Rakett- og romverden i et veikryss: globale trender krever lavere kostnader og økt miljøsikkerhet for romtjenester. Designere må finne opp nye rakettmotorer med flytende drivstoff (LPRE) som bruker miljøvennlige drivstoff, og erstatte dyrt, svært energikrevende flytende hydrogen med billig flytende naturgass (LNG) med et metaninnhold på 90–98 prosent. Dette drivstoffet, kombinert med flytende oksygen, gjør det mulig å lage nye svært effektive og rimelige motorer med maksimal bruk av allerede eksisterende elementer av design, materiale, teknologisk og produksjonsmangel.
LNG er giftfri, og ved forbrenning i oksygen dannes vanndamp og karbondioksid. I motsetning til parafin, som er mye brukt i rakett, fordamper LNG -utslipp raskt uten å skade miljøet.
Første tester
Antennelsestemperaturen til naturgass med luft og den nedre grensen for eksplosiv konsentrasjon er høyere enn for hydrogen og parafindamp; derfor er det mindre eksplosivt i området med lave konsentrasjoner.
Generelt krever driften av LNG som rakettbrensel ingen ytterligere brann- og eksplosjonsforebyggende tiltak som ikke har blitt brukt tidligere.
Tettheten til LNG er seks ganger så stor som flytende hydrogen, men halvparten av petroleum. Den lavere tettheten fører til en tilsvarende økning i størrelsen på LNG -tanken sammenlignet med petroleumstanken. Men tatt i betraktning det høyere forholdet mellom oksidasjonsmiddel og drivstofforbruk (det er omtrent 3,5 til 1 for flytende oksygen (LC) + LNG -drivstoff og 2,7 til 1 for ZhK + parafinbrensel), er det totale volumet av drivstoffet ZhK + tanket LNG øker bare med 20 prosent. Tatt i betraktning effekten av kryogenherding av materialet, samt muligheten for å kombinere bunnene i LC- og LNG -tanker, vil vektingen av drivstofftankene være relativt liten.
Og til slutt har produksjon og transport av LNG lenge blitt mestret.
Design Bureau of Chemical Engineering (KB Khimmash) oppkalt etter AM Isaev i Korolev, Moskva -regionen, begynte arbeidet (som det viste seg å strekke seg ut i mange år på grunn av svært beskjeden finansiering) med utvikling av ZhK + LNG -drivstoff i 1994, da design - designstudier og en beslutning ble tatt om å lage en ny motor ved hjelp av den skjematiske og strukturelle basen til den eksisterende oksygen -hydrogen HPC1 med en skyvekraft på 7,5 tf, vellykket drevet som en del av det øvre trinnet (Cryogenic Upper Stage) 12KRB av det indiske lanseringsvognen GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
I 1996 ble det utført autonome avfyringstester av en gassgenerator som bruker flytende væske og naturgass som drivstoffkomponenter, som hovedsakelig var rettet mot å kontrollere oppstart og stabile driftsmåter - 13 inneslutninger bekreftet driften av gassgeneratoren og ga resultater som ble brukt i utviklingen av utvinningsgassgeneratorer som opererer på åpne og lukkede ordninger.
I august-september 1997 gjennomførte Khimmash Design Bureau branntester av styreenheten til KVD1-motoren (også ved bruk av naturgass i stedet for hydrogen), der et kammer avbøyd i to fly i en vinkel på ± 39,5 grader ble kombinert i en enkelt struktur (trykk - 200 kgf, kammer trykk - 40 kg / cm2), start- og stoppventiler, pyroteknisk tenningssystem og elektriske drivenheter - en standard KVD1 -styreenhet passerte seks starter med en total driftstid på mer enn 450 sekunder og et kammer trykk i området 42–36 kg / cm2. Testresultatene bekreftet muligheten for å lage et lite kammer med naturgass som kjølevæske.
