Pliidikütus on raketimootorite jaoks väga tõhus
Rakettide ja kosmose maailm ristteel: globaalsed suundumused nõuavad kosmoseteenuste kulude vähendamist ja keskkonnaohutuse suurendamist. Disainerid peavad leiutama uued vedelkütusega raketimootorid (LPRE), mis kasutavad keskkonnasõbralikke kütuseid, asendades kalli, väga energiamahuka vedela vesiniku odava veeldatud maagaasiga (LNG), mille metaanisisaldus on 90–98 protsenti. See kütus koos vedela hapnikuga võimaldab luua uusi ülitõhusaid ja odavaid mootoreid, kasutades maksimaalselt ära juba olemasolevaid disaini-, materjali-, tehnoloogilisi ja tootmiskulusid.
LNG ei ole mürgine ning hapnikus põletamisel tekivad veeaurud ja süsinikdioksiid. Erinevalt petrooleumist, mida kasutatakse laialdaselt raketitööstuses, aurustuvad veeldatud maagaasi lekked kiiresti keskkonda kahjustamata.
Esimesed testid
Maagaasi õhuga süttimistemperatuur ja plahvatusohtliku kontsentratsiooni alumine piir on kõrgemad kui vesiniku ja petrooleumi aurudel; seetõttu on see teiste süsivesinikkütustega võrreldes madalama kontsentratsiooniga piirkonnas vähem plahvatusohtlik.
Üldiselt ei nõua LNG käitamine raketikütusena mingeid täiendavaid tule- ja plahvatusvastaseid meetmeid, mida pole varem kasutatud.
LNG tihedus on vedela vesiniku omast kuus korda suurem, kuid petrooleumi omast poole väiksem. Väiksem tihedus toob kaasa vastava veeldatud maagaasi suuruse suurenemise võrreldes petrooleumipaagiga. Võttes aga arvesse oksüdeerija ja kütusekulu suuremat suhet (vedela hapniku (LC) + LNG kütuse puhul on see ligikaudu 3,5–1 ja ZhK + petrooleumkütuse puhul 2,7–1), on kütuse ZhK + kogumaht tankitud LNG suureneb vaid 20 protsenti. Võttes arvesse materjali krüogeense kõvenemise mõju, samuti LC- ja LNG -mahutite põhjade kombineerimise võimalust, on kütusepaakide kaal suhteliselt väike.
Ja lõpuks, LNG tootmine ja transport on juba ammu omandatud.
Moskva oblasti Korolevis asuva AM Isaevi nime kandev keemiatehnika projekteerimisbüroo (KB Khimmash) alustas tööd (nagu selgus, venides aastaid väga nappide rahastamiste tõttu) ZhK + LNG kütuse arendamiseks 1994. aastal, kui tehti projekteerimine - projekteerimisuuringud ja otsus luua uus mootor, kasutades olemasoleva hapniku -vesinik -HPC1 skemaatilist ja struktuurilist alust, mille tõukejõud on 7,5 tf, toimis edukalt ülemise astme osana (krüogeenne ülemine etapp) India kanderaketi GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle) 12KRB.
1996. aastal viidi läbi vedelat vedelikku ja maagaasi kütusekomponentidena kasutavate gaasigeneraatorite autonoomsed põletuskatsed, mille eesmärk oli peamiselt käivitamise ja stabiilsete töörežiimide kontrollimine - 13 lisandit kinnitasid gaasigeneraatori töövõimet ja andsid tulemused, mida kasutati avatud ja suletud skeemidel töötavate taaskasutusgaasigeneraatorite väljatöötamisel.
1997. aasta augustis-septembris viis Khimmashi projekteerimisbüroo läbi KVD1 mootori rooliseadme tulekatsed (kasutades ka vesiniku asemel maagaasi), milles kahes tasapinnas ± 39,5 kraadi nurga all painutatud kamber ühendati üks konstruktsioon (tõukejõud - 200 kgf, kambri rõhk - 40 kg / cm2), käivitus- ja seiskamisventiilid, pürotehniline süütesüsteem ja elektriajamid - üks standardne KVD1 rooliseade läbis kuus käivitust, mille kogu tööaeg oli üle 450 sekundi ja kamber rõhk vahemikus 42–36 kg / cm2. Katsetulemused kinnitasid võimalust luua väike kamber, kasutades jahutusvedelikuna maagaasi.
