Горивото на печката е високоефективно за ракетни двигатели
Ракетно -космическият свят на кръстопът: световните тенденции изискват по -ниски разходи и повишена екологична безопасност на космическите услуги. Проектантите трябва да измислят нови ракетни двигатели с течно гориво (LPRE), използващи екологично чисти горива, като заменят скъпия, високоенергиен течен водород с евтин втечнен природен газ (LNG) със съдържание на метан 90-98 процента. Това гориво, съчетано с течен кислород, прави възможно създаването на нови високоефективни и евтини двигатели с максимално използване на вече съществуващи елементи от дизайна, материалите, технологичните и производствените изоставания.
Втечнения природен газ е нетоксичен и при изгаряне в кислород се образуват водни пари и въглероден диоксид. За разлика от керосина, който се използва широко в ракетата, разливите от втечнен природен газ се изпаряват бързо, без да навредят на околната среда.
Първи тестове
Температурата на запалване на природния газ с въздух и долната граница на неговата експлозивна концентрация са по -високи от тези на водородните и керосиновите пари; следователно, в района на ниски концентрации, в сравнение с други въглеводородни горива, той е по -малко експлозивен.
По принцип експлоатацията на втечнен природен газ като ракетно гориво не изисква никакви допълнителни мерки за предотвратяване на пожар и експлозия, които не са били използвани преди това.
Плътността на LNG е шест пъти по -голяма от тази на течния водород, но наполовина тази на керосина. По -ниската плътност води до съответно увеличение на размера на резервоара за втечнен природен газ в сравнение с резервоара за керосин. Като се вземе предвид обаче по -голямото съотношение на окислител и разход на гориво (това е приблизително 3,5 към 1 за течния кислород (LC) + втечнен природен газ и 2,7 до 1 за горивото ZHK + керосин), общият обем на горивото ZhK + зарежданият втечнен природен газ се увеличава само с 20 процента. Като се вземе предвид ефектът от криогенното втвърдяване на материала, както и възможността за комбиниране на дъното на резервоарите за LC и LNG, претеглянето на резервоарите за гориво ще бъде относително малко.
И накрая, производството и транспортирането на втечнен природен газ е усвоен отдавна.
Проектното бюро по химическо инженерство (KB Khimmash) на името на А. М. Исаев в Королев, Московска област, започна работа (както се оказа, разтягаща се с години поради много оскъдно финансиране) по разработването на гориво ЖК + LNG през 1994 г., когато проектно -конструкторските проучвания и беше взето решение за създаване на нов двигател, използвайки схематичната и структурна основа на съществуващия кислород -водороден HPC1 с тяга 7,5 tf, успешно експлоатиран като част от горния етап (криогенен горен етап) 12KRB на индийската ракета -носител GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
През 1996 г. бяха проведени автономни изпитвателни изпитания на газогенератор, използващ течни течности и природен газ като горивни компоненти, които бяха насочени главно към проверка на пусковия и стабилен режим на работа - 13 включвания потвърдиха работоспособността на газовия генератор и дадеха резултати, които бяха използвани при разработването на газови генератори за оползотворяване, работещи по отворени и затворени схеми.
През август-септември 1997 г. конструкторското бюро на Химаш проведе пожарни тестове на кормилното устройство на двигателя KVD1 (също използвайки природен газ вместо водород), при което камера, отклонена в две равнини под ъгъл ± 39,5 градуса, беше комбинирана в единична конструкция (тяга - 200 kgf, налягане в камерата - 40 kg / cm2), пускови и спирателни клапани, пиротехническа система за запалване и електрически задвижвания - едно стандартно кормилно устройство KVD1 премина шест старта с общо време на работа над 450 секунди и камера налягане в диапазона 42–36 kg / cm2. Резултатите от теста потвърдиха възможността за създаване на малка камера, използваща природен газ като охлаждаща течност.
През август 1997 г. KB Khimmash започна изстрелване на пълноразмерен затворен двигател с тяга 7,5 tf на гориво ZKK + LNG. Основата за производството беше модифициран двигател KVD1 със затворен кръг с последващо изгаряне на редуциращия газ от генераторния газ и охлаждане на камерата с гориво.
Стандартната окислителна помпа KVD1 е модифицирана: диаметърът на работното колело на помпата е увеличен, за да се осигури необходимото съотношение на окислителя и главите на горивната помпа. Също така, хидравличната настройка на линиите на двигателя беше коригирана, за да се осигури изчисленото съотношение на компонентите.
Използването на прототипния двигател, който преди това е преминал цикъла на изпитвателни тестове върху LCD + течно водородно гориво, осигурява максимално намаляване на разходите за изследвания.
Студените тестове дадоха възможност да се разработи методът за подготовка на двигателя и стойката за гореща работа по отношение на осигуряване на необходимите параметри на втечнен природен газ в резервоари за резервоари, охлаждане на окислителя и горивните тръбопроводи до температури, които гарантират надеждна работа на помпите по време на начален период и стабилен и стабилен старт на двигателя.
