Lumea rachetelor și spațiului la o răscruce de drumuri: tendințele globale necesită costuri mai mici și o siguranță sporită a mediului a serviciilor spațiale. Proiectanții trebuie să inventeze noi motoare cu rachete cu propulsie lichidă (LPRE) folosind combustibili ecologici, înlocuind hidrogenul lichid scump, cu mare consum de energie, cu gaz natural lichefiat ieftin (GNL) cu un conținut de metan de 90-98 la sută. Acest combustibil, combinat cu oxigenul lichid, face posibilă crearea de noi motoare extrem de eficiente și ieftine, cu utilizarea maximă a elementelor deja existente de proiectare, material, tehnologic și restanțe de producție.
GNL-ul este netoxic și, atunci când este ars în oxigen, se formează vapori de apă și dioxid de carbon. Spre deosebire de kerosen, care este utilizat pe scară largă în rachete, deversările de GNL se evaporă rapid fără a afecta mediul.
Primele teste
Temperatura de aprindere a gazului natural cu aerul și limita inferioară a concentrației sale explozive sunt mai mari decât cele ale vaporilor de hidrogen și kerosen; prin urmare, în regiunea concentrațiilor scăzute, în comparație cu alți combustibili de hidrocarburi, este mai puțin explozivă.
În general, funcționarea GNL ca combustibil pentru rachete nu necesită măsuri suplimentare de prevenire a incendiilor și a exploziei care nu au fost utilizate anterior.
Densitatea GNL este de șase ori mai mare decât cea a hidrogenului lichid, dar jumătate din cea a kerosenului. Densitatea mai mică duce la o creștere corespunzătoare a dimensiunii rezervorului de GNL în comparație cu rezervorul de kerosen. Cu toate acestea, ținând cont de raportul mai ridicat de oxidant și consum de combustibil (este de aproximativ 3,5 la 1 pentru oxigenul lichid (LC) + combustibil GNL și 2,7 la 1 pentru combustibilul kerosen ZhK +), volumul total al combustibilului ZhK + GNL realimentat crește doar cu 20%. Având în vedere efectul întăririi criogenice a materialului, precum și posibilitatea combinării fundurilor rezervoarelor LC și LNG, ponderarea rezervoarelor de combustibil va fi relativ mică.
Și, în cele din urmă, producția și transportul de GNL au fost mult timp stăpânite.
Biroul de proiectare a ingineriei chimice (KB Khimmash), numit după AM Isaev în Korolev, regiunea Moscovei, a început să lucreze (după cum sa dovedit, întinzându-se ani de zile datorită finanțării foarte slabe) la dezvoltarea combustibilului ZhK + GNL în 1994, când au fost luate studiile de proiectare - proiectare și s-a luat decizia de a crea un nou motor folosind baza schematică și structurală a HPC1 oxigen-hidrogen existent cu o tracțiune de 7,5 tf, operată cu succes ca parte a etapei superioare (etapa superioară criogenică) 12KRB al vehiculului de lansare indian GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
În 1996, au fost efectuate teste de ardere autonomă a unui generator de gaz care utilizează lichid lichid și gaz natural ca componente de combustibil, care au avut ca principal scop verificarea modurilor de pornire și de funcționare stabilă - 13 incluziuni au confirmat funcționarea generatorului de gaz și au dat rezultate care au fost utilizate în dezvoltarea generatoarelor de recuperare a gazelor care funcționează în regim deschis și închis.
În august-septembrie 1997, Khimmash Design Bureau a efectuat teste de incendiu ale unității de direcție a motorului KVD1 (folosind și gaz natural în loc de hidrogen), în care o cameră deviată în două planuri la un unghi de ± 39,5 grade a fost combinată într-un structură simplă (presiune - 200 kgf, presiune cameră - 40 kg / cm2), supape de pornire și oprire, sistem de aprindere pirotehnic și acționări electrice - o unitate de direcție standard KVD1 a trecut șase porniri cu un timp total de funcționare de peste 450 de secunde și o cameră presiunea în intervalul 42–36 kg / cm2. Rezultatele testelor au confirmat posibilitatea creării unei camere mici folosind gazul natural ca agent de răcire.
