Raket- och rymdvärlden i ett vägskäl: globala trender kräver lägre kostnader och ökad miljösäkerhet för rymdtjänster. Designers måste uppfinna nya vätskedrivande raketmotorer (LPRE) som använder miljövänliga bränslen och ersätter dyrt, mycket energikrävande flytande väte med billig flytande naturgas (LNG) med en metanhalt på 90–98 procent. Detta bränsle, i kombination med flytande syre, gör det möjligt att skapa nya mycket effektiva och billiga motorer med maximal användning av redan existerande element av design, material, teknik och produktion.
LNG är giftfritt och vid förbränning i syre bildas vattenånga och koldioxid. Till skillnad från fotogen, som ofta används i raketer, avdunstar LNG -spill snabbt utan att skada miljön.
Första testerna
Antändningstemperaturen för naturgas med luft och den nedre gränsen för dess explosiva koncentration är högre än för väte och fotogenångor; därför är det i området med låga koncentrationer, i jämförelse med andra kolvätebränslen, mindre explosivt.
I allmänhet kräver driften av LNG som raketbränsle inga ytterligare brand- och explosionsåtgärder som inte har använts tidigare.
Densiteten för LNG är sex gånger den för flytande väte, men hälften av fotogen. Den lägre densiteten leder till en motsvarande ökning av storleken på LNG -tanken jämfört med fotogenbehållaren. Med tanke på det högre förhållandet mellan oxidationsmedel och bränsleförbrukning (det är ungefär 3,5 till 1 för flytande syre (LC) + LNG -bränsle och 2,7 till 1 för ZhK + fotogenbränsle), den totala volymen av ZhK + -bränslet tankad LNG ökar bara med 20 procent. Med hänsyn till effekten av kryogen härdning av materialet, liksom möjligheten att kombinera bottnarna i LC- och LNG -tankar, blir viktningen av bränsletankarna relativt liten.
Och slutligen har produktion och transport av LNG länge behärskats.
Designbyrån för kemiteknik (KB Khimmash) uppkallad efter AM Isaev i Korolev, Moskva -regionen, började arbeta (som det visade sig sträcka sig ut i åratal på grund av mycket knapp finansiering) på utvecklingen av ZhK + LNG -bränsle 1994, när design - designstudier och ett beslut togs att skapa en ny motor med hjälp av den schematiska och strukturella basen av den befintliga syre -väte HPC1 med en dragkraft på 7,5 tf, framgångsrikt drivs som en del av det övre steget (Cryogenic Upper Stage) 12KRB för det indiska lanseringsfordonet GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
1996 utfördes autonoma avfyrningstester av en gasgenerator med flytande vätska och naturgas som bränslekomponenter, som huvudsakligen syftade till att kontrollera start- och stabila driftsätt - 13 inkluderingar bekräftade gasgeneratorns funktion och gav resultat som användes vid utvecklingen av återvinningsgasgeneratorer som arbetar med öppna och slutna system.
I augusti-september 1997 genomförde Khimmash Design Bureau brandtester av styrenheten för KVD1-motorn (även med naturgas istället för väte), där en kammare som avböjdes i två plan i en vinkel på ± 39,5 grader kombinerades i en enkel struktur (dragkraft - 200 kgf, kammartryck - 40 kg / cm2), start- och stoppventiler, pyrotekniskt tändsystem och elektriska drivenheter - en standard KVD1 -styrenhet passerade sex starter med en total driftstid på mer än 450 sekunder och en kammare tryck i intervallet 42–36 kg / cm2. Testresultaten bekräftade möjligheten att skapa en liten kammare med naturgas som kylvätska.
I augusti 1997 började KB Khimmash avfyra tester av en fullstor motor med slutna kretsar med en dragkraft på 7,5 tf på ZhK + LNG-bränsle. Grunden för tillverkningen var en modifierad KVD1 -motor i en sluten krets med efterbränning av den reducerande gasgeneratorn och kylning av kammaren med bränsle.
Standardoxidationspumpen KVD1 modifierades: pumphjulets diameter ökades för att säkerställa det erforderliga förhållandet mellan oxidationsmedel och bränslepumphuvuden. Hydraulinställningen av motorlinjerna korrigerades också för att säkerställa det beräknade förhållandet mellan komponenter.
Användningen av prototypmotorn, som tidigare hade klarat cykeln med avfyrningstester på LCD + flytande vätebränsle, gav den maximala minskningen av forskningskostnaderna.
Kalla tester gjorde det möjligt att utarbeta metoden för att förbereda motorn och stället för heta arbeten när det gäller att säkerställa de nödvändiga parametrarna för LNG i bänkbehållare, kylning av oxidationsmedel och bränsleledningar till temperaturer som garanterar pålitlig drift av pumparna under startperiod och stabil och stabil motorstart.
