LNG az LRE számára
A rakéták és az űrvilág válaszúthoz érkezett: a globális trendek megkövetelik az űrszolgáltatások költségeinek csökkentését és környezetbiztonságának növelését. A tervezőknek új, folyékony hajtóanyagú rakétahajtóműveket (LRE-ket) kell feltalálniuk környezetbarát üzemanyagok felhasználásával, a drága, rendkívül energiaigényes folyékony hidrogént olcsó, 90-98 százalékos metántartalmú cseppfolyósított földgázzal (LNG) helyettesítve. Ez a folyékony oxigénnel párosított üzemanyag lehetővé teszi új, rendkívül hatékony és olcsó motorok létrehozását a meglévő tervezési, anyagi, technológiai és gyártási hátralékelemek maximális kihasználásával.
Az LNG nem mérgező, oxigénben égetésekor vízgőz és szén-dioxid képződik. A rakétatechnológiában széles körben használt kerozinnal ellentétben a kiömlött LNG gyorsan elpárolog anélkül, hogy károsítaná a környezetet.
Első tesztek
A földgáz gyulladási hőmérséklete levegővel és robbanásveszélyes koncentrációjának alsó határa magasabb, mint a hidrogéné és a kerozingőzáé, ezért az alacsony koncentrációk tartományában a többi szénhidrogén üzemanyaggal összehasonlítva kevésbé robbanásveszélyes.
Általánosságban elmondható, hogy az LNG rakéta-üzemanyagként való üzemeltetése nem igényel olyan további tűz- és robbanásmegelőzési intézkedéseket, amelyeket korábban nem alkalmaztak.
Az LNG sűrűsége hatszor nagyobb, mint a folyékony hidrogéné, de fele a kerozin sűrűségének. Az alacsonyabb sűrűség az LNG-tartály méretének megfelelő növekedéséhez vezet a kerozintartályhoz képest. Figyelembe véve azonban az oxidálószer és az üzemanyag-fogyasztás magasabb arányát (körülbelül 3,5:1 a folyékony oxigén (LC) + LNG üzemanyag és 2,7:1 a LOC + kerozin üzemanyag esetén), a betöltött üzemanyag LNG összmennyisége csak 20-kal nő. Figyelembe véve az anyag kriogén keményedésének hatását, valamint az LNG és LNG tartályok fenekének kombinálásának lehetőségét, az üzemanyagtartályok súlya viszonylag kicsi lesz.
És végül, az LNG előállítását és szállítását már régóta elsajátították.
Az A. M. Isaevről elnevezett Tervezői Vegyészmérnöki Iroda (KB Khimmash) a Moszkva melletti Koroljevben 1994-ben kezdett (mint kiderült, a nagyon szűkös finanszírozás miatt évekig húzódó) ZhK + LNG üzemanyag kifejlesztésén, amikor a tervezés - tervezés tanulmányokat, és döntés született egy új hajtómű létrehozásáról a meglévő oxigén-hidrogén HPC1 vázlatos és szerkezeti alapjait felhasználva 7,5 tf tolóerővel, sikeresen üzemelve az indiai hordozórakéta felső fokozatának (Cryogenic Upper Stage) 12KRB részeként. GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle)).
1996-ban elvégezték a gázgenerátor autonóm tűztesztjét LC-vel és földgázzal, mint tüzelőanyaggal, amelyek elsősorban az indítási módok és a stabil működés ellenőrzésére irányultak - 13 zárvány igazolta a gázgenerátor működőképességét és adott eredményeket, amelyeket felhasználtak. nyitott és zárt körben működő redukáló gázgenerátorok fejlesztésében.
1997 augusztusában-szeptemberében a Khimmash Tervező Iroda tűzpróbákat hajtott végre a KVD1 motor kormányblokkján (szintén földgázt használva hidrogén helyett), amelyben egy kamra két síkban elhajlott ± 39,5 fokos szögben (tolóerő - 200 kgf). ) egyetlen kialakításban van kombinálva, nyomás a kamrában - 40 kg / cm2), indító- és elzárószelepek, pirotechnikai gyújtórendszer és elektromos hajtások - egy szabványos KVD1 kormányegység hat zárványon ment keresztül, amelyek teljes működési ideje több mint 450 másodperc és nyomás a kamrában 42-36 kg/cm2. A vizsgálati eredmények megerősítették egy kis kamra létrehozásának lehetőségét földgázt hűtőközegként használva.