În august 1997, KB Khimmash a început testele unui motor cu circuit închis de dimensiuni complete, cu o tracțiune de 7,5 tf pe combustibilul ZhK + LNG. Baza pentru fabricație a fost un motor KVD1 modificat al unui circuit închis cu arderea după gazul generatorului de gaz reducător și răcirea camerei cu combustibil.
Pompa oxidantă standard KVD1 a fost modificată: diametrul rotorului pompei a fost mărit pentru a asigura raportul necesar dintre oxidant și capetele pompei de combustibil. De asemenea, reglarea hidraulică a liniilor motorului a fost corectată pentru a asigura raportul calculat al componentelor.
Utilizarea motorului prototip, care trecuse anterior ciclul testelor de ardere pe combustibil LCD + hidrogen lichid, a oferit reducerea maximă a costurilor de cercetare.
Testele la rece au făcut posibilă elaborarea metodei de pregătire a motorului și a standului pentru lucru la cald în ceea ce privește asigurarea parametrilor necesari de GNL în rezervoarele de bancă, răcirea conductelor de oxidare și combustibil la temperaturi care garantează funcționarea sigură a pompelor în timpul perioada de pornire și pornirea motorului stabilă și stabilă.
Primul test de incendiu al motorului a avut loc pe 22 august 1997 la standul întreprinderii, care astăzi se numește Centrul de testare științifică a industriei de rachete și spațiu (SRC RCP). În practica KB Khimmash, aceste teste au fost prima experiență de utilizare a GNL ca combustibil pentru un motor cu circuit închis de dimensiuni complete.
Obiectivul testului a fost obținerea unui rezultat reușit datorită reducerii unor parametri și facilitării condițiilor de funcționare a motorului.
Controlul atingerii modului și al funcționării în modul a fost efectuat folosind regulatoare de accelerație și raportul consumului de componente de combustibil utilizând algoritmii HPC1, luând în considerare interacțiunea canalelor de control.
Programul primului test de tragere a motorului cu circuit închis a fost completat în totalitate. Motorul a funcționat pentru un timp specificat, nu au existat comentarii cu privire la starea piesei materiale.
Rezultatele testelor au confirmat posibilitatea fundamentală a utilizării GNL ca combustibil în unitățile unui motor oxigen-hidrogen.
Există mult gaz - fără cocs
Ulterior, testele au fost continuate cu scopul unui studiu mai aprofundat al proceselor asociate cu utilizarea GNL, verificarea funcționării unităților motoare în condiții mai largi de aplicare și optimizarea soluțiilor de proiectare.
În total, din 1997 până în 2005, au avut loc cinci teste de tragere a două copii ale motorului KVD1, adaptate pentru utilizarea combustibilului ZhK + GNL, cu o durată de la 17 la 60 de secunde, conținutul de metan în GNL - de la 89,3 la 99,5 procente..
În ansamblu, rezultatele acestor teste au făcut posibilă determinarea principiilor de bază ale dezvoltării motorului și a unităților sale atunci când se utilizează combustibil „ZhK + LNG” și continuarea în 2006 a următoarei etape de cercetare care implică dezvoltarea, fabricarea și testarea motorului C5.86. Camera de ardere, generatorul de gaz, turbopompa și regulatoarele acesteia din urmă sunt realizate structural și parametric special pentru funcționarea pe combustibil ZhK + LNG.
Până în 2009, au fost efectuate două teste de incendiu ale motoarelor C5.86 cu o durată de 68 și 60 de secunde, cu un conținut de metan în GNL de 97, 9 și 97, 7%.
