Оборонка

СПГ для ЖРД

Топливо из кухонной конфорки весьма эффективно для ракетных двигателей

Ракетно-космический мир на перепутье: глобальные тенденции требуют снизить стоимость и увеличить экологическую безопасность космических услуг. Конструкторам приходится изобретать новые жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) на экологически чистых видах топлива, заменяя дорогой, крайне энергоемкий жидкий водород дешевым сжиженным природным газом (СПГ) с содержанием метана 90–98 процентов. Это горючее в паре с жидким кислородом позволяет создавать новые высокоэффективные и недорогие двигатели с максимальным использованием уже существующих элементов конструкторского, материального, технологического и производственного задела.

СПГ не ядовит, при сгорании его в кислороде образуются водяной пар и двуокись углерода. В отличие от керосина, широко используемого в ракетной технике, проливы СПГ быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде.

Первые испытания

Температура воспламенения природного газа с воздухом и нижний предел его взрывоопасной концентрации выше, чем водорода и паров керосина, поэтому в области малых концентраций в сравнении с другим углеводородным горючим он менее взрывоопасен.

На втором включении была достигнута рекордная длительность работы двигателя такой размерности при однократном включении – 2007 секунд

В целом эксплуатация СПГ в качестве ракетного горючего не требует каких-либо дополнительных мер пожаровзрывопредупреждения, не применявшихся ранее.

Плотность СПГ в шесть раз выше, чем жидкого водорода, но в два раза ниже, чем керосина. Меньшая плотность ведет к соответствующему увеличению размеров бака СПГ по сравнению с керосиновым баком. Однако с учетом более высокого соотношения расходов окислителя и горючего (составляет примерно 3,5 к 1 для топлива «жидкий кислород (ЖК) + СПГ» и 2,7 к 1 для топлива «ЖК + керосин») общий объем заправляемого топлива «ЖК + СПГ» увеличивается только процентов на 20. С учетом эффекта криогенного упрочнения материала, а также возможности совмещения днищ баков ЖК и СПГ утяжеление топливных емкостей будет относительно небольшим.

И, наконец, производство и транспортировка СПГ давно уже освоены.

Конструкторское бюро химического машиностроения (КБ химмаш) имени А. М. Исаева в подмосковном Королеве приступило к работам (как оказалось, растянувшимся на годы из-за весьма скудного финансирования) по освоению топлива «ЖК + СПГ» в 1994 году, когда были проведены проектно-расчетные проработки и принято решение о создании нового двигателя с использованием схемно-конструктивной базы имеющегося кислородно-водородного КВД1 тягой 7,5 тс, успешно эксплуатируемого в составе верхней ступени (Cryogenic Upper Stage) 12КРБ индийской ракеты-носителя GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).

СПГ для ЖРД
Фото: Виталий Кузьмин

В 1996 году прошли автономные огневые испытания газогенератора на ЖК и природном газе в качестве компонентов топлива, имевшие целью в основном проверку режимов запуска и устойчивой работы – 13 включений подтвердили работоспособность газогенератора и дали результаты, которые использовались при разработке восстановительных газогенераторов, работающих по открытой и замкнутой схемам.

В августе-сентябре 1997-го в КБ химмаш проведены огневые испытания рулевого блока двигателя КВД1 (также с использованием природного газа вместо водорода), в котором в единой конструкции совмещены отклоняемая в двух плоскостях на угол ±39,5 градуса камера (тяга – 200 кгс, давление в камере – 40 кг/см2), арматура пуска и останова, пиротехническая система зажигания и электроприводы – один штатный рулевой блок КВД1 прошел шесть включений с общей наработкой более 450 секунд и давлением в камере в диапазоне 42–36 кг/см2. Результаты испытаний подтвердили возможность создания камеры малой размерности с использованием природного газа в качестве охладителя.