1997 augusztusában a Khimmash Design Bureau megkezdte egy 7,5 tf tolóerejű, teljes méretű, zárt rendszerű motor tüzelési tesztjeit ZhK + LNG üzemanyaggal. A gyártás alapja egy módosított zárt rendszerű KVD1 motor volt a redukáló gázgenerátor gáz utóégetésével és a kamra üzemanyaggal történő hűtésével.
A standard KVD1 oxidáló szivattyút módosították: a szivattyú járókerék átmérőjét megnövelték, hogy biztosítsák az oxidálószer és az üzemanyag-szivattyúk szükséges nyomásviszonyát. A motorsorok hidraulikus hangolását is úgy állítottuk be, hogy biztosítsuk az alkatrészek számított arányát.
A prototípus motor használata, amely korábban az "LC + folyékony hidrogén" tüzelőanyaggal végzett tűztesztek ciklusán ment keresztül, biztosította a tanulmány költségeinek maximális csökkentését.
A hidegtesztek lehetővé tették a motor és az állvány melegmunkára való előkészítésének módszertanának kidolgozását az állványtartályokban lévő LNG szükséges paramétereinek biztosítása, az oxidálószer és az üzemanyag-vezetékek olyan hőmérsékletre való hűtése szempontjából, amely garantálja a szivattyúk megbízható működését a szivattyúzás során. indítási időszak és stabil és stabil motorindítás.
A motor első tűzpróbája 22. augusztus 1997-én történt a ma Rakéta- és Űripari Kutató- és Tesztközpontnak (SIC RCP) nevezett vállalkozás standján. A Khimmash Design Bureau gyakorlatában ezek a tesztek voltak az első tapasztalatok az LNG-vel való teljes méretű zártkörű motor üzemanyagként való felhasználásával kapcsolatban.
A teszt célja a paraméterek némi csökkentése miatti sikeres eredmény elérése és a motor működésének megkönnyítése volt.
Az üzemmódhoz való kimenet és a rezsimben való működés szabályozása tolóerő-szabályozókkal, valamint az üzemanyag-komponensek fogyasztásának aránya HPC1 algoritmusokkal történt, amelyek figyelembe veszik a vezérlőcsatornák kölcsönös hatását.
A zártkörű motor első gyújtási próbájának programja teljes egészében elkészült. A motor a megadott ideig működött, az anyagalkatrész állapotára nem volt megjegyzés.
A vizsgálati eredmények megerősítették az LNG üzemanyagként való felhasználásának alapvető lehetőségét az oxigén-hidrogén motoregységekben.
Sok gáz – nincs koksz
Ezt követően a tesztek folytatódtak azzal a céllal, hogy az LNG használatával kapcsolatos folyamatok alaposabb tanulmányozása, a motoregységek működésének tágabb alkalmazási körülmények között történő tesztelése, valamint a tervezési megoldások optimalizálása legyen.
Összességében 1997 és 2005 között a KVD1 motor két példányának öt, ZhK + LNG üzemanyag használatára adaptált tűztesztjét végezték el, 17-60 másodpercig, az LNG metántartalma 89,3-99,5 százalék volt.
Általánosságban elmondható, hogy ezeknek a teszteknek az eredményei lehetővé tették a motor és egységei ZhK + CNG üzemanyaggal történő fejlesztésének alapelvei meghatározását, és a kutatás következő szakaszára való áttérést 2006-ban, amely magában foglalja a fejlesztést, a gyártást és a tesztelést. a C5.86 motorból. Az égéskamra, a gázgenerátor, a turbószivattyú egység és az utóbbi vezérlése szerkezetileg és paraméteresen kifejezetten az "LC + LNG" üzemanyaggal való működésre készült.
2009-ig két tűztesztet végeztek C5.86-os hajtóműveken, 68 és 60 másodperces időtartammal, 97,9 és 97,7 százalékos LNG metántartalommal.
