Pierwsze na świecie platformy kosmiczne wykorzystujące H2O2 w stężeniu powyżej 98% – kolejny poziom napędu terenów zielonych

Dzięki 25 projektom Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) od czasu przystąpienia Polski do ESA 10 lat temu Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa stał się ośrodkiem badawczo-rozwojowym w dziedzinie napędów kosmicznych w Europie Środkowo-Wschodniej. Zrealizowane i trwające projekty z największymi integratorami statków kosmicznych (tj. Airbus Defence & Space, OHB i Thales Alenia Space), a także uznanymi graczami w systemach transportu kosmicznego (tj. ArianeGroup, Avio, Nammo) oraz dużymi nowymi firmami kosmicznymi – instytut dysponuje najnowocześniejszymi celem jest wprowadzenie nowych komponentów, technologii i podsystemów na rynek międzynarodowy.

Nadtlenek wodoru

Główną wartością dodaną wniesioną do sektora kosmicznego jest wprowadzenie nowej technologii nadtlenku wodoru. Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa zabezpieczył swoje patenty dotyczące otrzymywania nowych gatunków nadtlenku wysokotestowego (HTP) w 20 krajach świata. Choć uzyskane stężenia mogą przekraczać 99,99%, większość kontraktów ESA i krajowych dotyczy koncentracji 98%. Naukowcy z Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa stwierdzają, że spełnienie normy MIL-PRF-16005 nie wystarczy i aby zapewnić realną długoterminową pojemność magazynowania i wysoką wydajność, czystość HTP musi być wyższa niż opisana w obowiązującej normie paliwowej i taka podejście jest faktycznie stosowane w Łukasiewicz – ILOT.

ILR-33 AMBER 2K – ulepszona wersja pierwszego na świecie łazika wykorzystująca 98% gatunków HTP

Suborbitalna pokładowa platforma eksperymentalna instytutu – rakieta ILR-33 AMBER, stała się siłą napędową rozwoju technologii napędu i transportu kosmicznego, w tym HTP. Natomiast w 2017 r., dzięki zielonemu hybrydowemu etapowi głównemu, stał się pierwszym na świecie pojazdem, w którym jako utleniacz wykorzystano 98% gatunków HTP (w przeciwieństwie do tradycyjnych systemów transportu kosmicznego i systemów satelitarnych na całym świecie). Po trzech udanych lotach na małych wysokościach pod koniec 2022 roku wystrzelono jego nową wersję, AMBER 2K, a jego ładunek udało się wydobyć z Morza Bałtyckiego.

Wersja 2K AMBER docelowo umożliwi wypuszczenie niskokilogramowych ładunków na linię Von Karmana. Unikalna konfiguracja rakiety (etap równoległy pomimo niewielkich rozmiarów) oraz zastosowanie hybrydowego silnika rakietowego zapewniają wszechstronność i możliwość realizacji wielu misji. Pierwszym zewnętrznym klientem i dostawcą ładunku jest nowa polska firma kosmiczna Thorium Space.

Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa wykonuje także szeroką gamę pokazów w locie. Kolejną „nowością” na świecie było wystrzelenie pod koniec 2021 roku małej rakiety z obrotowym silnikiem detonacyjnym na paliwo ciekłe. Ponadto instytut jest odpowiedzialny za ekologiczny układ napędowy pionowego startu FROG-H pionowe lądowanie (VTVL ) demonstrator opracowywany wspólnie z CNES w ramach programu przygotowawczego przyszłej wyrzutni Europejskiej Agencji Kosmicznej. Mały zbiornik będzie wykorzystywał systemy monopropelentowe wykorzystujące HTP.

Zielone silniki

Praca nad systemami na biopropelent zawierający 98% HTP jako utleniacz i obejmuje pracę przy poziomach ciągu do około 5-8 kN, ze szczególnym uwzględnieniem odnowionych górnych stopni w Europie i eksploracji głębokich dławików jako jednego z głównych wymagań. Zawory do systemów regulowanych cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na europejskie i międzynarodowe misje księżycowe oraz fakt, że Polska w 2022 roku zostanie sygnatariuszem Porozumień Artemis.

