A tűzhelyüzemanyag rendkívül hatékony rakétahajtóműveknél
Rakéta- és űrvilág útkereszteződésben: a globális trendek alacsonyabb költségeket és az űrszolgáltatások környezeti biztonságának növelését követelik. A tervezőknek új, folyékony hajtóanyagú rakétahajtóműveket (LPRE) kell feltalálniuk, amelyek környezetbarát tüzelőanyagokat használnak, és a drága, nagy energiaigényű folyékony hidrogént lecserélik olcsó cseppfolyósított földgázra (LNG), amelynek metántartalma 90–98 százalék. Ez az üzemanyag folyékony oxigénnel párosítva új, rendkívül hatékony és olcsó motorok létrehozását teszi lehetővé a már meglévő tervezési, anyag-, technológiai és gyártási elmaradások felhasználásával.
Az LNG nem mérgező, és oxigénben égetve vízgőz és szén-dioxid keletkezik. A rakétában széles körben használt kerozinnal ellentétben az LNG -kiömlések gyorsan elpárolognak anélkül, hogy károsítanák a környezetet.
Első tesztek
A földgáz levegővel való gyulladási hőmérséklete és robbanásveszélyes koncentrációjának alsó határa magasabb, mint a hidrogén- és kerozingőzöké; ezért alacsony szén -dioxid -koncentrációjú régióban, más szénhidrogén -üzemanyagokkal összehasonlítva, kevésbé robbanékony.
Általában véve az LNG rakéta -üzemanyagként való működtetése nem igényel további tűz- és robbanásmegelőző intézkedéseket, amelyeket korábban nem használtak.
Az LNG sűrűsége hatszorosa a folyékony hidrogénének, de fele a kerozinénak. Az alacsonyabb sűrűség az LNG -tartály méretének megfelelő növekedéséhez vezet a petróleumtartályhoz képest. Figyelembe véve azonban az oxidálószer és az üzemanyag -fogyasztás magasabb arányát (a folyékony oxigén (LC) + LNG üzemanyag esetében körülbelül 3,5-1, a ZhK + kerozin üzemanyag esetében 2,7-1), a ZhK + üzemanyag teljes térfogata az újratankolt LNG csak 20 százalékkal nő. Figyelembe véve az anyag kriogén keményedésének hatását, valamint az LC és LNG tartályok aljának kombinálásának lehetőségét, az üzemanyagtartályok súlya viszonylag kicsi lesz.
És végül, az LNG előállítását és szállítását régóta elsajátították.
A Vegyészmérnöki Tervező Iroda (KB Khimmash) az AM Isaevről elnevezett Korolevban, a moszkvai régióban megkezdte a munkát (mint kiderült, évekig húzódott a nagyon csekély finanszírozás miatt) a ZhK + LNG üzemanyag fejlesztésében 1994 -ben, amikor a tervezési - tervezési tanulmányok és egy döntés született egy új motor létrehozásáról a meglévő oxigén -hidrogén HPC1 sematikus és szerkezeti alapja alapján, 7,5 tf tolóerővel, sikeresen működve a felső szakasz (kriogén felső szakasz) részeként 12KRB az indiai GSLV MkI hordozórakéta (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
1996 -ban folyékony folyadékot és földgázt üzemanyag -összetevőként használó gázgenerátor önálló tüzelési tesztjeit hajtották végre, amelyek főként az indítás és a stabil üzemmódok ellenőrzésére irányultak - 13 zárvány megerősítette a gázgenerátor működőképességét, és a nyitott és zárt rendszereken működő visszanyerő gázgenerátorok fejlesztése során felhasznált eredmények.
A Khimmash Design Bureau 1997 augusztus-szeptemberében tűzvizsgálatot végzett a KVD1 motor kormányművével (szintén hidrogén helyett földgázt használva), amelyben két síkban ± 39,5 fokos szögben eltérített kamrát egyesítettek egyetlen szerkezet (tolóerő - 200 kgf, nyomás a kamrában - 40 kg / cm2), indító- és leállító szelepek, pirotechnikai gyújtórendszer és elektromos hajtások - egy szabványos KVD1 kormánymű hat indítást teljesített, összesen 450 másodpercnél hosszabb üzemidővel és egy kamrával nyomás 42-36 kg / cm2. A vizsgálati eredmények megerősítették annak lehetőségét, hogy egy kis kamrát hoznak létre hűtőközegként földgáz felhasználásával.