Pozitív eredményeket értek el az LRE indítása és leállítása, a tolóerő és a tüzelőanyag-komponensek aránya (az ellenőrzési intézkedéseknek megfelelően) állandósult állapotú működése terén. De az egyik fő feladat - a kamra hűtőútjában (koksz) és a gázútban (korom) történő szilárd fázis felhalmozódás hiányának kísérleti igazolása kellően hosszú bekapcsolással - az LNG-pad korlátozott térfogata miatt nem volt végrehajtható. tartályok (a maximális kapcsolási időtartam 68 másodperc volt). Ezért 2010-ben úgy döntöttek, hogy az állványt legalább 1000 másodperces tűztesztekre szerelik fel.
Új munkahelyként az Orosz Kommunista Párt Kutatóközpontjának oxigén-hidrogén folyékony-hajtóanyagú rakétamotorok tesztelésére szolgáló standját használták, amely megfelelő térfogatú tartályokkal rendelkezik. A tesztre való felkészülés során jelentős tapasztalatokat vettek figyelembe, amelyeket korábban hét tüzelési próba során szereztek. A 2010. júniustól szeptemberig tartó időszakban a próbapadi folyékony hidrogén rendszereket véglegesítették az LNG használatára, a C5.86 No. 2 motort a padra szerelték, a mérési, vezérlési, vészvédelmi rendszerek átfogó ellenőrzését, az arány szabályozását. tüzelőanyag-komponensek és az égéstérben uralkodó nyomás mérését végezték el.
A teszttartályokat a tartályhajó szállítótartályából (térfogat - 56,4 m3 16 tonna tankolással) töltöttük fel LNG töltőegység segítségével, hőcserélővel, szűrőkkel, szelepekkel és mérőműszerekkel. A tartályok feltöltésének befejezése után lehűtötték és feltöltötték az üzemanyag-alkatrészeket a motorba szállító padvezetékeket.
A motor beindult és rendesen járt. A rendszerváltások az irányítási rendszer hatására következtek be. 1100 másodperctől kezdve folyamatosan emelkedett a gázgenerátor gáz hőmérséklete, aminek következtében a motor leállítása mellett döntöttek. A leállítás parancsra, 1160 másodpercnél, megjegyzés nélkül történt. A hőmérséklet-emelkedés oka az égéstér hűtési útjának kilépő csonkjának a vizsgálat során fellépő szivárgása volt - repedés az elosztóra szerelt dugaszolt technológiai szerelvény hegesztési varratában.
A tűzpróba eredményeinek elemzése lehetővé tette a következőket:
- a működés során a motor paraméterei stabilak voltak az üzemanyag-komponensek fogyasztásának (2,42-1-3,03-1) és a tolóerő (6311-7340 kgf) különböző kombinációival.
- megerősítette a szilárd fázisú képződmények hiányát a gázútban és a kokszlerakódások hiányát a motor folyadékútjában;
-megszerezte a szükséges kísérleti adatokat az égéstér hűtésének számítási módszertanának finomításához LNG hűtőközegként történő alkalmazása esetén;
- tanulmányozták az égéstér hűtőpályájának az állandó termikus üzemmódba való kilépésének dinamikáját;
-megerősítette az indítást, ellenőrzést, szabályozást és egyebeket biztosító műszaki megoldások helyességét, figyelembe véve az LNG jellemzőit;
- A 5.86 tf tolóerejű fejlesztés alatt álló C7,5 (önmagában vagy kombinálva) használható fenntartó motorként a hordozórakéták fejlett felső és felső fokozataiban;
- a tűztesztek pozitív eredményei megerősítették a ZhK + LNG üzemanyaggal működő motor létrehozására irányuló további kísérletek megvalósíthatóságát.
A következő tűzpróbánál 2011-ben kétszer is bekapcsolták a motort. Az első leállás előtt a motor 162 másodpercig járt. A második indításkor, amelyet annak igazolására hajtottak végre, hogy a gázútban szilárd fázis képződése és a folyadékútban a kokszlerakódások hiányát igazolják, rekordidőt ért el egy ilyen méretű motor egyetlen indítással történő működése - 2007 másodperc, és a a tolóerő fojtásának lehetősége is megerősítést nyert. Az üzemanyag-alkatrészek fejlesztése miatt a tesztet leállították. A motor ezen példányának teljes működési ideje 3389 másodperc volt (négy beleszámítva). Az elvégzett ellenőrzés megerősítette, hogy a motorcsatornákban nincs szilárd fázis és kokszképződmény.
