Аэрокосмический центробежный бессальниковый насос

Если честно, когда в 2018-м мы получили ТЗ на модификацию бессальниковой схемы для ракетного топливного модуля, даже не предполагали, что стандартные уплотнения выйдут из строя при -180°C. Пришлось пересматривать саму концепцию центробежного насоса — не просто убрать сальники, а перепроектировать гидравлическую часть под кавитационные пульсации в невесомости.

Почему классические решения не работают в космосе

До сих пор встречаю инженеров, уверенных, что достаточно заменить механические уплотнения на магнитные муфты. Но в условиях вибраций при старте даже сверхточные подшипники вала начинают резонировать. Помню, как на испытаниях прототипа для 'Прогресса МС' за 40 часов непрерывной работы люфт ротора достиг 3 микрон — катастрофа для бессальниковой конструкции.

Особенность аэрокосмических применений — не столько давление, сколько температурные скачки. Когда жидкий кислород проходит через крыльчатку, локальные перепады достигают 200 градусов. Обычные сплавы тут же теряют герметичность по границам зерен.

Как-то раз мы закупили якобы 'авиационные' подшипники у китайского поставщика — через 15 циклов 'нагрев-охлаждение' появились микротрещины в сепараторах. Пришлось экстренно переходить на керамику, хотя изначально в смете её не было.

Прорыв в материалах от Шэнчэнь

Случайно наткнулся на каталог ООО Цзянсу Шэнчэнь Металлургическое Оборудование — их разработки по коррозионно-стойким сплавам как раз закрывали наши проблемы с эрозией лопаток. До сих пор помню их марку SC-7Al — алюминиевый сплав с дисперсными оксидами, который держит ударные нагрузки при криогенных температурах.

Мы отправили им чертежи рабочего колеса с параметрами вибрационного спектра — их инженеры за неделю предложили три варианта термообработки. Это редкий случай, когда производитель материалов реально вникает в динамику потока, а не просто продаёт стандартные заготовки.

Кстати, их сайт https://www.jsscyjsb.ru стал для нас настольной книгой — там выложены реальные отчёты по испытаниям материалов в агрессивных средах. Не рекламные буклеты, а графики изменения гранулометрии после 800 часов работы в кислотной суспензии.

Особенности балансировки в собранном состоянии

Самое сложное в аэрокосмическом насосе — не расчёты прочности, а предсказание поведения роторной системы после сборки. Мы пять раз переделывали систему крепления двигателя — стандартные виброопоры не гасили низкочастотные колебания.

Пришлось разработать методику динамической балансировки при имитации невесомости — подвешивали весь агрегат на эластичных растяжках и запускали разгон до 12 000 об/мин. Обнаружили, что дисбаланс возникает не от самого ротора, а от неравномерного нагрева статора.

Запомнился курьёзный случай: при вакуумировании камеры забыли учесть тепловое расширение патрубков — результат — смещение центра масс на 0.8 мм. Пришлось вносить поправки в ПО контроллера прямо перед финальными испытаниями.

Проблемы с кавитацией в разреженной атмосфере

Ни в одном учебнике нет данных по кавитации в условиях разрежения 10^-3 атм. Мы эмпирически выяснили, что пузырьки схлопываются не с гидроударом, а с образованием низкочастотных стоячих волн — они то и выводили из строя датчики давления.

Решение нашли нестандартное — установили кольцевой демпфер из пористого никелевого сплава. Кстати, его нам как раз порекомендовали в Шэнчэнь — их материалы для горнодобывающего оборудования оказались идеальны для гашения колебаний в двухфазных средах.

Сейчас пересматриваю те старые расчёты — понимаю, что можно было бы использовать их термопроводящие композиты для отвода тепла от зон кавитации. Но тогда мы об этом не знали, пришлось обходиться жидкостным охлаждением, что удлинило конструкцию на 15%.

Уроки для будущих проектов

Главный вывод — нельзя проектировать бессальниковый насос для космоса по земным нормативам. Даже такие мелочи, как ориентация дренажных каналов, в невесомости работают иначе.

Сейчас, когда вижу новые разработки, всегда проверяю, проводились ли испытания при одновременном воздействии вакуума и вибрации — 90% производителей этого не делают, ограничиваясь стендовыми тестами в нормальных условиях.

Если бы сегодня начинал этот проект, сразу бы обратился к специалистам по материалам — как тем же инженерам из Шэнчэнь. Их подход к созданию композитов под конкретные условия работы — это именно то, чего не хватает большинству конструкторов ракетных систем.

Кстати, их философия 'технологии создают будущее' — не просто лозунг. Когда они присылали нам образцы с тремя вариантами структуры материала под разные фазы полёта — стало ясно, что это партнёры, которые понимают суть наших задач.