Opracowaną możliwość ponownego uruchomienia silnika uzyskano, poza zastosowaniem złóż katalitycznych, poprzez zastosowanie opatentowanych paliw hipergolicznych o zawartości HTP 98%. W 2022 roku z sukcesem rozpoczęto realizację krajowego projektu HIPERGOL, w ramach którego zademonstrowano pierwszy zielony silnik hipergoliczny o mocy 5 kN z chłodzeniem regeneracyjnym wykorzystującym 98% HTP jako utleniacz.

Technologia addytywna realizująca normę ECSS-Q-ST-70-80C 2021 jest szeroko stosowana dzięki możliwościom laboratoryjnym instytutu.

„Ostatnie inwestycje umożliwiają produkcję przyrostową chłodzonych regeneracyjnie komór oporowych przy użyciu stopu miedzi. Szerokie, własne możliwości badań nieniszczących, w połączeniu z badaniami materiałów w wysokich temperaturach, pozwalają nam na zbudowanie szerokiego pakietu usług badawczych wykraczających poza wypalanie na gorąco kosmicznych układów napędowych” – wyjaśnia dr inż. Adam Okniński, dyrektor Instytutu Łukasiewicz Centrum Technologii Kosmicznych – Instytut Lotnictwa i członek Komitetu Napędu Kosmicznego Międzynarodowej Federacji Astronautycznej.

Mały zielony napęd satelitarny

Co więcej, nagromadzenie wiedzy specjalistycznej dotyczącej gatunków HTP, pojemności magazynowania i kompatybilności materiałowej umożliwiło przejście od prac nad komponentami napędowymi do pełnego rozwoju systemu. Choć w 2023 roku Polska będzie obchodzić 50^t rocznicy wyniesienia na orbitę sprzętu do lotów kosmicznych (opracowanego w instytucie), w nadchodzących latach na pokładzie konstelacji satelitów PIAST zostanie wystrzelony pierwszy ekologiczny układ napędowy statku kosmicznego, w pełni opracowany we własnym zakresie. System wykorzystujący 98% HTP musi być wyposażony w zbiorniki ze stopu aluminium, aby zapewnić możliwość usuwania zanieczyszczeń. Opracowaniu kompletnych układów napędowych, dla satelitów od nanosatelitów po te o masie do 200 kg, towarzyszą prace nad ekologicznym silnikiem ciekłym apogeum dla dużych platform.

Ograniczanie śmieci kosmicznych

Prace nad zrównoważonymi technologiami nie ograniczają się tylko do ekologicznych paliw i jednorazowych zbiorników. Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa był zaangażowany w cztery kolejne kontrakty Europejskiej Agencji Kosmicznej dotyczące wykorzystania silników rakietowych na paliwo stałe w solidnych i autonomicznych systemach deorbitacyjnych. W 2019 roku instytut dokonał wstępnej kwalifikacji do ESA, prawdopodobnie pierwszego na świecie paliwa stałego, który spełnia wymogi ESA Clean Space (tj. brak zawartości pyłu metalicznego, zdolność do długoterminowego składowania i skłonność do promieniowania kosmicznego), a także wymagania wydajnościowe na poziomie systemowym dużych integratorów satelitarnych (tj. niespotykanie wysoka wydajność i niskie spalanie). W 2023 r. przyspieszają prace nad projektami ESA dotyczącymi silnika rakietowego na paliwo stałe i jego systemu sterowania wektorem ciągu. Na zlecenie Polskiej Agencji Kosmicznej zlecono niedawno dodatkowe badanie, które również świadczy o zainteresowaniu potencjalnymi misjami krajowymi.

Laboratorium Napędu Rakietowego i Satelitarnego oraz możliwości testowania

Równoległa praca nad kilkunastu projektami ESA w 2023 r. wymaga skupienia się na rozbudowie obiektu, która jest w toku. Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa otrzymał m.in. dofinansowanie UE z Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego na lata 2014-2020 na utworzenie nowoczesnego Centrum Laboratorium Napędów Rakietowych i Satelitarnych. Inwestycja o wartości przekraczającej 12 mln euro umożliwi testowanie w próżni ekologicznych silników i silników statków kosmicznych, ze szczególnym uwzględnieniem HTP i ekologicznych paliw jako paliw pędnych.