1997. aasta augustis alustas KB Khimmash ZhK + LNG kütusele täissuuruses suletud ahelaga mootori katsetamist, mille tõukejõud oli 7,5 tf. Tootmise aluseks oli suletud ahela modifitseeritud KVD1 mootor koos redutseeriva gaasi generaatorgaasi järelpõletamise ja kambri kütusega jahutamisega.
Standardset oksüdeerimispumpa KVD1 muudeti: pumba tiiviku läbimõõtu suurendati, et tagada oksüdeerija ja kütusepumba peade nõutav suhe. Samuti korrigeeriti mootoriliinide hüdraulilist häälestamist, et tagada komponentide arvutatud suhe.
Mootori prototüübi kasutamine, mis oli varem läbinud vedelkütusel + vedelkütusel vedelkütusel töötamise tsükli, võimaldas uurimiskulusid maksimaalselt vähendada.
Külmkatsed võimaldasid töötada välja mootori ja aluse kuumtööks ettevalmistamise meetodi, et tagada nõutavad LNG parameetrid pingipaakides, jahutada oksüdeerija ja kütusetorud temperatuurini, mis tagab pumpade usaldusväärse töö kogu töö ajal. käivitusperiood ning stabiilne ja stabiilne mootori käivitamine.
Mootori esimene tuleproov toimus 22. augustil 1997 ettevõtte stendil, mida tänapäeval nimetatakse raketi- ja kosmosetööstuse teaduslikuks katsekeskuseks (SRC RCP). KB Khimmashi praktikas olid need katsed esmakordne kogemus LNG kasutamisest täissuuruses suletud ahelaga mootori kütusena.
Katse eesmärk oli saavutada edukas tulemus parameetrite mõningase vähendamise ja mootori töötingimuste hõlbustamise tõttu.
Režiimi jõudmise ja režiimis töötamise juhtimine viidi läbi gaasikontrollerite ja kütusekomponentide tarbimise suhte abil, kasutades HPC1 algoritme, võttes arvesse juhtkanalite koostoimet.
Suletud ahelaga mootori esimese põlemiskatse programm sai täies mahus läbi. Mootor töötas kindlaksmääratud aja jooksul, materjaliosa seisukorra kohta kommentaare polnud.
Katsetulemused kinnitasid põhilist võimalust kasutada LNG-d kütusena hapniku-vesinikmootori ühikutes.
Gaasi on palju - koks puudub
Seejärel jätkati katseid eesmärgiga põhjalikumalt uurida LNG kasutamisega seotud protsesse, kontrollida mootoriüksuste tööd laiemates kasutustingimustes ja optimeerida disainilahendusi.
Kokku viidi aastatel 1997–2005 läbi viis ZHK + LNG kütuse kasutamiseks kohandatud KVD1 mootori kahe eksemplari viis põlemiskatset, mis kestsid 17–60 sekundit, metaani sisaldus LNG -s - 89,3–99,5 protsenti..
Kokkuvõttes võimaldasid nende katsete tulemused kindlaks teha mootori ja selle sõlmede arendamise aluspõhimõtted kütuse „ZhK + LNG” kasutamisel ning 2006. aastal edasi liikuda järgmisse uurimisjärku, mis hõlmas arendamist, tootmist ja mootori C5.86 katsetamine. Põlemiskamber, gaasigeneraator, turbopump ja nende regulaatorid on struktuurselt ja parameetriliselt valmistatud spetsiaalselt kasutamiseks ZhK + LNG kütusel.
2009. aastaks viidi läbi kaks C5.86 mootorite tulekatset kestusega 68 ja 60 sekundit, metaani sisaldus LNG -s 97, 9 ja 97,7 protsenti.
