Plīts degviela ir ļoti efektīva raķešu dzinējiem
Raķešu un kosmosa pasaule krustcelēs: globālās tendences prasa samazināt izmaksas un palielināt kosmosa pakalpojumu vides drošību. Dizaineriem jāizgudro jauni šķidro propelentu raķešu dzinēji (LPRE), izmantojot videi draudzīgu degvielu, dārgu, ļoti energoietilpīgu šķidro ūdeņradi aizstājot ar lētu sašķidrinātu dabasgāzi (LNG) ar metāna saturu 90–98 procenti. Šī degviela kopā ar šķidro skābekli ļauj radīt jaunus ļoti efektīvus un lētus dzinējus, maksimāli izmantojot jau esošos dizaina, materiālu, tehnoloģiju un ražošanas atlikumus.
SDG nav toksisks, un, sadedzinot skābeklī, veidojas ūdens tvaiki un oglekļa dioksīds. Atšķirībā no petrolejas, ko plaši izmanto raķešu ražošanā, SDG noplūdes ātri iztvaiko, nekaitējot videi.
Pirmie testi
Dabasgāzes aizdegšanās temperatūra ar gaisu un tās sprādzienbīstamās koncentrācijas apakšējā robeža ir augstāka nekā ūdeņraža un petrolejas tvaiku temperatūra; tādēļ zemas koncentrācijas reģionā salīdzinājumā ar citām ogļūdeņražu degvielām tā ir mazāk sprādzienbīstama.
Kopumā SDG kā raķešu degvielas darbībai nav nepieciešami nekādi papildu ugunsgrēka un eksplozijas novēršanas pasākumi, kas iepriekš nav izmantoti.
SDG blīvums ir sešas reizes lielāks nekā šķidrajam ūdeņradim, bet puse - petrolejai. Zemāks blīvums attiecīgi palielina SDG tvertnes izmēru, salīdzinot ar petrolejas tvertni. Tomēr, ņemot vērā augstāku oksidētāja un degvielas patēriņa attiecību (šķidrā skābekļa (LC) + SDG degvielai tā ir aptuveni 3,5 pret 1 un ZhK + petrolejas degvielai - 2,7 līdz 1), kopējais ZhK + degvielas tilpums degvielas uzpildītā sašķidrinātā dabasgāze palielinās tikai par 20 procentiem. Ņemot vērā materiāla kriogēnās sacietēšanas efektu, kā arī iespēju apvienot LC un SDG tvertņu dibenus, degvielas tvertņu svars būs salīdzinoši neliels.
Visbeidzot, SDG ražošana un transportēšana jau sen ir apgūta.
Ķīmijas inženierijas projektēšanas birojs (KB Khimmash), kas nosaukts AM Isajeva vārdā Koroļevā, Maskavas apgabalā, sāka darbu (kā izrādījās, izstiepjoties gadiem ļoti niecīgā finansējuma dēļ) pie ZhK + LNG degvielas izstrādes 1994. gadā, kad tika pieņemti projektēšanas - dizaina pētījumi un tika pieņemts lēmums izveidot jaunu dzinēju, izmantojot esošā skābekļa -ūdeņraža HPC1 shematisko un strukturālo pamatu ar 7,5 tf vilces spēku, kas veiksmīgi darbojās kā augšējā posma daļa (kriogēnais augšējais posms) 12KRB Indijas nesējraķetes GSLV MkI (ģeosinhronā satelīta nesējraķete).
1996. gadā tika veikti autonomi gāzes ģeneratora degšanas testi, kuros kā degvielas sastāvdaļas tika izmantots šķidrs šķidrums un dabasgāze, kuru galvenais mērķis bija pārbaudīt iedarbināšanas un stabilus darbības režīmus - 13 ieslēgumi apstiprināja gāzes ģeneratora darbību un deva rezultāti, kas tika izmantoti, izstrādājot reģenerācijas gāzes ģeneratorus, kas darbojas pēc atvērtām un slēgtām shēmām.
1997. gada augustā-septembrī Khimmash Dizaina birojs veica KVD1 dzinēja stūres mezgla ugunsdrošības testus (arī ūdeņraža vietā izmantojot dabasgāzi), kurā divās plaknēs novirzīta kamera tika novietota ± 39,5 grādu leņķī. viena konstrukcija (vilce - 200 kgf, spiediens kamerā - 40 kg / cm2), palaišanas un izslēgšanas vārsti, pirotehniskā aizdedzes sistēma un elektriskās piedziņas - viena standarta KVD1 stūres iekārta izturēja sešus startus ar kopējo darbības laiku vairāk nekā 450 sekundes un kameru spiediens 42-36 kg / cm2. Pārbaudes rezultāti apstiprināja iespēju izveidot nelielu kameru, izmantojot dzesēšanas šķidrumu, izmantojot dabasgāzi.