Det första brandtestet av motorn ägde rum den 22 augusti 1997 på företagets monter, som idag kallas för Scientific Test Center of the Rocket and Space Industry (SRC RCP). I praktiken med KB Khimmash var dessa tester den första erfarenheten av att använda LNG som bränsle för en sluten kretsmotor i full storlek.
Syftet med testet var att uppnå ett framgångsrikt resultat på grund av en viss minskning av parametrar och underlättande av motorns driftförhållanden.
Kontrollen av att nå läget och arbeta i läget utfördes med hjälp av gasregulatorer och förhållandet mellan förbrukning av bränslekomponenter med hjälp av HPC1 -algoritmerna, med hänsyn till växelverkan mellan kontrollkanaler.
Programmet för det första avfyrningstestet av den slutna kretsmotorn slutfördes i sin helhet. Motorn gick under en viss tid, det fanns inga kommentarer om skicket på materialdelen.
Testresultaten bekräftade den grundläggande möjligheten att använda LNG som bränsle i enheterna i en syre-väte-motor.
Det finns mycket gas - ingen koks
Därefter fortsatte testerna i syfte att göra en mer ingående studie av processerna i samband med användningen av LNG, kontrollera driften av motorenheter under bredare applikationsförhållanden och optimera designlösningar.
Totalt, från 1997 till 2005, genomfördes fem avfyrningstester av två exemplar av KVD1 -motorn, anpassade för användning av ZhK + LNG -bränsle, som varade från 17 till 60 sekunder, metanhalten i LNG - från 89,3 till 99,5 procent, ägde rum.
Sammantaget gjorde resultaten av dessa tester det möjligt att fastställa de grundläggande principerna för utvecklingen av motorn och dess enheter vid användning av "ZhK + LNG" -bränsle och att 2006 gå vidare till nästa forskningssteg som involverar utveckling, tillverkning och testning av C5.86 -motorn. Förbränningskammaren, gasgeneratorn, turbopumpsenheten och regulatorerna för den senare är konstruerat och parametriskt speciellt för drift på ZhK + LNG -bränsle.
År 2009 genomfördes två brandprov av C5.86 -motorerna med en varaktighet på 68 och 60 sekunder med en metanhalt i LNG på 97, 9 och 97, 7 procent.
Positiva resultat erhölls vid start och stopp av den vätskedrivande motorn, vid drift i stationära lägen när det gäller dragkraft och förhållandet mellan bränslekomponenter (i enlighet med kontrollåtgärderna). Men en av huvuduppgifterna - den experimentella verifieringen av frånvaron av fastfasansamling i kammarens kylbana (koks) och i gasvägen (sot) med tillräckligt långa varv - kunde inte utföras på grund av den begränsade volymen av bänk-LNG-tankar (den maximala inkopplingstiden var 68 sekunder). Därför fattades 2010 beslut om att utrusta stativet för att genomföra skjutprov med en varaktighet på minst 1000 sekunder.
Som en ny arbetsplats användes NRC RCP-testbänk för att testa raketmotorer med vätgasdrivande syre-väte, som har kapacitet på motsvarande volym. Som förberedelse för testet togs hänsyn till den betydande erfarenhet som gjorts tidigare under de sju brandtesterna. Under perioden juni till september 2010 förädlades bänksystemen för flytande väte för användning av LNG, C5.86 -motor nr 2 installerades på bänken, omfattande tester av mät-, kontroll-, nödskyddssystem och regleringen av förhållandet mellan bränsleförbrukning och tryck i förbränningskammaren genomfördes.
Bänkstankarna fylldes med bränsle från tanken för tankning av tank (volym - 56,4 m3 med tankning på 16 ton) med hjälp av en LNG -tankenhet, inklusive en värmeväxlare, filter, avstängningsventiler och mätinstrument. Efter påfyllningen av tankarna kyldes bänkledningarna för tillförsel av bränslekomponenter till motorn och fylldes.
Motorn startade och gick normalt. Förändringarna i regimen skedde i enlighet med kontrollsystemets påverkan. Från 1100 sekunder ökade temperaturen på gasgeneratorn konstant, vilket ledde till att ett beslut fattades att stanna motorn. Avstängningen skedde på kommando vid 1160 sekunder utan några anmärkningar. Anledningen till temperaturstegringen var läckage från utloppsgrenröret för förbränningskammarens kylväg som uppstod under testet - en spricka i svetssömmen på det pluggade processmunstycket installerat på grenröret.
Analysen av resultaten från det genomförda brandtestet gjorde det möjligt att dra slutsatsen:
- under drift var motorparametrarna stabila i lägen med olika kombinationer av förhållandet mellan förbrukning av bränslekomponenter (2,42 till 1 - 3,03 till 1) och dragkraft (6311 - 7340 kgf);
-bekräftade frånvaron av fastfasformationer i gasvägen och frånvaron av koksavlagringar i motorns vätskebana;
- erforderliga experimentella data erhölls för att förfina beräkningsmetoden för kylning av förbränningskammaren vid användning av LNG som kylare;
- Dynamiken i utloppet av förbränningskammarens kylkanal till termostaten vid steady-state har studerats.