1997 augusztusában a KB Khimmash megkezdte a 7,5 tf tolóerővel rendelkező, teljes méretű zárt láncú motorok tesztelését ZhK + LNG üzemanyagon. A gyártás alapja egy zárt körű, módosított KVD1 motor volt, a redukáló gázgenerátor gáz utóégetésével és a kamra üzemanyaggal történő hűtésével.
A standard KVD1 oxidálószivattyút módosították: a szivattyú járókerék átmérőjét megnövelték, hogy biztosítsák az oxidálószer és az üzemanyag -szivattyúfejek szükséges arányát. Továbbá korrigálták a motorvonalak hidraulikus hangolását, hogy biztosítsák az alkatrészek számított arányát.
A prototípus -motor használata, amely korábban teljesítette az LCD + folyékony hidrogén üzemanyaggal végzett tüzelési tesztek ciklusát, a kutatási költségek maximális csökkentését biztosította.
A hideg tesztek lehetővé tették a motor és az állvány meleg munkára való előkészítésének módjának kidolgozását, amely biztosítja a szükséges LNG -paramétereket a tartályokban, az oxidálószert és az üzemanyagvezetékeket olyan hőmérsékletre hűti, amely garantálja a szivattyúk megbízható működését indítási időszak és stabil és stabil motorindítás.
A motor első tűzvizsgálatára 1997. augusztus 22 -én került sor a vállalkozás standján, amelyet ma a Rakéta- és Űripar Tudományos Vizsgálati Központjának (SRC RCP) neveznek. A KB Khimmash gyakorlatában ezek a tesztek voltak az első tapasztalatok az LNG üzemanyagként történő használatáról egy teljes méretű zártláncú motorhoz.
A teszt célja az volt, hogy a paraméterek némi csökkentése és a motor működési feltételeinek megkönnyítése miatt sikeres eredményt érjen el.
Az üzemmód elérésének és az üzemmódnak a vezérlését fojtószelep -szabályozókkal és az üzemanyag -összetevők fogyasztásának arányával a HPC1 algoritmusok segítségével végeztük, figyelembe véve a vezérlőcsatornák kölcsönhatását.
A zárt körű motor első égetési tesztjének programja teljes egészében befejeződött. A motor meghatározott ideig működött, az anyagrész állapotára nem volt megjegyzés.
A vizsgálati eredmények megerősítették azt az alapvető lehetőséget, hogy az LNG-t üzemanyagként használják egy oxigén-hidrogén motor egységében.
Sok gáz van - nincs koksz
Ezt követően a vizsgálatokat tovább folytatták azzal a céllal, hogy alaposabban tanulmányozzák az LNG használatához kapcsolódó folyamatokat, ellenőrizzék a hajtóművek működését szélesebb alkalmazási körülmények között, és optimalizálják a tervezési megoldásokat.
Összességében 1997 és 2005 között a KVD1 motor két példányának öt, a ZhK + LNG üzemanyag használatához igazított, 17-60 másodpercig tartó égetési tesztje, az LNG metántartalma 89,3 és 99,5 százalék között zajlott..
Összességében ezeknek a teszteknek az eredménye lehetővé tette a motor és egységei fejlesztésének alapelveinek meghatározását a „ZhK + LNG” üzemanyag használatakor, és 2006 -ban a kutatás következő szakaszába való továbblépést, amely magában foglalja a fejlesztést, gyártást és a C5.86 motor tesztelése. Az égéstér, a gázgenerátor, a turbószivattyús egység és az utóbbiak szabályozói szerkezetileg és paramétereik szerint kifejezetten a ZhK + LNG üzemanyaggal való üzemeltetéshez készültek.
2009 -re a C5.86 motorok két tűzvizsgálatát végezték 68 és 60 másodperc időtartammal, az LNG 97, 9 és 97, 7 százalékos metántartalmával.