В августе 1997 года КБ химмаш приступило к огневым испытаниям полноразмерного двигателя замкнутой схемы тягой 7,5 тс на топливе «ЖК + СПГ». Основой для изготовления явился доработанный двигатель КВД1 замкнутой схемы с дожиганием восстановительного газогенераторного газа и охлаждением камеры горючим.

Штатный насос окислителя КВД1 был доработан: диаметр рабочего колеса насоса увеличен для обеспечения необходимого отношения напоров насосов окислителя и горючего. Также проведена корректировка гидравлической настройки магистралей двигателя для обеспечения расчетного соотношения компонентов.

Использование двигателя-прототипа, ранее прошедшего цикл огневых испытаний на топливе «ЖК + жидкий водород», обеспечило максимальное сокращение затрат на проведение исследования.

Холодные испытания позволили отработать методику подготовки двигателя и стенда к огневой работе в части обеспечения требуемых параметров СПГ в стендовых емкостях, захолаживания магистралей окислителя и горючего до температур, гарантирующих надежную работу насосов в пусковой период и стабильный и устойчивый запуск двигателя.

Первое огневое испытание двигателя состоялось 22 августа 1997 года на стенде предприятия, которое сегодня называется Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности (НИЦ РКП). В практике КБ химмаша данные испытания являлись первым опытом использования СПГ в качестве горючего полноразмерного двигателя замкнутой схемы.

Задачей испытания было получение успешного результата за счет некоторого снижения параметров и облегчения условий работы двигателя.

Управление выходом на режим и работой на режиме осуществлялось с помощью регуляторов тяги и соотношения расходов компонентов топлива с использованием алгоритмов КВД1, учитывающих взаимо-влияние каналов управления.

Программа первого огневого испытания двигателя замкнутой схемы была выполнена полностью. Двигатель отработал заданное время, замечаний по состоянию материальной части не было.

Результаты испытания подтвердили принципиальную возможность использования в агрегатах кислородно-водородного двигателя СПГ в качестве горючего.

Газа много – кокса нет

В дальнейшем испытания были продолжены с целью более углубленного изучения процессов, связанных с использованием СПГ, проверки работы агрегатов двигателя в более широких условиях применения, оптимизации конструкторских решений.

Всего с 1997 по 2005 год прошло пять огневых испытаний двух экземпляров двигателя КВД1, адаптированного для использования топлива «ЖК + СПГ», длительностью от 17 до 60 секунд, содержание метана в СПГ – от 89,3 до 99,5 процента.

В целом результаты этих испытаний позволили определить основные принципы разработки двигателя и его агрегатов при использовании топлива «ЖК + СПГ» и перейти в 2006 году к следующему этапу исследований, предусматривающих разработку, изготовление и испытание двигателя С5.86. Камера сгорания, газогенератор, турбонасосный агрегат и органы регулирования последнего конструктивно и параметрически выполнены специально для работы на топливе «ЖК + СПГ».

К 2009 году проведено два огневых испытания двигателей С5.86 продолжительностью 68 и 60 секунд при содержании метана в СПГ 97,9 и 97,7 процента.

Были получены положительные результаты по запуску и останову ЖРД, работе на установившихся режимах по тяге и соотношению компонентов топлива (в соответствии с управляющими воздействиями). Но одна из основных задач – экспериментальная проверка отсутствия накопления твердой фазы в тракте охлаждения камеры (кокса) и в газовом тракте (сажи) при достаточно длительных включениях – не могла быть выполнена из-за ограниченного объема стендовых емкостей СПГ (максимальная длительность включения составляла 68 секунд). Поэтому в 2010 году принято решение дооборудовать стенд для проведения огневых испытаний длительностью не менее 1000 секунд.