A C5.86 2. számú számítási-elméleti és kísérleti munkák komplexuma megerősítette:
- alapvető lehetőség a szükséges méretű motor létrehozására az "LC + LNG" komponensek üzemanyagpárján a redukáló generátor gáz utóégetésével, amely biztosítja a stabil jellemzők fenntartását és a szilárd fázis gyakorlati hiányát a gázpályákban és kokszlerakódások a motor folyadékútjaiban;
- a motor többszöri indításának és leállításának lehetősége;
- a motor hosszú távú működésének lehetősége;
- a többszöri indítást, vezérlést, szabályozást biztosító átvett műszaki megoldások helyességét, figyelembe véve az LNG és a veszélyvédelem jellemzőit;
-A SIC RCP képességei a hosszú távú tesztelést szolgálják.
Szintén az RCP Kutatóközpontjával közösen technológiát fejlesztettek ki nagy tömegű LNG szállítására, tankolására és hőmérséklet-szabályozására, valamint olyan technológiai megoldásokat fejlesztettek ki, amelyek gyakorlatilag alkalmazhatók a repülési termékek tankolásának eljárására.
LNG – az út az újrafelhasználható járatok felé
Tekintettel arra, hogy a 5.86. számú C2 demonstrációs motor alkatrészeit és szerelvényeit a korlátozott finanszírozás miatt nem optimalizálták megfelelő mennyiségben, számos feladat teljes körű megoldása nem volt lehetséges, többek között:
az LNG, mint hűtőközeg termofizikai tulajdonságainak tisztázása;
további adatok beszerzése a fő egységek jellemzőinek konvergenciájának ellenőrzéséhez a vízen végzett szimuláció és az LNG-n végzett munka során;
a földgáz összetételének a fő egységek jellemzőire gyakorolt lehetséges hatásának kísérleti ellenőrzése, beleértve az égéstér és a gázgenerátor hűtési útvonalait;
az LRE jellemzőinek meghatározása az üzemmódok és főbb paraméterek szélesebb skálájában, mind egyszeri, mind többszörös tüzelésre;
dinamikus folyamatok optimalizálása indításkor.
E problémák megoldására a Khimmash Design Bureau egy korszerűsített S5.86A No. 2A motort gyártott, amelynek turbószivattyús egységét először szerelték fel indító turbinával, korszerűsített főturbinával és üzemanyag-szivattyúval. Az égéstér hűtési útvonala korszerűsítésre került, és az üzemanyag-arány fojtószelep-tűje is átalakult.
A motor tűzpróbáját 13. szeptember 2013-án végezték el (az LNG metántartalma 94,6%). A tesztprogram három zárványt tartalmazott, amelyek teljes időtartama 1500 másodperc (1300 + 100 + 100). A motor indítása és működése üzemmódban normális volt, azonban 532 másodpercnél a vészvédelmi rendszer vészleállító parancsot adott. A balesetet az okozta, hogy az oxidáló szivattyú áramlási útjába idegen fémrészecske került.
A baleset ellenére a C5.86A No. 2A elég hosszú ideig működött. A megvalósított séma szerint, fedélzeti újratölthető nyomásakkumulátor segítségével először indítottak el egy többszörös kilövést igénylő rakétafokozat részeként való használatra tervezett hajtóművet. Egy adott tolóerő-módhoz és a korábban megvalósított üzemanyag-fogyasztási arány maximumához stabil működési módot kapunk. Meghatározzák a lehetséges tartalékokat a tolóerő növelésére és az üzemanyag-komponens-fogyasztás arányának növelésére.
A KB Khimmash most fejezi be a C5.86 új példányának gyártását, hogy tesztelje a lehető legnagyobb erőforrást a működési idő és a zárványok száma tekintetében. Egy valódi LK + LNG-vel hajtott motor prototípusává kell válnia, amely új minőséget ad a hordozórakéták felső szakaszainak, és életet lehel az újrafelhasználható szállítórendszerekbe. Segítségükkel a tér nemcsak a kutatók és feltalálók számára válik elérhetővé, hanem talán egyszerűen az utazók számára.
Információk