S-au obținut rezultate pozitive la pornirea și oprirea motorului cu propulsie lichidă, funcționând în moduri stabile în ceea ce privește împingerea și raportul componentelor combustibilului (în conformitate cu acțiunile de control). Dar una dintre sarcinile principale - verificarea experimentală a absenței acumulării fazei solide în calea de răcire a camerei (cocs) și în calea gazului (funingine) cu porniri suficient de lungi - nu a putut fi efectuată din cauza volumului limitat de rezervoare GNL pe bancă (durata maximă de pornire a fost de 68 de secunde). Prin urmare, în 2010, s-a luat decizia de a echipa standul pentru efectuarea testelor de tragere cu o durată de cel puțin 1000 de secunde.
Ca un nou loc de muncă, banca de testare NRC RCP a fost utilizată pentru testarea motoarelor rachete oxigen-hidrogen cu propulsie lichidă, care are capacități ale volumului corespunzător. În pregătirea testului, a fost luată în considerare experiența semnificativă acumulată mai devreme în timpul celor șapte teste de incendiu. În perioada iunie - septembrie 2010, sistemele de banc de hidrogen lichid au fost rafinate pentru utilizarea GNL, motorul C5.86 nr. 2 a fost instalat pe bancă, teste cuprinzătoare ale sistemelor de măsurare, control, protecție de urgență și s-a efectuat reglarea raportului dintre consumul de combustibil și presiunea din camera de ardere.
Rezervoarele de bancă au fost umplute cu combustibil din rezervorul de transport al cisternei de alimentare (volum - 56,4 m3 cu o alimentare de 16 tone) folosind o unitate de alimentare cu GNL, inclusiv un schimbător de căldură, filtre, supape de închidere și instrumente de măsurare. După ce s-a finalizat umplerea rezervoarelor, liniile de bancă pentru furnizarea componentelor de combustibil la motor au fost răcite și umplute.
Motorul a pornit și a funcționat normal. Schimbările în regim au avut loc în conformitate cu influențele sistemului de control. De la 1100 de secunde, temperatura gazului generator de gaz a crescut în mod constant, drept urmare s-a luat decizia de a opri motorul. Oprirea a avut loc la comandă la 1160 de secunde fără nicio remarcă. Motivul creșterii temperaturii a fost scurgerea colectorului de ieșire al căii de răcire a camerei de combustie care a apărut în timpul testului - o fisură în cusătura de sudură a duzei de proces înfundate instalată pe colector.
Analiza rezultatelor testului de incendiu efectuat a permis concluzia:
- în procesul de funcționare, parametrii motorului au fost stabili în moduri cu diverse combinații ale raportului consumului componentelor combustibilului (2,42 la 1 - 3,03 la 1) și a tracțiunii (6311 - 7340 kgf);
-confirmat absența formațiunilor în fază solidă în calea gazului și absența depozitelor de cocs în calea lichidului motorului;
- s-au obținut datele experimentale necesare pentru a rafina metoda de calcul pentru răcirea camerei de ardere atunci când se utilizează GNL ca răcitor;
- a fost studiată dinamica ieșirii canalului de răcire al camerei de ardere la regimul termic în stare stabilă;
-confirmat corectitudinea soluțiilor tehnice pentru a asigura pornirea, controlul, reglementarea și alte lucruri, ținând cont de particularitățile GNL;
-C5.86 dezvoltat cu o tracțiune de 7,5 tf poate fi utilizat (singur sau în combinație) ca motor de propulsie în treptele promițătoare superioare și superioare ale vehiculelor de lansare;
- rezultatele pozitive ale testelor de ardere au confirmat fezabilitatea unor noi experimente pentru a crea un motor care să funcționeze pe combustibil ZhK + LNG.
La următorul test de incendiu din 2011, motorul a fost pornit de două ori. Înainte de prima oprire, motorul a funcționat timp de 162 de secunde. La a doua pornire, efectuată pentru a confirma absența formării fazei solide în calea gazului și a depozitelor de cocs în calea lichidului, sa înregistrat o durată record de funcționare a unui motor de această dimensiune cu un singur pornire - 2007 secunde, precum și posibilitatea de limitare a forței a fost confirmată. Testul a fost întrerupt din cauza epuizării componentelor combustibilului. Durata totală de funcționare a acestei instanțe a motorului a fost de 3389 secunde (patru porniri). Detectarea defectelor efectuată a confirmat absența fazei solide și a formării de cocs în traseele motorului.
