„Viryklės“kuras yra labai efektyvus raketų varikliams
Raketų ir kosmoso pasaulis kryžkelėje: pasaulinės tendencijos reikalauja mažesnių išlaidų ir didesnės kosmoso paslaugų aplinkos saugos. Dizaineriai turi išrasti naujus skystuosius raketinius raketinius variklius (LPRE), naudojančius aplinkai nekenksmingą kurą, pakeisdami brangų, daug energijos reikalaujantį skystą vandenilį pigiomis suskystintomis gamtinėmis dujomis (SGD), kurių metano kiekis yra 90–98 proc. Šis kuras kartu su skystu deguonimi leidžia sukurti naujus labai efektyvius ir nebrangius variklius, maksimaliai panaudojant jau esamus dizaino, medžiagų, technologijos ir gamybos atsilikimo elementus.
SGD nėra toksiška, deginant deguonimi susidaro vandens garai ir anglies dioksidas. Skirtingai nuo žibalo, plačiai naudojamo raketinėje technikoje, išsiliejusios SGD greitai išgaruoja nekenkiant aplinkai.
Pirmieji bandymai
Gamtinių dujų užsidegimo ore temperatūra ir apatinė jų sprogimo koncentracijos riba yra aukštesnės nei vandenilio ir žibalo garų; todėl mažos koncentracijos regione, palyginti su kitais angliavandenilių degalais, ji yra mažiau sprogi.
Apskritai, norint naudoti SGD kaip raketinį kurą, nereikia jokių papildomų gaisro ir sprogimo prevencijos priemonių, kurios anksčiau nebuvo naudojamos.
SGD tankis yra šešis kartus didesnis nei skystas vandenilis, bet pusė žibalo. Dėl mažesnio tankio atitinkamai padidėja SGD bako dydis, palyginti su žibalo baku. Tačiau, atsižvelgiant į didesnį oksidatoriaus ir degalų sąnaudų santykį (jis yra maždaug 3,5–1 skystam deguoniui (LC) + SGD degalams ir 2,7–1, kai naudojamas „ZhK +“žibalas), bendras „ZhK +“kuro tūris degalus papildančios SGD padidėja tik 20 procentų. Atsižvelgiant į medžiagos kriogeninio sukietėjimo poveikį, taip pat į galimybę sujungti LC ir SGD bakų dugnus, kuro bakų svoris bus palyginti mažas.
Galiausiai, SGD gamyba ir transportavimas jau seniai įvaldyti.
Chemijos inžinerijos projektavimo biuras (KB Khimmash), pavadintas AM Isajevo vardu Koroleve, Maskvos srityje, pradėjo darbą (kaip paaiškėjo, tęsiasi daugelį metų dėl labai menko finansavimo) kuriant „ZhK +“SGD kurą 1994 m., kai buvo atlikti projektavimo - projektavimo tyrimai ir buvo nuspręsta sukurti naują variklį, naudojant esamos deguonies -vandenilio HPC1 schemą ir struktūrinę bazę, kurios trauka 7,5 tf, sėkmingai veikianti kaip viršutinė pakopa (kriogeninė viršutinė pakopa) 12KRB Indijos raketos GSLV MkI (geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
1996 m. Buvo atlikti autonominiai dujų generatoriaus, naudojančio skystuosius skysčius ir gamtines dujas kaip degalų sudedamąsias dalis, bandymo bandymai, kurių pagrindinis tikslas buvo patikrinti paleidimo ir stabilų veikimo režimą - 13 intarpų patvirtino dujų generatoriaus veikimą ir suteikė rezultatai, kurie buvo naudojami kuriant regeneracinių dujų generatorius, veikiančius atviromis ir uždaromis schemomis.
1997 m. Rugpjūčio – rugsėjo mėn. „Khimmash“projektavimo biuras atliko KVD1 variklio vairo mechanizmo (taip pat vietoj vandenilio naudojant gamtines dujas) ugnies bandymus, kuriuose kamera buvo nukreipta dviem plokštumomis ± 39,5 laipsnių kampu. viena konstrukcija (traukos jėga - 200 kgf, slėgis kameroje - 40 kg / cm2), paleidimo ir uždarymo vožtuvai, pirotechninė uždegimo sistema ir elektrinės pavaros - vienas standartinis KVD1 vairo blokas praėjo šešis paleidimus, kurių bendras veikimo laikas yra ilgesnis nei 450 sekundžių, ir kamera slėgis 42–36 kg / cm2. Bandymų rezultatai patvirtino galimybę sukurti nedidelę kamerą, kurioje kaip aušinimo skystis naudojamos gamtinės dujos.