Pozitív eredményeket értek el a folyékony hajtóanyagú motor indításakor és leállításakor, amely állandó állapotú üzemmódokban működik a tolóerő és az üzemanyag-összetevők aránya tekintetében (az ellenőrzési intézkedéseknek megfelelően). De az egyik fő feladat - a szilárd fázis felhalmozódásának kísérleti igazolása a kamra (koksz) hűtőútjában és a gázútban (korom) kellően hosszú bekapcsolással - a korlátozott térfogat miatt nem hajtható végre a padon lévő LNG-tartályokból (a maximális bekapcsolási idő 68 másodperc). Ezért 2010 -ben úgy döntöttek, hogy az állványt legalább 1000 másodperces időtartamra felszerelik a tüzelési tesztek elvégzésére.
Új munkahelyként az NRC RCP tesztpadot használták a megfelelő térfogatú kapacitású oxigén-hidrogén folyékony hajtóanyagú rakéta hajtóművek tesztelésére. A teszt előkészítésekor figyelembe vették a hét tűzvizsgálat során korábban szerzett jelentős tapasztalatokat. A 2010. júniustól szeptemberig tartó időszakban a folyékony hidrogén padok rendszereit finomították az LNG használatára, a 2. számú C5.86 -os motort a padra szerelték, a mérési, vezérlési, vészvédelmi rendszerek átfogó tesztelését és az égéstérben az üzemanyag -fogyasztás és a nyomás arányának szabályozását végezték el.
A padtartályokat üzemanyaggal töltötték fel a tankoló tartály szállítótartályából (térfogat - 56,4 m3, 16 tonnás utántöltéssel) egy LNG -utántöltő egység használatával, beleértve a hőcserélőt, a szűrőket, az elzárószelepeket és a mérőműszereket. A tartályok feltöltésének befejezése után az üzemanyag -alkatrészeket a motorhoz szállító padsorokat lehűtötték és feltöltötték.
A motor beindult és rendesen működött. A rendszerváltások az ellenőrzési rendszer hatásának megfelelően történtek. 1100 másodperctől kezdve a gázgenerátor -gáz hőmérséklete folyamatosan emelkedett, ennek eredményeként döntöttek a motor leállításáról. A leállítás parancsra történt 1160 másodperc alatt, minden megjegyzés nélkül. A hőmérséklet emelkedésének oka az égéskamra hűtési útjának kivezető csővezetékének szivárgása volt, amely a vizsgálat során felmerült - repedés az elosztócsonkra szerelt dugaszolt fúvóka hegesztési varratában.
Az elvégzett tűzpróba eredményeinek elemzése lehetővé tette a következő következtetéseket:
- a működési folyamat során a motor paraméterei stabilak voltak azokban az üzemmódokban, amelyekben az üzemanyag -összetevők (2,42 és 1 - 3,03, 1) és a tolóerő (6311 - 7340 kgf) arányának különböző kombinációi voltak;
-megerősítette, hogy nincs szilárd fázisú képződmény a gázútban, és nincs kokszlerakódás a motor folyadékútjában;
- megszerezték a szükséges kísérleti adatokat az égéstér hűtésére vonatkozó számítási módszer finomításához, amikor LNG -t használnak hűtőként;
- tanulmányozták az égéskamra hűtőcsatornájának az egyensúlyi hőmérsékleti rendszerbe történő kilépésének dinamikáját;
-megerősítette az indítás, ellenőrzés, szabályozás és egyéb dolgok biztosítására szolgáló műszaki megoldások helyességét, figyelembe véve az LNG sajátosságait;
-a kifejlesztett 7,5 tf tolóerővel rendelkező C5.86 használható hajtómotorként (önmagában vagy kombinációban) ígéretes felső és felső hordozórakétákban;
- az égetési tesztek pozitív eredményei megerősítették a ZhK + LNG üzemanyaggal működő motor létrehozására irányuló további kísérletek megvalósíthatóságát.
A következő tűzvizsgálaton, 2011 -ben a motort kétszer is bekapcsolták. Az első leállás előtt a motor 162 másodpercig járt. A második indításkor - annak megerősítésére, hogy nincs szilárd fázisképződés a gázútban és kokszlerakódások a folyadékútban - egy ilyen méretű motor rekord időtartamú működését érte el egyetlen indítással - 2007 másodperc, valamint megerősítették a tolóerő fojtásának lehetőségét. A vizsgálatot megszakították az üzemanyag -alkatrészek kimerülése miatt. A motorpéldány teljes üzemideje 3389 másodperc volt (négy indítás). Az elvégzett hibafelismerés megerősítette, hogy nincs szilárd fázis és kokszképződés a motor pályáiban.