Inwestycja obejmie także znaczną rozbudowę laboratoriów chemicznych paliw pędnych. Dyrektor Generalny Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa dr inż. Paweł Stężycki, prezes EREA (European Aeronautical Research Facilities), tak opisuje nowe zielone urządzenia napędowe rakiet i statków kosmicznych: „Do końca 2023 roku poszerzymy naszą ofertę w zakresie świadczenia usług badawczych dla międzynarodowego sektora kosmicznego, a ostatecznym celem jest zwiększenie udziału kontraktów komercyjnych”.

Obecnie większość przychodów instytutu w dziedzinie lotnictwa pochodzi z międzynarodowej współpracy handlowej i oczekuje się, że dalszy rozwój w dziedzinie przestrzeni kosmicznej zwiększy także jego udział w kontraktach przemysłowych. W związku z tym 4 stanowiska do gorących napędów skupiające się na ekologicznych napędach na terenie instytutu będą dostępne do końca tego roku. Biorąc pod uwagę kolejne 2 istniejące zewnętrzne instalacje gorącego spalania wykorzystywane u swoich partnerów krajowych oraz kolejną instalację zewnętrzną w ramach projektu wewnętrznego, instytut będzie dysponował łącznie 7 instalacjami gorącego spalania – znajdują się one na europejskiej mapie głównych ośrodków testowych statków kosmicznych i rakiet napęd. 5 tuneli aerodynamicznych, badania środowiskowe z największą w regionie termiczną komorą próżniową oraz liczne laboratoria badań materiałów w połączeniu z wdrożeniem standardów ECSS czynią warszawski instytut atrakcyjnym dla szerszego zakresu rozwoju technologii kosmicznych, nie ograniczających się do napędów i transportu kosmicznego .

Zasoby ludzkie dla przestrzeni

Realizowane infrastruktury i projekty badawczo-rozwojowe pozwalają na rozwój zasobów ludzkich oraz wzmocnienie współpracy z uczelniami technicznymi i organizacjami pozarządowymi. Nowoczesna baza laboratoryjna dostępna jest dla studentów odbywających staże naukowe. Łukasiewicz – ILOT wspiera już kilka z 10 stowarzyszeń studenckich w Polsce pracujących nad małymi eksperymentalnymi rakietami i systemami napędowymi, poszukujących największych talentów oraz budujących polski ekosystem i potencjał w zakresie napędów kosmicznych i systemów transportu kosmicznego. Stale rozwijając swój zespół inżynierski Łukasiewicz – ILOT dysponował na początku 2023 roku ponad 100 inżynierami dedykowanymi tej dziedzinie technicznej i łącznie ponad 1500, co pozwala na wewnętrzny rozwój instalacji zoptymalizowanych pod konkretne cele, obejmujących nie tylko nowoczesne laboratoria, ale także mobilny. infrastruktury, takiej jak: platformy wystrzeliwania rakiet, urządzenia do ładowania paliwa, kontrola misji itp. Źródło: Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa.

Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa jest jedną z najnowocześniejszych instytucji badawczych w Europie, z tradycjami sięgającymi 1926 roku. Jej głównym celem jest dostarczanie nowych technologii. Działalność badawczo-rozwojowa koncentruje się na zagadnieniach praktycznych i przewidywaniu ważnych trendów w zakresie lotniczych systemów napędowych, konstrukcji i związanych z nimi nowych technologii – przede wszystkim dla pojazdów kosmicznych i bezzałogowych.

W zakresie technologii kosmicznych głównym celem Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa jest prowadzenie działalności badawczo-rozwojowej w zakresie kosmicznych systemów napędowych (w tym nowych silników oraz silników rakietowych na paliwo stałe, ciekłe i hybrydowe), zielonych paliw pędnych (w tym opracowywanie, obsługa i testowanie paliw ekologicznych) i systemy transportu kosmicznego. Trwają prace nad wykorzystaniem stężonego i oczyszczonego nadtlenku wodoru do napędu rakietowego, a ostatnie wysiłki umożliwiły znaczny postęp w obszarach: robotyki, systemów obronnych, energetyki, teledetekcji itp.

Nasze technologie kosmiczne zapewniają.
Skontaktuj się z nami: [email protected].