1997. gada augustā KB Khimmash sāka izmēģināt pilna izmēra slēgtas ķēdes dzinēju ar 7,5 tf vilci uz ZhK + SDG degvielas. Ražošanas pamatā bija modificēts slēgtās ķēdes KVD1 dzinējs ar reducējošās gāzes ģeneratora gāzes pēcdedzināšanu un kameras dzesēšanu ar degvielu.
Tika modificēts standarta oksidētāja sūknis KVD1: palielināts sūkņa lāpstiņriteņa diametrs, lai nodrošinātu nepieciešamo oksidētāja un degvielas sūkņa galvu attiecību. Tika koriģēta arī dzinēju līniju hidrauliskā regulēšana, lai nodrošinātu aprēķināto sastāvdaļu attiecību.
Motora prototipa izmantošana, kas iepriekš bija izturējusi LCD + šķidrā ūdeņraža degvielas degšanas testu ciklu, nodrošināja maksimālu pētījumu izmaksu samazinājumu.
Aukstuma testi ļāva izstrādāt metodi, kā sagatavot motoru un statīvu karstam darbam, nodrošinot nepieciešamos SDG parametrus stenda tvertnēs, atdzesējot oksidētāju un degvielas padeves caurules līdz temperatūrai, kas garantē uzticamu sūkņu darbību darba laikā. sākuma periods un stabila un stabila dzinēja iedarbināšana.
Dzinēja pirmais ugunsdrošības tests notika 1997. gada 22. augustā uzņēmuma stendā, ko šodien sauc par Raķešu un kosmosa rūpniecības zinātnisko testu centru (SRC RCP). KB Khimmash praksē šie testi bija pirmā pieredze, izmantojot LNG kā degvielu pilna izmēra slēgtās ķēdes dzinējam.
Pārbaudes mērķis bija iegūt veiksmīgu rezultātu, nedaudz samazinot parametrus un atvieglojot motora darbības apstākļus.
Režīma sasniegšanas un darbības režīmā kontrole tika veikta, izmantojot droseļvārsta regulatorus un degvielas komponentu patēriņa attiecību, izmantojot HPC1 algoritmus, ņemot vērā vadības kanālu mijiedarbību.
Pirmā slēgtās ķēdes motora iedarbināšanas testa programma tika pilnībā pabeigta. Dzinējs darbojās noteiktu laiku, nebija komentāru par materiālās daļas stāvokli.
Testa rezultāti apstiprināja fundamentālo iespēju izmantot SDG kā degvielu skābekļa-ūdeņraža dzinēja agregātos.
Gāzes ir daudz - nav koksa
Pēc tam testi tika turpināti ar mērķi padziļināti izpētīt procesus, kas saistīti ar SDG izmantošanu, pārbaudīt dzinēju agregātu darbību plašākos lietošanas apstākļos un optimizēt dizaina risinājumus.
Kopumā no 1997. līdz 2005. gadam notika pieci divu KVD1 dzinēja eksemplāru degšanas testi, kas pielāgoti ZhK + LNG degvielas izmantošanai, kas ilga no 17 līdz 60 sekundēm, metāna saturs SDG - no 89,3 līdz 99,5 procentiem..
Kopumā šo testu rezultāti ļāva noteikt dzinēja un tā agregātu izstrādes pamatprincipus, izmantojot “ZhK + LNG” degvielu, un 2006. gadā pāriet uz nākamo pētījumu posmu, kas saistīts ar izstrādi, ražošanu un dzinēja C5.86 testēšana. Sadegšanas kamera, gāzes ģenerators, turbopumpas agregāts un pēdējā regulatori ir strukturāli un parametriski izgatavoti speciāli darbam ar ZhK + SDG degvielu.
Līdz 2009. gadam tika veikti divi C5.86 dzinēju ugunsdrošības testi, kuru ilgums bija 68 un 60 sekundes, un metāna saturs SDG bija 97, 9 un 97, 7 procenti.
