badań laboratoryjnych) Programy do obliczeń wymiany ciepła 2 1 PW 3 Wszystkie gałęzie u Programy do obliczeń 2 1 PW 3 Wszystkie gałęzie

4 przepływów Instytut Lotnictwa u Programy do obliczeń wytrzymałości materiałów wielowarstwowych 2 1 PW Instytut Lotnictwa 3 Wszystkie gałęzie u Zakłady lotnicze z racji stosowanych procedur, norm oraz jakości wytwarzanych wyrobów stanowią naturalna bazę do wytwarzania podzespołów dla u 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 owymi lub naukowymi. Konieczne jest opracowanie zamienników stali, na których pracował do tej pory 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 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 u 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 u. Rozwój tych technologii znajdzie swe zastosowanie w ach: 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

5 bariera technologiczna w zakładach owych 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 u 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 u (patrz tabela). Uczelnie powinny rozpocząć kształcenie specjalistów z dziedziny technologii kosmicznych np. w formie studiów podyplomowych Opracowanie: P. Kalina