-bekräftade att tekniska lösningar är korrekta för att säkerställa uppstart, kontroll, reglering och andra saker, med beaktande av LNG: s särdrag;
-utvecklad C5.86 med en dragkraft på 7,5 tf kan användas (ensam eller i kombination) som en framdrivningsmotor i lovande övre steg och övre steg i startbilar;
- De positiva resultaten av avfyrningstester bekräftade genomförandet av ytterligare experiment för att skapa en motor som körs på ZhK + LNG -bränsle.
Vid nästa brandtest 2011 startades motorn två gånger. Innan den första avstängningen gick motorn i 162 sekunder. Vid den andra uppstarten, som utfördes för att bekräfta frånvaron av fastfasbildning i gasbanan och koksavlagringar i vätskebanan, uppnåddes en rekordtid för en motor av denna dimension med en enda start - 2007 sekunder uppnåddes, såväl som möjligheten till strypning bekräftades. Testet avbröts på grund av tömningen av bränslekomponenter. Den totala drifttiden för denna motorinstans var 3389 sekunder (fyra starter). Den utförda feldetekteringen bekräftade frånvaron av fast fas och koksbildning i motorvägarna.
En uppsättning teoretiska och experimentella arbeten med C5.86 nr 2 bekräftade:
- den grundläggande möjligheten att skapa en motor med erforderlig dimension på bränsleparet av komponenterna "ZhK + LNG" med efterbränning av reducerande generatorgas, vilket säkerställer bibehållande av stabila egenskaper och praktisk frånvaro av en fast fas i gasvägar och koksavlagringar i motorns vätskebanor;
-möjligheten att starta och stoppa motorn flera gånger;
-möjligheten till långsiktig drift av motorn;
-riktigheten i de antagna tekniska lösningarna för att säkerställa flera start, kontroll, reglering, med hänsyn tagen till LNG: s funktioner och nödskydd;
-NIC RCP: s kapacitet står för långsiktiga tester.
I samarbete med NRC RCP har också en teknik för transport, tankning och termostation av stora massor av LNG utvecklats och tekniska lösningar har utvecklats som är praktiskt tillämpbara för förfarandet för tankning av flygprodukter.
LNG - vägen till återanvändbara flyg
På grund av att komponenterna och sammansättningarna i demonstrationsmotorn C5.86 nr 2 på grund av begränsad finansiering inte optimerades i rätt utsträckning var det inte möjligt att helt lösa ett antal problem, inklusive:
klargörande av de termofysiska egenskaperna hos LNG som kylvätska;
erhålla ytterligare data för att kontrollera konvergensen mellan huvudenheternas egenskaper vid simulering på vatten och drift på LNG;
experimentell verifiering av eventuell påverkan av naturgas sammansättning på huvudenhetens egenskaper, inklusive förbränningskammarens och gasgeneratorns kylvägar;
bestämning av egenskaperna hos raketmotorer med flytande drivmedel i ett större antal ändringar i driftslägen och grundparametrar både med enstaka och flera start;
optimering av dynamiska processer vid start.
För att lösa dessa problem tillverkade KB Khimmash en uppgraderad C5.86A nr 2A -motor, vars turbopumpenhet för första gången var utrustad med en startturbin, en uppgraderad huvudturbin och en bränslepump. Förbränningskammarens kylväg har moderniserats och gasnålen för bränsleförhållande har omformats.
Ett brandprov av motorn utfördes den 13 september 2013 (metanhalt i LNG - 94,6%). Testprogrammet gav tre switchar med en total varaktighet på 1500 sekunder (1300 + 100 + 100). Starten och driften av motorn i läget fortsatte normalt, men vid 532 sekunder genererade nödskyddssystemet ett nödstoppskommando. Orsaken till olyckan var att en främmande metallpartikel trängde in i oxidationspumpens flödesbana.
Trots olyckan fungerade C5.86A nr 2A ganska länge. För första gången lanserades en motor, avsedd att användas som en del av ett raketsteg, vilket kräver flera startningar, enligt det implementerade schemat med en inbyggd laddningsbar tryckackumulator. Ett stabilt driftsläge erhölls för ett givet dragkraftsläge och maximalt för det tidigare realiserade förhållandet mellan förbrukning av bränslekomponenter. Möjliga reserver för att öka dragkraften och öka förhållandet mellan bränslekomponentförbrukning har fastställts.
Nu slutför KB Khimmash tillverkningen av en ny kopia av C5.86 för testning av maximal möjlig resurs när det gäller driftstid och antal starter. Det borde bli en prototyp på en riktig motor på ZhK + LNG -bränsle, vilket kommer att ge en ny kvalitet till de övre stadierna i lanseringsfordon och blåsa liv i återanvändbara transportsystem. Med deras hjälp kommer utrymme att bli tillgängligt inte bara för forskare och uppfinnare, men möjligen bara för resenärer.