В качестве нового рабочего места был использован стенд НИЦ РКП для испытаний кислородно-водородных ЖРД, обладающий емкостями соответствующего объема. При подготовке к испытанию был учтен значительный опыт, полученный ранее при проведении семи огневых испытаний. В период с июня по сентябрь 2010 года стендовые системы жидкого водорода дорабатывались для использования СПГ, на стенд установлен двигатель С5.86 № 2, проведены комплексные проверки систем измерения, управления, аварийной защиты, регулирования соотношения расходов компонентов топлива и давления в камере сгорания.

Заправка стендовых емкостей горючим производилась из транспортной емкости заправщика (объем – 56,4 м3 с заправкой 16 т) с помощью блока заправки СПГ, включающего теплообменник, фильтры, запорную арматуру, средства измерения. После завершения заправки емкостей стендовые магистрали подачи компонентов топлива в двигатель захолаживались и заполнялись.

Двигатель запустился и работал нормально. Изменения режима происходили в соответствии с воздействиями системы управления. С 1100 секунды температура газогенераторного газа постоянно нарастала, вследствие чего было принято решение об останове двигателя. Выключение прошло по команде на 1160 секунде без замечаний. Причиной роста температуры явилась возникшая в ходе испытания негерметичность выходного коллектора тракта охлаждения камеры сгорания – трещина в сварном шве заглушенного технологического штуцера, установленного на коллекторе.

Анализ результатов проведенного огневого испытания позволил заключить:

  • в процессе работы параметры двигателя были стабильны на режимах при различных сочетаниях соотношения расходов компонентов топлива (2,42 к 1 – 3,03 к 1) и тяги (6311 – 7340 кгс);
  • подтверждены отсутствие образований твердой фазы в газовом тракте и отсутствие коксовых отложений в жидкостном тракте двигателя;
  • получены необходимые экспериментальные данные для уточнения методики расчета охлаждения камеры сгорания при использовании СПГ в качестве охладителя;
  • исследована динамика выхода охлаждающего тракта камеры сгорания на установившийся тепловой режим;
  • подтверждена правильность технических решений по обеспечению запуска, управления, регулирования и прочего с учетом особенностей СПГ;
  • разрабатываемый С5.86 тягой 7,5 тс может быть использован (в одиночку или в связке) как маршевый двигатель в перспективных разгонных блоках и верхних ступенях ракет-носителей;
  • положительные результаты огневых испытаний подтвердили целесообразность дальнейших экспериментов по созданию двигателя на топливе «ЖК + СПГ».

 

На следующем огневом испытании в 2011 году выполнено двукратное включение двигателя. До первого выключения двигатель проработал 162 секунды. На втором включении, проведенном для подтверждения отсутствия образований твердой фазы в газовом тракте и коксовых отложений в жидкостном тракте, была достигнута рекордная длительность работы двигателя такой размерности при однократном включении – 2007 секунд, а также подтверждены возможности дросселирования тяги. Испытание было прекращено по выработке компонентов топлива. Суммарная наработка данного экземпляра двигателя составила 3389 секунд (четыре включения). Проведенная дефектация подтвердила отсутствие образований твердой фазы и кокса в трактах двигателя.

Комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных работ с С5.86 № 2 подтвердил:

  • принципиальную возможность создания двигателя необходимой размерности на топливной паре компонентов «ЖК + СПГ» с дожиганием восстановительного генераторного газа, обеспечивающего поддержание стабильных характеристик и практическое отсутствие твердой фазы в газовых трактах и коксовых отложений в жидкостных трактах двигателя;
  • возможность многократного запуска и останова двигателя;
  • возможность продолжительной работы двигателя;
  • правильность принятых технических решений по обеспечению многократного запуска, управления, регулирования с учетом особенностей СПГ и аварийной защиты;
  • возможности стенда НИЦ РКП по проведению длительных испытаний.

Также совместно с НИЦ РКП разработана технология транспортировки, заправки и термостатирования больших масс СПГ и отработаны технологические решения, практически применимые для процедуры заправки летных изделий.