Un set de lucrări teoretice și experimentale cu C5.86 nr. 2 a confirmat:
- posibilitatea fundamentală de a crea un motor cu dimensiunea necesară pe perechea de combustibil a componentelor „ZhK + LNG” cu arderea după gazul generatorului reducător, care asigură menținerea caracteristicilor stabile și absența practică a unei faze solide în căi de gaz și depozite de cocs în căile de lichid ale motorului;
-posibilitatea pornirii și opririi multiple a motorului;
-posibilitatea funcționării pe termen lung a motorului;
-corectitudinea soluțiilor tehnice adoptate pentru a asigura pornirea, controlul, reglementarea multiplă, luând în considerare caracteristicile GNL și protecția de urgență;
-Capacitățile NIC RCP stau pentru teste pe termen lung.
De asemenea, în cooperare cu NRC RCP, a fost dezvoltată o tehnologie pentru transportul, realimentarea și termostarea maselor mari de GNL și au fost dezvoltate soluții tehnologice care sunt practic aplicabile pentru procedura de realimentare a produselor de zbor.
GNL - calea către zboruri refolosibile
Datorită faptului că componentele și ansamblurile motorului demonstrativ C5.86 nr.2 din cauza finanțării limitate nu au fost optimizate în măsura adecvată, nu a fost posibil să se rezolve pe deplin o serie de probleme, inclusiv:
clarificarea proprietăților termofizice ale GNL ca agent de răcire;
obținerea de date suplimentare pentru a verifica convergența caracteristicilor unităților principale atunci când simulează pe apă și funcționează pe GNL;
verificarea experimentală a posibilei influențe a compoziției gazelor naturale asupra caracteristicilor unităților principale, inclusiv căile de răcire ale camerei de ardere și ale generatorului de gaz;
determinarea caracteristicilor motoarelor cu rachete cu propulsie lichidă într-o gamă mai largă de modificări ale modurilor de operare și a parametrilor de bază, atât cu porniri simple, cât și multiple;
optimizarea proceselor dinamice la pornire.
Pentru a rezolva aceste probleme, KB Khimmash a fabricat un motor C5.86A nr. 2A modernizat, a cărui unitate de pompă turbo era echipată pentru prima dată cu o turbină de pornire, o turbină principală modernizată și o pompă de combustibil. Calea de răcire a camerei de ardere a fost modernizată, iar acul clapetei a fost redefinit.
Un test de incendiu al motorului a fost efectuat pe 13 septembrie 2013 (conținut de metan în GNL - 94,6%). Programul de testare prevedea trei comutatoare cu o durată totală de 1500 de secunde (1300 + 100 + 100). Pornirea și funcționarea motorului în modul au continuat normal, dar la 532 secunde sistemul de protecție de urgență a generat o comandă de oprire de urgență. Cauza accidentului a fost pătrunderea unei particule de metal străine în calea de curgere a pompei oxidante.
În ciuda accidentului, C5.86A nr. 2A a funcționat destul de mult timp. Pentru prima dată a fost lansat un motor, destinat utilizării ca parte a unei etape de rachetă, care necesită mai multe porniri, conform schemei implementate folosind un acumulator de presiune reîncărcabil la bord. A fost obținut un mod de funcționare stabil pentru un anumit mod de împingere și maximul raportului realizat anterior de consumul componentelor de combustibil. Au fost determinate rezervele posibile pentru creșterea presiunii și creșterea raportului consumului de componente de combustibil.
Acum KB Khimmash finalizează fabricarea unei noi copii a C5.86 pentru testarea resursei maxime posibile în ceea ce privește timpul de funcționare și numărul de porniri. Ar trebui să devină un prototip al unui motor real pe combustibil ZhK + LNG, care va da o nouă calitate etapelor superioare ale vehiculelor de lansare și va da viață sistemelor de transport refolosibile. Cu ajutorul lor, spațiul va deveni disponibil nu numai pentru cercetători și inventatori, ci, eventual, doar pentru călători.