Първото огнево изпитване на двигателя се проведе на 22 август 1997 г. на щанда на предприятието, което днес се нарича Научен изпитателен център на ракетно -космическата индустрия (SRC RCP). В практиката на KB Khimmash тези тестове бяха първият опит за използване на втечнен природен газ като гориво за пълноразмерен двигател със затворена верига.
Целта на теста беше да се постигне успешен резултат поради известно намаляване на параметрите и улесняване на условията на работа на двигателя.
Контролът за достигане на режим и работа в режим се осъществява с помощта на дроселни контролери и съотношението на консумацията на горивни компоненти, използвайки алгоритмите HPC1, като се отчита взаимодействието на каналите за управление.
Програмата на първото изпитвателно изпитване на затворен двигател беше завършена изцяло. Двигателят работи за определено време, няма коментари за състоянието на материалната част.
Резултатите от теста потвърдиха фундаменталната възможност за използване на втечнен природен газ като гориво в агрегатите на кислород-водороден двигател.
Има много газ - няма кокс
Впоследствие тестовете бяха продължени с цел по-задълбочено проучване на процесите, свързани с използването на втечнен природен газ, проверка на работата на блоковете на двигателя в по-широки условия на приложение и оптимизиране на проектните решения.
Общо от 1997 г. до 2005 г. се проведоха пет изпитвателни теста на две копия на двигателя KVD1, пригодени за използване на гориво ZHK + LNG, с продължителност от 17 до 60 секунди, съдържанието на метан в LNG - от 89,3 до 99,5 процента.
Като цяло резултатите от тези тестове направиха възможно да се определят основните принципи на разработването на двигателя и неговите агрегати при използване на гориво „ЖК + СПГ“и да се премине през 2006 г. към следващия етап от изследванията, включващ разработката, производството и тестване на двигателя C5.86. Горивната камера, газогенераторът, турбопомпата и регулаторите на последните са конструктивно и параметрично направени специално за работа с гориво ЖК + СПГ.
До 2009 г. бяха проведени два пожарни теста на двигателите C5.86 с продължителност 68 и 60 секунди със съдържание на метан в LNG от 97, 9 и 97, 7 процента.
Положителни резултати бяха получени при стартиране и спиране на двигателя с течно гориво, работещ в стационарни режими по отношение на тягата и съотношението на горивните компоненти (в съответствие с контролните действия). Но една от основните задачи - експерименталната проверка на липсата на натрупване на твърда фаза в охлаждащия път на камерата (кокс) и в газовия път (сажди) с достатъчно дълги включвания - не може да бъде извършена поради ограничения обем на резервоари за втечнен природен газ (максималната продължителност на включване е 68 секунди). Поради това през 2010 г. беше взето решение за оборудване на щанда за провеждане на стрелкови тестове с продължителност най -малко 1000 секунди.
Като ново работно място, изпитвателният стенд NRC RCP беше използван за изпитване на кислород-водородни ракетни двигатели с течно гориво, който има капацитет от съответния обем. При подготовката за изпитанието се взе предвид значителният опит, натрупан по -рано по време на седемте изпитания за пожар. В периода от юни до септември 2010 г. стендовите системи с течен водород бяха усъвършенствани за използване на втечнен природен газ, двигателят № 2 C5.86 беше инсталиран на пейката, изчерпателни тестове на измервателните, контролните, аварийните защитни системи и бяха извършени регулиране на съотношението на разхода на гориво и налягането в горивната камера.
Резервоарите за пейка се пълнят с гориво от транспортния резервоар на цистерната за зареждане с гориво (обем - 56,4 м3 с презареждане с 16 тона) с помощта на агрегат за зареждане с втечнен природен газ, включително топлообменник, филтри, спирателни клапани и измервателни уреди. След като пълненето на резервоарите приключи, щандовете за подаване на горивни компоненти към двигателя бяха охладени и напълнени.
Двигателят стартира и работи нормално. Промените в режима настъпиха в съответствие с влиянията на системата за контрол. От 1100 секунди температурата на газогенераторния газ постоянно се повишава, в резултат на което се взема решение за спиране на двигателя. Изключването стана по команда в 1160 секунди без никакви забележки. Причината за повишаването на температурата е изтичането на изходящия колектор на охлаждащия път на горивната камера, възникнало по време на изпитването - пукнатина в заваръчния шев на запушената технологична дюза, монтирана на колектора.