I august 1997 begynte KB Khimmash å skyte tester av en lukket kretsmotor i full størrelse med et trykk på 7,5 tf på ZhK + LNG-drivstoff. Grunnlaget for produksjonen var en modifisert KVD1 -motor i en lukket krets med etterforbrenning av den reduserende gassgeneratorgassen og kjøling av kammeret med drivstoff.
Standard oksidasjonspumpe KVD1 ble modifisert: Diameteren på pumpehjulet ble økt for å sikre det nødvendige forholdet mellom oksidasjonsmiddel og drivstoffpumpehoder. Også den hydrauliske innstillingen av motorlinjene ble korrigert for å sikre det beregnede forholdet mellom komponenter.
Bruken av prototypemotoren, som tidligere hadde bestått syklusen med avfyringstester på LCD + flytende hydrogenbrensel, ga maksimal reduksjon i forskningskostnadene.
Kalde tester gjorde det mulig å beregne metoden for å forberede motoren og stativet for varmt arbeid når det gjelder å sikre de nødvendige parameterne for LNG i benketanker, kjøle oksydasjonsmiddel og drivstoffledninger til temperaturer som garanterer pålitelig drift av pumpene under startperiode og stabil og stabil motorstart.
Den første branntesten av motoren fant sted 22. august 1997 på standen til virksomheten, som i dag kalles Scientific Test Center of the Rocket and Space Industry (SRC RCP). I praksis med KB Khimmash var disse testene den første opplevelsen av å bruke LNG som drivstoff for en fullstendig lukket kretsmotor.
Målet med testen var å oppnå et vellykket resultat på grunn av noen reduksjon i parametere og tilrettelegging av motorens driftsforhold.
Kontrollen for å nå modusen og operere i modusen ble utført ved hjelp av gassregulatorer og forholdet mellom forbruket av drivstoffkomponenter ved bruk av HPC1 -algoritmene, med tanke på samspillet mellom kontrollkanaler.
Programmet for den første avfyringstesten av motoren med lukket krets ble fullført fullstendig. Motoren gikk i en bestemt tid, det var ingen kommentarer til tilstanden til materialdelen.
Testresultatene bekreftet den grunnleggende muligheten for å bruke LNG som drivstoff i enhetene til en oksygen-hydrogenmotor.
Det er mye gass - ingen koks
Deretter ble testene videreført med sikte på en mer grundig studie av prosessene knyttet til bruk av LNG, kontroll av driften av motorenheter under bredere bruksforhold og optimalisering av designløsninger.
Totalt, fra 1997 til 2005, fant fem avfyringstester av to eksemplarer av KVD1 -motoren, tilpasset bruk av ZhK + LNG -drivstoff, fra 17 til 60 sekunder, metaninnholdet i LNG - fra 89,3 til 99,5 prosent, sted.
I det hele tatt gjorde resultatene av disse testene det mulig å bestemme de grunnleggende prinsippene for utviklingen av motoren og enhetene ved bruk av "ZhK + LNG" drivstoff og å gå videre til neste fase av forskning som involverer utvikling, produksjon og testing av C5.86 -motoren. Brennkammeret, gassgeneratoren, turbopumpenheten og regulatorene til sistnevnte er konstruert og parametrisk laget spesielt for drift på ZhK + LNG -drivstoff.
I 2009 ble to brannprøver av C5.86 -motorene med en varighet på 68 og 60 sekunder utført med et metaninnhold i LNG på 97, 9 og 97, 7 prosent.
Positive resultater ble oppnådd ved start og stopp av motoren med flytende drivstoff, ved drift i steady-state-modus når det gjelder drivstoff og forholdet mellom drivstoffkomponenter (i henhold til kontrollhandlingene). Men en av hovedoppgavene - den eksperimentelle verifiseringen av fraværet av fastfase -akkumulering i kjølebanen til kammeret (koks) og i gassbanen (sot) med tilstrekkelig lange svinger - kunne ikke utføres på grunn av det begrensede volumet av benk-LNG-tanker (maksimal oppstartstid var 68 sekunder). Derfor ble det i 2010 fattet en beslutning om å utstyre stativet for å gjennomføre avfyringstester med en varighet på minst 1000 sekunder.