Egy sor elméleti és kísérleti munka a C5.86 2. számmal megerősítette:
- az alapvető lehetőség arra, hogy a ZhK + LNG alkatrészek üzemanyagpárján a kívánt méretű motort hozzanak létre a redukáló generátorgáz utánégetésével, ami biztosítja a stabil jellemzők fenntartását és a szilárd fázis gyakorlati hiányát gázpályák és kokszlerakódások a motor folyadékútjaiban;
-a motor többszörös indításának és leállításának lehetősége;
-a motor hosszú távú működésének lehetősége;
-az elfogadott műszaki megoldások helyessége a többszörös indítás, ellenőrzés, szabályozás biztosítása érdekében, figyelembe véve az LNG és a vészhelyzeti védelem jellemzőit;
-A NIC RCP képességei hosszú távú tesztekre alkalmasak.
Továbbá az NRC RCP -vel együttműködve kifejlesztettek egy technológiát nagy tömegű LNG szállítására, tankolására és termosztálására, és olyan technológiai megoldásokat dolgoztak ki, amelyek gyakorlatilag alkalmazhatók a repülési termékek utántöltésére.
LNG - az újrafelhasználható járatokhoz vezető út
Mivel a korlátozott finanszírozás miatt a C5.86 2. számú demonstrátor motor alkatrészei és szerelvényei nem voltak megfelelően optimalizálva, számos probléma teljes megoldása nem volt lehetséges, többek között:
az LNG mint hűtőközeg termofizikai tulajdonságainak tisztázása;
további adatok beszerzése a fő egységek jellemzőinek konvergenciájának ellenőrzésére, amikor vízen szimulálnak és LNG -n működnek;
a földgáz összetételének a fő egységek jellemzőire gyakorolt lehetséges hatásának kísérleti ellenőrzése, beleértve az égéstér és a gázgenerátor hűtési útvonalait;
a folyékony hajtóanyagú rakétamotorok jellemzőinek meghatározása az üzemmódok és az alapvető paraméterek szélesebb körű változásában, egyszeri és többszörös indítással is;
dinamikus folyamatok optimalizálása indításkor.
Ezeknek a problémáknak a megoldására a KB Khimmash gyártott egy korszerűsített C5.86A No. 2A motort, amelynek turbószivattyú -egységét először indítóturbinával, korszerűsített főturbinnal és üzemanyag -szivattyúval szerelték fel. Az égéstér hűtési útvonalát korszerűsítették, és az üzemanyag -arányú fojtószelep tűt átalakították.
A motor tűzvizsgálatát 2013. szeptember 13 -án végezték el (metántartalom LNG -ben - 94,6%). A tesztprogram három kapcsolót tartalmazott, amelyek teljes időtartama 1500 másodperc (1300 + 100 + 100). A motor indítása és működése üzemmódban normálisan zajlott, de 532 másodpercnél a vészvédelmi rendszer vészleállítási parancsot generált. A baleset oka egy idegen fémrészecske behatolása az oxidáló szivattyú áramlási útjába.
A baleset ellenére a C5.86A 2A elég hosszú ideig működött. Először egy olyan motort dobtak piacra, amelyet egy rakétafokozat részeként való használatra szántak, és amely több indítást igényel, a megvalósított rendszer szerint, fedélzeti újratölthető nyomástartó akkumulátorral. Stabil működési módot kaptunk egy adott tolóerő -üzemmódhoz és az üzemanyag -összetevők fogyasztásának korábban realizált maximális arányához. Meghatározták a tolóerő növelésére és az üzemanyag -összetevők fogyasztásának arányának növelésére szolgáló lehetséges tartalékokat.
Most a KB Khimmash befejezi a C5.86 új példányának gyártását, hogy tesztelje a működési időt és az indítások számát tekintve a lehető legnagyobb erőforrást. A ZhK + LNG üzemanyaggal működő valódi motor prototípusává kell válnia, amely új minőséget ad a hordozórakéták felső szakaszának, és életet lehel az újrafelhasználható szállítási rendszerekbe. Segítségükkel a tér nemcsak a kutatók és feltalálók számára válik elérhetővé, hanem valószínűleg csak az utazók számára is.