Анализът на резултатите от проведеното изпитване на пожар даде възможност да се заключи:
- в процеса на работа параметрите на двигателя бяха стабилни в режими с различни комбинации от съотношението на разхода на горивни компоненти (2.42 до 1 - 3.03 до 1) и тягата (6311 - 7340 kgf);
-потвърди липсата на твърди фазови образувания в газовия път и липсата на коксови отлагания в течния път на двигателя;
- са получени необходимите експериментални данни за усъвършенстване на изчислителния метод за охлаждане на горивната камера при използване на СПГ като охладител;
- изследвана е динамиката на изхода на охлаждащия канал на горивната камера към стационарен топлинен режим;
-потвърди правилността на техническите решения за осигуряване на стартиране, контрол, регулиране и други неща, като се вземат предвид особеностите на втечнения природен газ;
-разработен C5.86 с тяга 7,5 tf може да се използва (самостоятелно или в комбинация) като задвижващ двигател в обещаващи горни и горни етапи на ракети -носители;
- положителните резултати от изпитвателните тестове потвърдиха възможността за по -нататъшни експерименти за създаване на двигател, работещ на гориво ЖК + СПГ.
При следващото изпитание за пожар през 2011 г. двигателят се включва два пъти. Преди първото изключване двигателят работи 162 секунди. При второто стартиране, извършено за потвърждаване на липсата на образуване на твърда фаза в газовия път и коксови отлагания в тракта на течността, беше постигната рекордна продължителност на работа на двигател от този размер с еднократно стартиране - 2007 секунди, както и възможността за дроселиране на тягата е потвърдена. Изпитването беше прекратено поради изчерпване на горивните компоненти. Общото време на работа на този екземпляр на двигателя беше 3389 секунди (четири стартирания). Извършеното откриване на дефекти потвърди липсата на твърда фаза и образуване на кокс в пътищата на двигателя.
Набор от теоретична и експериментална работа с C5.86 № 2 потвърди:
- фундаменталната възможност за създаване на двигател с необходимите размери върху горивната двойка на компонентите „ZHK + LNG“с доизгаряне на редуциращия генераторен газ, което гарантира поддържането на стабилни характеристики и практическото отсъствие на твърда фаза в газови канали и отлагания на кокс в течните пътища на двигателя;
-възможността за многократно стартиране и спиране на двигателя;
-възможността за продължителна работа на двигателя;
-коректността на приетите технически решения за осигуряване на многократно пускане, контрол, регулиране, като се вземат предвид характеристиките на втечнен природен газ и аварийна защита;
-Възможностите на NIC RCP представляват дългосрочни тестове.
Също така, в сътрудничество с NRC RCP, е разработена технология за транспортиране, зареждане с гориво и термостатиране на големи маси втечнен природен газ и са разработени технологични решения, които са практически приложими за процедурата за зареждане с гориво на полетни продукти.
LNG - пътят към полети за многократна употреба
Поради факта, че компонентите и възлите на демонстрационния двигател C5.86 № 2 поради ограниченото финансиране не бяха оптимизирани в достатъчна степен, не беше възможно напълно да се решат редица проблеми, включително:
изясняване на термофизичните свойства на втечнен природен газ като охлаждаща течност;
получаване на допълнителни данни за проверка на сближаването на характеристиките на основните агрегати при симулиране на вода и работа на LNG;
експериментална проверка на възможното влияние на състава на природния газ върху характеристиките на основните агрегати, включително охлаждащите пътища на горивната камера и газовия генератор;
определяне на характеристиките на ракетни двигатели с течно гориво в по-широк диапазон от промени в режимите на работа и основните параметри, както с единичен, така и с многократен старт;
оптимизиране на динамичните процеси при стартиране.
За да разреши тези проблеми, KB Khimmash произвежда модернизиран двигател C5.86A No 2A, чийто турбопомпа е за първи път оборудван със стартираща турбина, модернизирана основна турбина и горивна помпа. Охлаждащият път на горивната камера е модернизиран и иглата на дросела за съотношението на горивото е преработена.
На 13 септември 2013 г. е извършен пожарен тест на двигателя (съдържание на метан в LNG - 94,6%). Тестовата програма предвиждаше три превключвателя с обща продължителност 1500 секунди (1300 + 100 + 100). Стартирането и работата на двигателя в режим протичаха нормално, но при 532 секунди системата за аварийна защита генерира команда за аварийно изключване. Причината за инцидента е проникването на частица от чужд метал в пътя на потока на окислителната помпа.
Въпреки инцидента, C5.86A No 2A работи доста дълго време. За първи път беше пуснат двигател, предназначен за използване като част от ракетен етап, който изисква множество стартирания, съгласно внедрената схема, използваща вграден акумулаторен акумулатор на налягане. Получава се стабилен режим на работа за даден режим на тяга и максимумът от реализираното преди това съотношение на разхода на горивни компоненти. Определени са възможните резерви за увеличаване на тягата и увеличаване на съотношението на разхода на горивни компоненти.
Сега KB Khimmash завършва производството на ново копие на C5.86 за тестване на максимално възможния ресурс по отношение на работното време и броя на стартиранията. Той трябва да се превърне в прототип на истински двигател на гориво ZHK + LNG, който ще даде ново качество на горните етапи на ракети -носители и ще вдъхне живот на транспортните системи за многократна употреба. С тяхна помощ пространството ще стане достъпно не само за изследователи и изобретатели, но вероятно само за пътуващи.