Som en ny arbeidsplass ble NRC RCP-testbenken brukt til å teste oksygen-hydrogen-væskedrivende rakettmotorer, som har kapasitet på tilsvarende volum. Som forberedelse til testen ble den betydelige erfaringen som ble oppnådd tidligere under de syv branntestene tatt i betraktning. I perioden fra juni til september 2010 ble benkesystemene for flytende hydrogen raffinert for bruk av LNG, C5.86 -motor nr. 2 ble installert på benken, omfattende tester av måle-, kontroll-, nødbeskyttelsessystemer og regulering av forholdet mellom drivstofforbruk og trykk i forbrenningskammeret ble utført.
Benketankene ble fylt med drivstoff fra tanken til tankingen (volum - 56,4 m3 med tanking på 16 tonn) ved bruk av en LNG -tankenhet, inkludert varmeveksler, filtre, avstengningsventiler og måleinstrumenter. Etter at fyllingen av tankene var fullført, ble benkelinjene for tilførsel av drivstoffkomponenter til motoren avkjølt og fylt.
Motoren startet og gikk normalt. Endringene i regimet skjedde i samsvar med påvirkningene fra kontrollsystemet. Fra 1100 sekunder økte temperaturen på gassgeneratorgassen konstant, noe som resulterte i at det ble besluttet å stoppe motoren. Nedleggelsen skjedde på kommando i 1160 sekunder uten noen merknader. Årsaken til temperaturstigningen var lekkasje av utløpsmanifolden til forbrenningskammerets kjølebane som oppsto under testen - en sprekk i sveisesømmen til den pluggede prosessdysen installert på manifolden.
Analysen av resultatene fra den gjennomførte brannprøven gjorde det mulig å konkludere med:
- i driftsprosessen var motorparametrene stabile i moduser med forskjellige kombinasjoner av forholdet mellom forbruk av drivstoffkomponenter (2,42 til 1 - 3,03 til 1) og skyvekraft (6311 - 7340 kgf);
-bekreftet fraværet av faste faseformasjoner i gassbanen og fravær av koksavsetninger i motorens væskebane;
- de nødvendige eksperimentelle dataene ble innhentet for å avgrense beregningsmetoden for avkjøling av forbrenningskammeret ved bruk av LNG som kjøler;
- dynamikken i utgangen av forbrenningskammerets kjølekanal til termisk regime ved steady-state har blitt studert;
-bekreftet riktigheten av tekniske løsninger for å sikre oppstart, kontroll, regulering og andre ting, tatt i betraktning det særegne ved LNG;
-utviklet C5.86 med en skyvekraft på 7,5 tf kan brukes (alene eller i kombinasjon) som fremdriftsmotor i lovende øvre trinn og øvre etapper av oppskytningsbiler;
- de positive resultatene av avfyringstester bekreftet muligheten for ytterligere eksperimenter for å lage en motor som kjører på ZhK + LNG -drivstoff.
Ved neste brannprøve i 2011 ble motoren slått på to ganger. Før den første avstengningen gikk motoren i 162 sekunder. Ved den andre oppstarten, utført for å bekrefte fraværet av fastfasedannelse i gassbanen og koksavsetninger i væskebanen, ble en rekordvarighet for en motor av denne dimensjonen med en enkelt start - 2007 sekunder oppnådd, så vel som muligheten for skyvekraft ble bekreftet. Testen ble avbrutt på grunn av tømming av drivstoffkomponenter. Den totale driftstiden for denne motorforekomsten var 3389 sekunder (fire starter). Den utførte feildeteksjonen bekreftet fraværet av fast fase og koksdannelse i motorbanene.