Positiivseid tulemusi saadi vedelkütusel töötava mootori käivitamisel ja seiskamisel, mis töötas püsiseisundi režiimides tõukejõu ja kütuse komponentide suhte osas (vastavalt juhtimismeetmetele). Kuid ühte peamistest ülesannetest - tahkete faaside akumulatsiooni puudumise eksperimentaalset kontrollimist kambri (koks) jahutusteel ja piisavalt pikkade sisselülitustega gaasiteel (tahm) - ei saanud piiratud mahu tõttu täita veeldatud maagaasi tankidest (maksimaalne sisselülitusaeg oli 68 sekundit). Seetõttu võeti 2010. aastal vastu otsus varustada stend tulekatsete läbiviimiseks vähemalt 1000 sekundiks.
Uue töökohana kasutati NRC RCP katsestendi hapniku-vesiniku vedelkütuse rakettmootorite katsetamiseks, mille võimsus on vastav. Katseks valmistudes võeti arvesse seitsme tulekatsetuse käigus varem omandatud märkimisväärseid kogemusi. Ajavahemikul juunist septembrini 2010 viimistleti vedela vesiniku stendisüsteeme LNG kasutamiseks, mootorile C5.86 paigaldati pink, mõõtmis-, juhtimis-, hädakaitsesüsteemide põhjalikud testid ja viidi läbi kütusekulu ja rõhu suhte reguleerimine põlemiskambris.
Pingipaagid täideti tankimisega tankeri transpordimahutist (maht - 56,4 m3, tankimine 16 tonni), kasutades LNG tankimisseadet, sealhulgas soojusvahetit, filtreid, sulgventiile ja mõõteriistu. Pärast paakide täitmise lõpetamist jahutati ja täideti mootorikütuse komponentide varustamiseks mõeldud pingijooned.
Mootor käivitus ja töötas normaalselt. Muutused režiimis toimusid vastavalt kontrollisüsteemi mõjudele. Alates 1100 sekundist tõusis gaasigeneraatori gaasi temperatuur pidevalt, mille tagajärjel otsustati mootor seisata. Seiskamine toimus käsu peale 1160 sekundit ilma märkusteta. Temperatuuri tõusu põhjuseks oli katse käigus tekkinud põlemiskambri jahutustee väljalaskekollektori leke - pragunemine kollektori külge kinnitatud protsessidüüsi keevisõmbluses.
Läbiviidud tulekatse tulemuste analüüs võimaldas järeldada järgmist:
- tööprotsessis olid mootori parameetrid stabiilsed režiimides, kus kasutati erinevaid kombinatsioone kütusekomponentide (2,42 kuni 1 - 3,03 kuni 1) ja tõukejõu (6311 - 7340 kgf) suhtega;
-kinnitas, et gaasiteel ei ole tahkefaasilisi moodustisi ja koksijääkide puudumist mootori vedelas tees;
- saadi vajalikud katseandmed, et täpsustada põlemiskambri jahutamise arvutusmeetodit LNG kasutamisel jahutina;
- on uuritud põlemiskambri jahutuskanali väljumise dünaamikat püsiseisundi termorežiimi;
-kinnitas tehniliste lahenduste õigsust käivitamise, kontrolli, reguleerimise ja muude asjade tagamiseks, arvestades LNG iseärasusi;
-väljatöötatud C5.86, mille tõukejõud on 7,5 tf, saab kasutada (üksi või koos) tõukejõuna mootorina paljulubavatel kanderaketi ülemistel ja ülemistel etappidel;
- põlemiskatsete positiivsed tulemused kinnitasid ZhK + LNG kütusel töötava mootori loomise edasiste katsete teostatavust.
Järgmisel tulekatsel 2011. aastal lülitati mootor kaks korda sisse. Enne esimest seiskamist töötas mootor 162 sekundit. Teisel käivitamisel, mis tehti kindlaks, et gaasiteel ei tekiks tahkeid faase ja koksi ei jääks vedelikku, saavutati selle mõõtmega mootori rekordiline tööaeg ühe käivitusega - 2007 sekundit, samuti kinnitati tõukejõu vähendamise võimalus. Katse katkestati kütuseosade ammendumise tõttu. Selle mootori eksemplari koguaeg oli 3389 sekundit (neli käivitamist). Läbiviidud vigade tuvastamine kinnitas tahke faasi ja koksi moodustumise puudumist mootori radadel.