СПГ – путь к многоразовым полетам

Вследствие того что узлы и агрегаты двигателя-демонстратора С5.86 № 2 из-за ограниченного финансирования были оптимизированы не в должном объеме, не удалось решить в полной мере ряд задач, в том числе:

  • уточнение теплофизических свойств СПГ как охладителя;
  • получение дополнительных данных для проверки сходимости характеристик основных агрегатов при моделировании на воде и работе на СПГ;
  • экспериментальная проверка возможного влияния состава природного газа на характеристики основных агрегатов, в том числе трактов охлаждения камеры сгорания и газогенератора;
  • определение характеристик ЖРД в более широком диапазоне изменения режимов работы и основных параметров как при единичном, так и при многократных включениях;
  • оптимизация динамических процессов при запуске.

Для решения этих задач КБ химмаш изготовило модернизированный двигатель С5.86А № 2А, турбонасосный агрегат которого впервые оснащался пусковой турбиной, модернизированными основной турбиной и насосом горючего. Модернизирован тракт охлаждения камеры сгорания и перепрофилирована игла дросселя соотношения компонентов топлива.

Огневое испытание двигателя было проведено 13 сентября 2013 года (содержание метана в СПГ – 94,6%). Программа испытаний предусматривала три включения общей длительностью 1500 секунд (1300 + 100 + 100). Запуск и работа двигателя на режиме проходили нормально, однако на 532 секунде система аварийной защиты сформировала команду на аварийное выключение. Причиной аварии явилось попадание посторонней металлической частицы в проточную часть насоса окислителя.

Несмотря на аварию, С5.86А № 2А проработал достаточно долгое время. Впервые был проведен запуск двигателя, предназначенного для использования в составе ракетной ступени, требующей многократного запуска, по реализованной схеме с применением бортового пополняемого аккумулятора давления. Получен устойчивый режим работы при заданном режиме по тяге и максимальном из реализованных ранее соотношении расходов компонентов топлива. Определены возможные резервы по форсированию тяги и повышению соотношения расходов компонентов топлива.

Сейчас КБ химмаш завершает изготовление нового экземпляра С5.86 для испытаний на максимально возможный ресурс по времени работы и количеству включений. Он должен стать прототипом реального двигателя на топливе «ЖК + СПГ», который придаст новое качество верхним ступеням ракет-носителей и вдохнет жизнь в многоразовые транспортные системы. С их помощью космос станет доступным не только для исследователей и изобретателей, но, возможно, и просто для путешественников.

Алексей Яковлев,
главный конструктор по криогенным двигателям КБ химмаш имени А. М. Исаева