Et sett med teoretisk og eksperimentelt arbeid med C5.86 nr. 2 bekreftet:
- den grunnleggende muligheten for å lage en motor med den nødvendige dimensjonen på drivstoffparet til komponentene "ZhK + LNG" med etterbrenning av den reduserende generatorgassen, som sikrer opprettholdelse av stabile egenskaper og praktisk fravær av en solid fase i gassbaner og koksavsetninger i motorens væskebaner;
-muligheten for å starte og stoppe motoren flere ganger;
-muligheten for langsiktig drift av motoren;
-riktigheten av de vedtatte tekniske løsningene for å sikre flere oppstart, kontroll, regulering, med tanke på egenskapene til LNG og nødbeskyttelse;
-Funksjonene til NIC RCP står for langsiktige tester.
I samarbeid med NRC RCP er det også utviklet en teknologi for transport, drivstoffpåfylling og termostasjon av store mengder LNG og teknologiske løsninger som er praktisk anvendelige for prosedyren for tanking av flyprodukter.
LNG - veien til gjenbrukbare flyreiser
På grunn av at komponentene og samlingene til demonstrasjonsmotoren C5.86 nr. 2 på grunn av begrenset finansiering ikke ble optimalisert i riktig grad, var det ikke mulig å fullstendig løse en rekke problemer, inkludert:
avklaring av de termofysiske egenskapene til LNG som kjølevæske;
innhente tilleggsdata for å kontrollere konvergensen mellom egenskapene til hovedenhetene ved simulering på vann og drift på LNG;
eksperimentell verifisering av mulig innflytelse av naturgassens sammensetning på egenskapene til hovedenhetene, inkludert kjølebanene til forbrenningskammeret og gassgeneratoren;
bestemmelse av egenskapene til rakettmotorer med flytende drivstoff i et bredere spekter av endringer i driftsmoduser og grunnleggende parametere både med enkelt og flere starter;
optimalisering av dynamiske prosesser ved oppstart.
For å løse disse problemene produserte KB Khimmash en oppgradert C5.86A nr. 2A -motor, hvis turbopumpeenhet for første gang var utstyrt med en startturbin, en oppgradert hovedturbin og en drivstoffpumpe. Brennkammerets kjølebane er modernisert og drivstoffnålen for drivstoffforhold har blitt redesignet.
En branntest av motoren ble utført 13. september 2013 (metaninnhold i LNG - 94,6%). Testprogrammet sørget for tre brytere med en total varighet på 1500 sekunder (1300 + 100 + 100). Start og drift av motoren i modusen forløp normalt, men i 532 sekunder genererte nødbeskyttelsessystemet en nødstoppkommando. Årsaken til ulykken var inntrengning av en fremmed metallpartikkel i oksidasjonspumpens strømningsbane.
Til tross for ulykken fungerte C5.86A nr. 2A ganske lenge. For første gang ble en motor lansert, beregnet for bruk som en del av et rakettstadium, som krever flere oppstart, i henhold til den implementerte ordningen med en innebygd oppladbar trykkakkumulator. En stabil driftsmodus ble oppnådd for en gitt skyvekraftsmodus og maksimum for det tidligere realiserte forholdet mellom forbruk av drivstoffkomponenter. Mulige reserver for å øke skyvekraften og øke forholdet mellom forbruk av drivstoffkomponenter er bestemt.
Nå fullfører KB Khimmash produksjonen av en ny kopi av C5.86 for testing av maksimal ressurs når det gjelder driftstid og antall starter. Det skal bli en prototype på en ekte motor på ZhK + LNG -drivstoff, som vil gi en ny kvalitet til de øvre trinnene i lanseringskjøretøyer og blåse liv i gjenbrukbare transportsystemer. Med deres hjelp vil det bli plass tilgjengelig ikke bare for forskere og oppfinnere, men muligens bare for reisende.