1997 m. Rugpjūčio mėn. „KB Khimmash“pradėjo viso dydžio uždaro ciklo variklio, kurio trauka 7,5 tf, bandymus su „ZhK +“SGD degalais. Gamybos pagrindas buvo modifikuotas uždaro ciklo variklis KVD1 su redukcinių dujų generatoriaus dujų deginimu ir kameros aušinimu degalais.
Buvo pakeistas standartinis oksidatoriaus siurblys KVD1: padidintas siurblio sparnuotės skersmuo, siekiant užtikrinti reikiamą oksidatoriaus ir kuro siurblio galvučių santykį. Taip pat buvo pataisytas variklių linijų hidraulinis derinimas, kad būtų užtikrintas apskaičiuotas komponentų santykis.
Naudojant variklio prototipą, kuris anksčiau buvo išlaikęs LCD + skysto vandenilio kuro degimo bandymų ciklą, buvo maksimaliai sumažintos tyrimų išlaidos.
Šaltojo bandymo metu buvo galima nustatyti variklio ir stovo paruošimo karštam darbui metodą, siekiant užtikrinti reikiamus SGD parametrus rezervuaruose, aušinti oksidatorių ir kuro linijas iki temperatūros, kuri garantuoja patikimą siurblių veikimą darbo metu. paleidimo laikotarpis ir stabilus bei stabilus variklio užvedimas.
Pirmasis variklio gaisro bandymas įvyko 1997 m. Rugpjūčio 22 d. Įmonės stende, kuris šiandien vadinamas Raketų ir kosmoso pramonės mokslinių bandymų centru (SRC RCP). „KB Khimmash“praktikoje šie bandymai buvo pirmoji patirtis naudojant SGD kaip degalus viso dydžio uždaro ciklo varikliui.
Bandymo tikslas buvo pasiekti sėkmingą rezultatą dėl tam tikrų parametrų sumažėjimo ir variklio darbo sąlygų palengvinimo.
Režimo pasiekimas ir veikimas režimu buvo kontroliuojamas naudojant droselio reguliatorius ir kuro komponentų suvartojimo santykį naudojant HPC1 algoritmus, atsižvelgiant į valdymo kanalų sąveiką.
Pirmojo uždarojo ciklo variklio užvedimo bandymo programa buvo visiškai baigta. Variklis veikė nurodytą laiką, nebuvo jokių pastabų dėl medžiagos dalies būklės.
Bandymo rezultatai patvirtino esminę galimybę naudoti SGD kaip kurą deguonies-vandenilio variklio agregatuose.
Yra daug dujų - nėra kokso
Vėliau bandymai buvo tęsiami siekiant nuodugniau ištirti procesus, susijusius su SGD naudojimu, patikrinti variklio agregatų veikimą platesnėmis naudojimo sąlygomis ir optimizuoti projektinius sprendimus.
Iš viso 1997–2005 m. Buvo atlikti penki dviejų KVD1 variklio, pritaikyto naudoti „ZhK +“SGD degalams, kopijų bandymai, trunkantys nuo 17 iki 60 sekundžių, metano kiekis SGD - nuo 89,3 iki 99,5 proc..
Apskritai šių bandymų rezultatai leido nustatyti pagrindinius variklio ir jo agregatų kūrimo principus naudojant „ZhK + LNG“degalus ir 2006 m. Pereiti prie kito tyrimo etapo, apimančio kūrimą, gamybą ir C5.86 variklio bandymai. Degimo kamera, dujų generatorius, turbininis siurblys ir pastarojo reguliatoriai yra struktūriškai ir parametriškai sukurti specialiai darbui su „ZhK +“SGD kuru.
Iki 2009 m. Buvo atlikti du 68 ir 60 sekundžių trukmės C5.86 variklių ugnies bandymai, kurių metano kiekis SGD buvo 97, 9 ir 97, 7 proc.