Pozitīvi rezultāti tika iegūti, iedarbinot un apturot šķidrās degvielas dzinēju, kas darbojas līdzsvara režīmos, ņemot vērā vilces spēku un degvielas sastāvdaļu attiecību (saskaņā ar kontroles darbībām). Bet vienu no galvenajiem uzdevumiem - eksperimentālu pārbaudi par cietās fāzes uzkrāšanās neesamību kameras (koksa) dzesēšanas ceļā un gāzes ceļā (kvēpi) ar pietiekami ilgu ieslēgšanos - nevarēja veikt ierobežotā tilpuma dēļ no stenda SDG tvertnēm (maksimālais ieslēgšanās ilgums bija 68 sekundes). Tāpēc 2010. gadā tika pieņemts lēmums aprīkot stendu šaušanas testu veikšanai vismaz 1000 sekundes.
Kā jauna darba vieta NRC RCP testa stends tika izmantots skābekļa-ūdeņraža šķidro propelentu raķešu dzinēju testēšanai, kura jauda ir atbilstoša. Gatavojoties testam, tika ņemta vērā iepriekš septiņu ugunsizmēģinājumu laikā gūtā ievērojamā pieredze. Laika posmā no 2010. gada jūnija līdz septembrim šķidrā ūdeņraža stenda sistēmas tika pilnveidotas SDG izmantošanai, uz stenda tika uzstādīts dzinējs Nr. C5.86, tika veikti visaptveroši mērījumu, kontroles, avārijas aizsardzības sistēmu testi un tika veikta degvielas patēriņa un spiediena attiecības regulēšana sadegšanas kamerā.
Stenda tvertnes tika piepildītas ar degvielu no degvielas uzpildes cisternas transportēšanas tvertnes (tilpums - 56,4 m3 ar degvielas uzpildi 16 tonnas), izmantojot SDG uzpildes vienību, ieskaitot siltummaini, filtrus, slēgvārstus un mērinstrumentus. Pēc tvertņu uzpildīšanas tika atdzesētas un piepildītas stenda līnijas degvielas sastāvdaļu piegādei dzinējam.
Motors ieslēdzās un darbojās normāli. Izmaiņas režīmā notika saskaņā ar kontroles sistēmas ietekmi. No 1100 sekundēm gāzes ģeneratora gāzes temperatūra nepārtraukti paaugstinājās, kā rezultātā tika pieņemts lēmums apturēt motoru. Izslēgšana notika pēc komandas 1160 sekundēs bez piezīmēm. Temperatūras paaugstināšanās iemesls bija pārbaudes laikā radusies sadegšanas kameras dzesēšanas ceļa izplūdes kolektora noplūde - plaisa savienotājā uzstādītās sprauslas metināšanas šuvē.
Veiktā ugunsdrošības testa rezultātu analīze ļāva secināt:
- darbības laikā motora parametri bija stabili režīmos ar dažādām degvielas komponentu (2,42 līdz 1 - 3,03 līdz 1) un vilces (6311 - 7340 kgf) attiecības kombinācijām;
-apstiprināja, ka gāzes ceļā nav cietās fāzes veidojumu un nav koksa nogulsnes motora šķidruma ceļā;
- tika iegūti nepieciešamie eksperimentālie dati, lai precizētu aprēķināšanas metodi sadegšanas kameras dzesēšanai, ja kā dzesētāju izmanto SDG;
- ir pētīta sadegšanas kameras dzesēšanas kanāla izejas dinamika līdzsvara stāvokļa termiskajā režīmā;
-apstiprināja tehnisko risinājumu pareizību, lai nodrošinātu palaišanu, kontroli, regulēšanu un citas lietas, ņemot vērā SDG īpatnības;
-izstrādāto C5.86 ar vilces spēku 7,5 tf var izmantot (atsevišķi vai kopā) kā vilces dzinēju daudzsološajās nesējraķešu augšējās un augšējās pakāpēs;
- pozitīvie degšanas testu rezultāti apstiprināja turpmāku eksperimentu iespējamību, lai izveidotu dzinēju, kas darbojas ar ZhK + SDG degvielu.
Nākamajā ugunsdrošības testā 2011. gadā dzinējs tika ieslēgts divas reizes. Pirms pirmās izslēgšanas dzinējs darbojās 162 sekundes. Otrajā palaišanas reizē, lai pārliecinātos, ka gāzes ceļā nav cietās fāzes un nav koksa nogulsnes šķidruma ceļā, tika sasniegts rekordliels šāda izmēra motora darbības ilgums ar vienu iedarbināšanu - 2007 sekundes. kā arī tika apstiprināta vilces droseles iespēja. Pārbaude tika pārtraukta degvielas sastāvdaļu izsīkuma dēļ. Šīs dzinēja instances kopējais darbības laiks bija 3389 sekundes (četri starti). Veiktā trūkumu noteikšana apstiprināja cietās fāzes un koksa veidošanās neesamību motora ceļos.