Teoreetiliste ja eksperimentaalsete tööde kogum C5.86 nr 2 kinnitas:
- põhiline võimalus luua vajaliku mõõtmega mootor komponentide "ZhK + LNG" kütusepaarile koos redutseeriva generaatorgaasi järelpõletamisega, mis tagab stabiilsete omaduste säilitamise ja tahke faasi praktilise puudumise gaasiteed ja koksi ladestused mootori vedelikuradades;
-mootori mitme käivitamise ja seiskamise võimalus;
-mootori pikaajalise töö võimalus;
-vastuvõetud tehniliste lahenduste õigsus, et tagada mitmekordne käivitamine, kontrollimine, reguleerimine, võttes arvesse veeldatud maagaasi ja hädakaitse funktsioone;
-NIC RCP võimalused pikaajalisteks testideks.
Samuti on koostöös NRC RCP -ga välja töötatud suurte veeldatud maagaasi masside transportimise, tankimise ja termostaadi valmistamise tehnoloogia ning välja töötatud tehnoloogilised lahendused, mis on praktiliselt rakendatavad lennutoodete tankimiseks.
LNG - tee korduvkasutatavate lendude juurde
Kuna demonstratsioonimootori C5.86 nr 2 komponente ja komplekte ei olnud piiratud rahastamise tõttu nõuetekohaselt optimeeritud, ei olnud võimalik täielikult lahendada mitmeid probleeme, sealhulgas:
LNG kui jahutusvedeliku termofüüsikaliste omaduste selgitamine;
täiendavate andmete hankimine, et kontrollida põhiseadmete omaduste ühtlustumist vee simuleerimisel ja veeldatud maagaasil töötamisel;
maagaasi koostise võimaliku mõju katseline kontrollimine põhiseadmete, sealhulgas põlemiskambri ja gaasigeneraatori jahutusradade omadustele;
vedelkütusel töötavate rakettmootorite omaduste määramine töörežiimide ja põhiparameetrite laiemas muutumises nii ühe- kui ka mitmekordse käivitamise korral;
dünaamiliste protsesside optimeerimine käivitamisel.
Nende probleemide lahendamiseks valmistas KB Khimmash uuendatud C5.86A nr 2A mootorit, mille turbopump oli esmakordselt varustatud käivitusturbiini, täiustatud põhiturbiini ja kütusepumbaga. Põlemiskambri jahutusrada on moderniseeritud ja kütuse suhtega drosselnõel on ümber kujundatud.
Mootori tuleproov viidi läbi 13. septembril 2013 (metaanisisaldus LNG -s - 94,6%). Katseprogramm nägi ette kolme lülitit kogupikkusega 1500 sekundit (1300 + 100 + 100). Mootori käivitamine ja töötamine režiimis kulges normaalselt, kuid 532 sekundi pärast genereeris avariikaitsesüsteem hädaseiskamise käsu. Õnnetuse põhjuseks oli võõra metalliosakese sattumine oksüdeerimispumba vooluteesse.
Vaatamata õnnetusele töötas C5.86A nr 2A üsna kaua. Esmakordselt käivitati mootor, mis oli ette nähtud kasutamiseks raketietapi osana, mis nõuab mitut käivitamist vastavalt rakendatud skeemile, kasutades pardal olevat laetavat rõhuakut. Stabiilne töörežiim saadi antud tõukejõu režiimi ja varem realiseeritud kütusekomponentide tarbimise suhte maksimumiks. Võimalikud reservid tõukejõu suurendamiseks ja kütusekomponentide tarbimise suhte suurendamiseks on kindlaks määratud.
Nüüd lõpetab KB Khimmash uue koopia C5.86 valmistamise, et testida maksimaalset võimalikku ressurssi tööaja ja käivituste arvu osas. Sellest peaks saama ZhK + LNG kütusel töötava tõelise mootori prototüüp, mis annab kanderakettide ülemistele etappidele uue kvaliteedi ja hingab korduvkasutatavatele transpordisüsteemidele elu. Nende abiga muutub ruum kättesaadavaks mitte ainult teadlastele ja leiutajatele, vaid võib -olla ka lihtsalt reisijatele.