Teigiami rezultatai buvo gauti užvedant ir sustabdant skystą kurą variklį, veikiantį pastovios būsenos režimais, atsižvelgiant į trauką ir kuro komponentų santykį (pagal kontrolės veiksmus). Tačiau viena iš pagrindinių užduočių - eksperimentinis patikrinimas, ar nėra kietosios fazės kaupimosi kameros (kokso) aušinimo kelyje ir dujų kelyje (suodžiai) su pakankamai ilgu įjungimu - negalėjo būti atlikta dėl riboto tūrio stendo SGD bakų (maksimali įjungimo trukmė buvo 68 sekundės). Todėl 2010 m. Buvo priimtas sprendimas įrengti bent 1000 sekundžių trukmės stendą šaudymo bandymams atlikti.
Kaip nauja darbo vieta, NRC RCP bandymų stendas buvo naudojamas deguonies-vandenilio skystojo kuro raketų varikliams, kurių talpa atitinkama, išbandyti. Ruošiantis bandymui buvo atsižvelgta į didelę patirtį, įgytą anksčiau per septynis ugnies bandymus. Nuo 2010 m. Birželio iki rugsėjo mėn. Buvo patobulintos skysto vandenilio stendo sistemos, skirtos naudoti SGD, ant stendo sumontuotas variklis Nr. C5.86, išsamūs matavimo, valdymo, avarinės apsaugos sistemų bandymai ir buvo atliktas degalų sąnaudų ir slėgio degimo kameroje santykio reguliavimas.
Cisternos buvo užpildytos degalais iš degalų papildymo cisternos transportavimo bako (tūris - 56,4 m3 su 16 tonų degalų papildymu), naudojant SGD degalų papildymo įrenginį, įskaitant šilumokaitį, filtrus, uždarymo vožtuvus ir matavimo priemones. Baigus pildyti bakus, kuro komponentų tiekimo į variklį stendo linijos buvo atvėsintos ir užpildytos.
Variklis užvedė ir dirbo normaliai. Režimo pokyčiai įvyko atsižvelgiant į kontrolės sistemos įtaką. Nuo 1100 sekundžių dujų generatoriaus dujų temperatūra nuolat didėjo, todėl buvo priimtas sprendimas sustabdyti variklį. Išjungimas įvyko pagal komandą 1160 sekundžių be jokių pastabų. Temperatūros kilimo priežastis buvo bandymo metu atsiradęs degimo kameros aušinimo kelio išleidimo kolektoriaus nuotėkis - įtrūkimas ant kolektoriaus sumontuoto uždaryto proceso purkštuko suvirinimo siūlėje.
Atlikto gaisro bandymo rezultatų analizė leido daryti išvadą:
- veikimo metu variklio parametrai buvo stabilūs režimuose, kuriuose buvo derinami įvairūs kuro komponentų (2,42–1–3,03–1) ir traukos (6311–74040 kgf) santykiai;
-patvirtino, kad dujų kelyje nėra kietosios fazės darinių ir nėra kokso nuosėdų variklio skysčio kelyje;
- buvo gauti būtini eksperimentiniai duomenys, siekiant patikslinti degimo kameros aušinimo skaičiavimo metodą, kai kaip aušintuvas naudojamas SGD;
- ištirta degimo kameros aušinimo kanalo išėjimo į pastovios temperatūros režimą dinamika;
-patvirtino techninių sprendimų, užtikrinančių paleidimą, kontrolę, reguliavimą ir kitus dalykus, teisingumą, atsižvelgiant į SGD ypatumus;
-sukurtas C5.86, kurio trauka 7,5 tf, gali būti naudojamas (vienas arba kartu) kaip varomasis variklis perspektyviuose viršutiniuose ir nešančiuose raketuose;
- teigiami degimo bandymų rezultatai patvirtino tolesnių eksperimentų galimybę sukurti variklį, veikiantį naudojant „ZhK +“SGD kurą.
Kito gaisro bandymo metu 2011 m. Variklis buvo įjungtas du kartus. Prieš pirmąjį išjungimą variklis veikė 162 sekundes. Antrą kartą paleidžiant, siekiant patvirtinti, kad dujų trasoje nesusidarė kietosios fazės ir kokso nuosėdų skysčio kelyje, buvo pasiekta rekordinė tokio dydžio variklio veikimo trukmė su vienu užvedimu - 2007 sekundės, taip pat buvo patvirtinta traukos droselio galimybė. Bandymas buvo nutrauktas dėl degalų komponentų išeikvojimo. Bendras šio variklio egzemplioriaus veikimo laikas buvo 3389 sekundės (keturi paleidimai). Atliktas defektų aptikimas patvirtino, kad variklio keliuose nėra kietosios fazės ir kokso.