Teorētisko un eksperimentālo darbu kopums ar C5.86 Nr. 2 apstiprināja:
- pamata iespēja izveidot vajadzīgā izmēra motoru uz komponentu "ZhK + LNG" degvielas pāra ar reducējošās ģeneratorgāzes sadedzināšanu, kas nodrošina stabilu raksturlielumu saglabāšanu un cietās fāzes praktisku neesamību gāzes ceļi un koksa nogulsnes motora šķidruma ceļos;
-iespēja vairākkārt iedarbināt un apturēt motoru;
-iespēja ilgstoši darbināt motoru;
-pieņemto tehnisko risinājumu pareizību, lai nodrošinātu daudzkārtēju palaišanu, kontroli, regulēšanu, ņemot vērā SDG un avārijas aizsardzības iezīmes;
-NIC RCP iespējas ilgstošiem testiem.
Tāpat sadarbībā ar NRC RCP ir izstrādāta tehnoloģija lielu SDG masu pārvadāšanai, uzpildīšanai un termostatēšanai un izstrādāti tehnoloģiski risinājumi, kas praktiski ir piemērojami lidojumu produktu uzpildes procedūrai.
SDG - ceļš uz atkārtoti lietojamiem lidojumiem
Sakarā ar to, ka demonstrācijas dzinēja C5.86 Nr. 2 sastāvdaļas un mezgli ierobežota finansējuma dēļ nebija optimizēti pienācīgā apjomā, nebija iespējams pilnībā atrisināt vairākas problēmas, tostarp:
LNG kā dzesēšanas šķidruma termofizikālo īpašību noskaidrošana;
papildu datu iegūšana, lai pārbaudītu galveno vienību īpašību konverģenci, simulējot uz ūdens un darbojoties ar SDG;
eksperimentāli pārbaudot dabasgāzes sastāva iespējamo ietekmi uz galveno bloku raksturlielumiem, ieskaitot sadegšanas kameras un gāzes ģeneratora dzesēšanas ceļus;
šķidro propelentu raķešu dzinēju raksturlielumu noteikšana plašākā darbības režīmu un pamatparametru izmaiņu diapazonā gan ar vienu, gan vairākiem startiem;
dinamisko procesu optimizācija palaišanas laikā.
Lai atrisinātu šīs problēmas, KB Khimmash izgatavoja modernizētu dzinēju C5.86A Nr. 2A, kura turbo sūkņa agregāts pirmo reizi tika aprīkots ar iedarbināšanas turbīnu, modernizētu galveno turbīnu un degvielas sūkni. Sadegšanas kameras dzesēšanas ceļš ir modernizēts un degvielas attiecības droseļvārsta adata ir pārveidota.
Dzinēja ugunsdrošības pārbaude tika veikta 2013. gada 13. septembrī (metāna saturs SDG - 94,6%). Pārbaudes programma paredzēja trīs slēdžus, kuru kopējais ilgums bija 1500 sekundes (1300 + 100 + 100). Motora iedarbināšana un darbība režīmā noritēja normāli, bet pēc 532 sekundēm avārijas aizsardzības sistēma ģenerēja avārijas izslēgšanas komandu. Negadījuma cēlonis bija svešas metāla daļiņas iekļūšana oksidētāja sūkņa plūsmas ceļā.
Neskatoties uz avāriju, C5.86A Nr. 2A strādāja diezgan ilgu laiku. Pirmo reizi tika palaists dzinējs, kas paredzēts izmantošanai kā daļa no raķešu pakāpiena, kam nepieciešama vairākas iedarbināšanas reizes, saskaņā ar īstenoto shēmu, izmantojot borta uzlādējamu spiediena akumulatoru. Stabils darba režīms tika iegūts noteiktam vilces režīmam un maksimālajai iepriekš realizētajai degvielas sastāvdaļu patēriņa attiecībai. Ir noteiktas iespējamās rezerves vilces palielināšanai un degvielas komponentu patēriņa attiecības palielināšanai.
Tagad KB Khimmash pabeidz jaunas C5.86 kopijas izgatavošanu, lai pārbaudītu maksimāli iespējamo resursu darbības laika un startu skaita ziņā. Tam vajadzētu kļūt par īsta dzinēja prototipu uz ZhK + LNG degvielas, kas nesējraķešu augšējiem posmiem piešķirs jaunu kvalitāti un iedvesmos dzīvību atkārtoti lietojamām transporta sistēmām. Ar viņu palīdzību telpa kļūs pieejama ne tikai pētniekiem un izgudrotājiem, bet, iespējams, tikai ceļotājiem.