Материал опубликован в журнале ROOM, главный редактор И. АШУРБЕЙЛИ

Опубликовано 14 октября в выпуске № 5 от 2015 года

Комментарии
If you have a desire to learn how to earn from $ 500 per day and work only for yourself, then write to us at email: admin@makemoneyonline.universalxyzdom.xyz
Открылся новый магазин все по 50 рублей, например определенный товар стоит 5000 рублей или 7000 рублей то у нас вы можете найти его всего за 50 рублей: shop-50-rubley xyz магазин ежедневно пополняется, к концу недели будет очень богатый ассортимент
Hot sale! E-gift card amazon with a face value of $ 2000 for only $ 500 amazonegiftcardcheap wordpress com The promotion will last until July 31, 2017 After July 31, the price will be $ 1000 amazonegiftcardcheap wordpress com
forum i2dom ru/viewtopic php?f=31&t=350875 stitchfanclub com/forum/post/410037 html#410037 libria su/librarium-elementum/forum/viewtopic php?f=16&t=16342 ausvoters org/viewtopic php?f=11&t=219609 xn--20-18-3veny9b7cli9o xn--p1ai/viewtopic php?f=3&t=160001 inteligentnifakta com/forum/hudba-hlavni-diskuze/muj-top-7-nejposlouchanejsich-skladeb-za-posledni-dobu/paged/7/#post-147 leslapins-gamer fr/forum/viewtopic php?f=31&t=166207 forum maarch org/viewtopic php?f=29&t=3099 astrodistrict com/viewtopic php?f=21&t=4976 umnikizdes ru/topic551708 html crosslifting ru/forum/post/48132/#p48132 fenaduanah hn/foro/viewtopic php?f=4&t=91743 androidperfect net/foro/viewtopic php?f=8&t=238643 hookah-zone com/forums/index php?topic=391783 new#new metin2gondor ro/forum/viewtopic php?f=38&t=13422
zdorovie-ok ru/forum/viewtopic php?f=22&t=7700 cannabismacrography com/viewtopic php?f=35&t=146243 forum bfc-css com/viewtopic php?f=4&t=3232 example hellosanta tw/node/62?page=42 simplemachines tylerstauss com/index php?topic=1233256 new#new tailexpert neware nl/support/viewtopic php?f=5&t=7873&p=9309#p9309 xivra com/forums/index php?topic=2236235 new#new forum menunedeli ru/viewtopic php?f=66&t=37551 solarstrike net/phpBB3/viewtopic php?f=3&t=7033 forum spursmedia com/index php?topic=75156 new#new forum moneyaddicted com/viewtopic php?f=3&t=181710 prorm com/foro/viewtopic php?f=6&t=339965 prowforum pl/viewtopic php?f=11&t=99915 robertrudd com/sacforum/viewtopic php?f=4&t=17777 thelasthope ru/index php/forum/12-%D0%9D%D0%B0%D1%88-%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82%D0%B0%D0%BB/31879-casino-online-kostenlos-ohne-einzahlung-casino-con-bonus-senza-deposito-immediato-%D0%A0%D1%94%D0%A0%C2%B0%D0%A0%C2%B7%D0%A0%D1%91%D0%A0%D0%85%D0%A0%D1%95-%D0%A1%D0%83%D0%A0%D1%98%D0%A0%D1%95%D0%A1%E2%80%9A%D0%A1%D0%82%D0%A0%C2%B5%D0%A1%E2%80%9A%D0%A1%D0%8A-%D0%A0%D1%95%D0%A0%D0%85%D0%A0%C2%BB%D0%A0%C2%B0%D0%A0%E2%84%96%D0%A0%D0%85-%D0%A0%D1%98%D0%A0%C2%B0%D0%A0%E2%84%96-%D0%A1%E2%80%A6%D0%A0%D1%91%D0%A1%E2%80%9A#31879
ЧНПФ «Анкор-Теплоэнерго» несомненно считается одной из ведущих проектно-конструкторской и инженерно-производственной организацией в Украине и государствах СНГ в сфере промышленных пластинчатых теплообменных аппаратов для разнообразных областей промышленности Свой производственный путь производственная компания начала с 1991 г , и сейчас продолжает результативно развиваться и работать В основу фирмы были заложены совместный опыт группы специалистов «УКРНИИХИММАШ», стремление к прогрессу и инициатива Сегодня же ЧНПФ «Анкор-Теплоэнерго» — симбиоз научно-технического потенциала в области проектирования и выпуска высокоэффективного пластинчатого теплообменного оборудования ankort com/ru/zakazat-raschet-teploobmennika/ пластинчатый теплообменник
An easy way to lose weight in 21 days: sites google com/site/weightlossluxury/16-ways-to-lose-weight-fast Popular tags: 50 cent weight loss mediatakeout reviews on quick weight loss centers in houston weight loss p90x or insanity acupuncture weight loss implant dim plus for weight loss how can i lose more weight on atkins sona med spa medical weight loss cost calculate water intake for weight loss extreme weight loss protein cookie recipe
Добавить комментарий
  • Читаемое
  • Обсуждаемое
  • Past:
  • 3 дня
  • Неделя
  • Месяц
ОПРОС
  • В чем вы видите основную проблему ВКО РФ?