Teorinių ir eksperimentinių darbų su C5.86 Nr. 2 rinkinys patvirtino:
- pagrindinė galimybė sukurti reikiamo dydžio variklį ant sudedamųjų dalių „ZhK + LNG“degalų poros, deginant redukcines generatoriaus dujas, o tai užtikrina stabilių charakteristikų išlaikymą ir praktiškai kietos fazės nebuvimą dujų keliai ir kokso nuosėdos variklio skysčių takuose;
-galimybė kelis kartus užvesti ir išjungti variklį;
-ilgalaikio variklio veikimo galimybė;
-priimtų techninių sprendimų teisingumas, siekiant užtikrinti daugkartinį paleidimą, valdymą, reguliavimą, atsižvelgiant į SGD ir avarinės apsaugos ypatybes;
-NIC RCP galimybės atlikti ilgalaikius bandymus.
Be to, bendradarbiaujant su „NRC RCP“, buvo sukurta didelių masių SGD gabenimo, degalų papildymo ir termostatavimo technologija ir sukurti technologiniai sprendimai, kurie praktiškai taikomi skrydžio produktų degalų papildymo procedūrai.
SGD - kelias į daugkartinio naudojimo skrydžius
Dėl to, kad demonstracinio variklio C5.86 Nr. 2 komponentai ir mazgai dėl riboto finansavimo nebuvo tinkamai optimizuoti, nebuvo įmanoma visiškai išspręsti daugelio problemų, įskaitant:
SGD kaip aušinimo skysčio termofizinių savybių išaiškinimas;
papildomų duomenų gavimas, siekiant patikrinti pagrindinių įrenginių charakteristikų konvergenciją, imituojant vandenį ir eksploatuojant SGD;
eksperimentinis galimo gamtinių dujų sudėties įtakos pagrindinių įrenginių charakteristikoms, įskaitant degimo kameros ir dujų generatoriaus aušinimo takus, patikrinimas;
skystojo raketinio kuro raketinių variklių charakteristikų nustatymas įvairesnių veikimo režimų ir pagrindinių parametrų pokyčių diapazone tiek paleidus vieną, tiek kelis kartus;
dinaminių procesų optimizavimas paleidžiant.
Siekdamas išspręsti šias problemas, „KB Khimmash“pagamino atnaujintą C5.86A Nr. 2A variklį, kurio turbo siurblio agregate pirmą kartą buvo sumontuota paleidimo turbina, atnaujinta pagrindinė turbina ir kuro siurblys. Degimo kameros aušinimo kelias buvo modernizuotas, o degalų santykio droselio adata perprojektuota.
2013 m. Rugsėjo 13 d. Buvo atliktas variklio ugnies bandymas (metano kiekis SGD - 94,6%). Bandymo programoje buvo numatyti trys jungikliai, kurių bendra trukmė yra 1500 sekundžių (1300 + 100 + 100). Variklio užvedimas ir veikimas šiuo režimu vyko normaliai, tačiau 532 sekundes avarinės apsaugos sistema sugeneravo avarinio išjungimo komandą. Avarijos priežastis buvo pašalinių metalinių dalelių patekimas į oksidatoriaus siurblio srauto kelią.
Nepaisant avarijos, C5.86A Nr. 2A veikė gana ilgai. Pirmą kartą buvo paleistas variklis, skirtas naudoti kaip raketų pakopos dalis, kurią reikia kelis kartus paleisti pagal įgyvendintą schemą, naudojant įmontuotą įkraunamą slėgio akumuliatorių. Stabilus darbo režimas buvo gautas tam tikram traukos režimui ir maksimaliam anksčiau realizuotam kuro komponentų sąnaudų santykiui. Nustatyti galimi rezervai, skirti padidinti trauką ir padidinti kuro komponentų sąnaudų santykį.
Dabar „KB Khimmash“baigia gaminti naują C5.86 kopiją, kad būtų galima patikrinti maksimalų įmanomą išteklių kiekį, atsižvelgiant į veikimo laiką ir paleidimų skaičių. Tai turėtų tapti tikro „ZhK + LNG“kuro variklio prototipu, kuris suteiks naują kokybę aukštesnėms raketų pakopoms ir įkvėps gyvybės daugkartinio naudojimo transporto sistemoms. Su jų pagalba erdvė taps prieinama ne tik tyrėjams ir išradėjams, bet, galbūt, tik keliautojams.
