BUDOWA RAKIET I MATERIAŁOZNAWSTWO

WSTĘP

Technologie, 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.

© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www. kosmos.gov.pl

MOŻLIWOŚCI PRZEMYSŁU KRAJOWEGO W BUDOWIE ELEMENTÓW RAKIETY

WYNOSZACEJ

Tab. nr 1. Analiza polskiego potencjału naukowego i przemysłowego.

Obszar/zagadnienie

Ocena polskiego

Polski potencjał (lista

Czas dojścia do

Możliwe

potencjału (w punktach,

podmiotów)

stanu „5”,

„niekosmiczne”

od 0 do 5)

bariery i

zastosowania w

konieczne

gospodarce

uzupełnienia

(konkretne przykłady)

Naukowo- Przemysło

badawczy

wy

BUDOWA SILNIKA RAKIETOWEGO NA PALIWO CIEKŁE

KONSTRUKCJA I

3

-

Instytut Lotnictwa

2

Zastosowania

OBLICZENIA

PW (MEiL)

wojskowe

SILNIKA

ITWL

RAKIETOWEGO

BUDOWA

2

2

WSK RZESZÓW,

4

PROTOTYPU,

Instytut Lotnictwa

BADANIA

WZL 2,4

BUDOWA SILNIKA

2

2

WSK RZESZÓW

6

1:1

WZL 2,4

PZL Kalisz

Wojskowy Instytut

Techniczny Uzbrojenia w

Zielonce

SNECMA

AVIA-Polsks

MŚP (Dolina Lotnicza)

Materiały

2

2

Instytut Lotnictwa

3

Energetyka, piece,

żarowytrzymałe

(CBMiK),

przemysł

WSK Rzeszów

samochodowy

AGH

Materiały do pracy w

1

1

Instytut Fizyki PAN

4

Przemysł

niskich temperaturach

samochodowy,

zbiorniki na skroplone

paliwo

Własności materiałów

2

0

3

konstrukcyjnych w

Drogi osprzęt do

niskich temperaturach

maszyn

wytrzymało-

ściowych

Technologie

4

4

Instytut Plazmy i

2

Przemysł

plazmowego nanoszenia

Laserowej Mikrosyntezy

lotniczy,

powłok na dużych

WSK Rzeszów

okrętowy,

elementach (1000 mm)

WZL

samochodowy,

IMP

maszynowy,

energetyczny

Technologie

4

4

Explomet S.c. (Opole)

1

Przemysł lotniczy,

wybuchowego łączenia

WAT

okrętowy,

materiałów (np: stal-

energetyczny,

aluminium, stal-miedź)

elektrotechniczny

Własności paliw i

2

0

2

Przemysł

utleniaczy w niskich

motoryzacyjny,

temperaturach (100K)

lotniczy,

BUDOWA ZBIORNIKÓW PALIWOWYCH (CIEKŁY TLEN, METAN)

© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www. kosmos.gov.pl

KONSTRUKCJA I

3

2

Instytut Lotnictwa,

2

Przemysł

OBLICZENIA

Politechnika Wrocławska

motoryzacyjny,

BUDOWA

2

2

Instytut Lotnictwa,

4

lotniczy, maszynowy

PROTOTYPU

„Kompozyt”

BADANIA

WYKONAWSTWOZBI 2

2

Instytut Lotnictwa,

6

ORNIKA 1:1

„Kompozyt”,

Zakłady Lotnicze

Margański & Mysłowski

Technologie

2

1

f-ma „Kompozyt”

6

Zbiorniki na wysoko

kompozytowe

Wrocław

sprężone gazy i

(nawijarki)

skroplone gazy,

przemysł

motoryzacyjny,

Materiały kompozytowe 1

0

Instytut Lotnictwa

6

Zbiorniki na wysoko

do pracy w warunkach

sprężone gazy i

próżni i niskich

skroplone gazy,

temperaturach

przemysł

motoryzacyjny,

Technologie połączeń

2

1

Instytut Lotnictwa,

6

Przemysł maszynowy,

kompozyt metal w tzw

Zakłady Lotnicze

lotniczy,

węzłach siłowych

Margański & Mysłowski

motoryzacyjny.

Oddziaływanie paliw i

0

0

WAT

2

Przemysł

utleniaczy na materiały

motoryzacyjny,

konstrukcyjne w tym

lotniczy

kompozyty

Materiały izolacyjne

1

1

?

4

Przemysł maszynowy,

i osłonowe

budowlany,

ciepłownictwo

Metody ultradźwiękowe, 2

1

Politechniki: Wrocławska

3

Przemysł

rentgenowskie i inne

Warszawska

motoryzacyjny,

nieniszczące badań

lotniczy. maszynowy

kompozytów

UKŁADY HYDRAULICZNE I ZASILAJĄCE

KONSTRUKCJA

3

2

Instytut Lotnictwa,

2

TURBOPOMP

PZL-Hydral

WSK Rzeszów

PZL Kalisz

KONSTRUKCJA

4

4

PZL-Hydral,

3

Przemysł

UKŁADÓW

WSK Rzeszów

samochodowy

ZASILAJĄCYCH

WYKONAWSTWO

3

3

PZL-Hydral

5

ZESPOŁÓW,

Progres Sp.z o.o

ZAWORÓW,

WSK Rzeszów

INSTALACJI

Uszczelnienia do pracy

1

1

PZL-Hydral

2

Przemysł

w niskich temperaturach

samochodowy po

wejściu skroplonych

paliw metan, wodór

Własności materiałów

2

0

3

konstrukcyjnych w

Drogi osprzęt do

niskich temperaturach

maszyn

wytrzymało-

ściowych

TECHNIKI OBLICZENIOWE (potwierdzone wynikami badań laboratoryjnych) Programy do obliczeń

2

1

PW

3

Wszystkie gałęzie

wymiany ciepła

przemysłu

Programy do obliczeń

2

1

PW

3

Wszystkie gałęzie

© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www. kosmos.gov.pl

przepływów

Instytut Lotnictwa

przemysłu

Programy do obliczeń

2

1

PW

3

Wszystkie gałęzie

wytrzymałości

Instytut Lotnictwa

przemysłu

materiałów

wielowarstwowych

Zakłady lotnicze z racji stosowanych procedur, norm oraz jakości wytwarzanych wyrobów stanowią naturalna bazę do wytwarzania podzespołów dla przemysłu 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 przemysłowymi lub naukowymi.

Konieczne jest opracowanie zamienników stali, na których pracował do tej pory przemysł 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 niskich temperaturach 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 przemysłu 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 przemysłu. Rozwój tych technologii znajdzie swe zastosowanie w przemysłach: 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

© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www. kosmos.gov.pl

• bariera technologiczna w zakładach przemysłowych – konieczny dostęp do technologii z zakresu high-tech

• 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 przemysłu

• 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 przemysłu (patrz tabela).

• Uczelnie powinny rozpocząć kształcenie specjalistów z dziedziny technologii kosmicznych np.

w formie studiów podyplomowych

Opracowanie: P. Kalina

© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www. kosmos.gov.pl