Kogepladebrændstof er yderst effektivt til raketmotorer
Raket- og rumverden ved et skillevej: Globale tendenser kræver lavere omkostninger og øget miljøsikkerhed ved rumfartstjenester. Designere skal opfinde nye flydende raketmotorer (LPRE) ved hjælp af miljøvenlige brændstoffer og erstatte dyrt, meget energikrævende flydende brint med billig flydende naturgas (LNG) med et metanindhold på 90–98 procent. Dette brændstof, kombineret med flydende ilt, gør det muligt at skabe nye yderst effektive og billige motorer med maksimal brug af allerede eksisterende elementer af design, materiale, teknologisk og produktionsforsinkelse.
LNG er giftfri, og ved forbrænding i ilt dannes vanddamp og kuldioxid. I modsætning til petroleum, som er meget udbredt i raketter, fordamper LNG -spild hurtigt uden at skade miljøet.
Første test
Antændelsestemperaturen for naturgas med luft og den nedre grænse for dens eksplosive koncentration er højere end for hydrogen og petroleumsdampe; derfor er det i området med lave koncentrationer i sammenligning med andre kulbrintebrændstoffer mindre eksplosivt.
Generelt kræver driften af LNG som raketbrændstof ikke yderligere brand- og eksplosionsforebyggende foranstaltninger, der ikke tidligere er blevet brugt.
LNG -densiteten er seks gange så stor som flydende brint, men halvdelen af petroleum. Den lavere tæthed fører til en tilsvarende stigning i størrelsen på LNG -tanken sammenlignet med petroleumstanken. Under hensyntagen til det højere forhold mellem oxidationsmiddel og brændstofforbrug (det er cirka 3,5 til 1 for flydende oxygen (LC) + LNG -brændstof og 2,7 til 1 for ZhK + petroleum), er det samlede volumen af ZhK + -brændstoffet tanket LNG stiger kun med 20 procent. Under hensyntagen til effekten af kryogen hærdning af materialet samt muligheden for at kombinere bundene i LC- og LNG -tanke vil vægten af brændstoftankene være relativt lille.
Og endelig har produktion og transport af LNG længe været mestret.
Design Bureau of Chemical Engineering (KB Khimmash) opkaldt efter AM Isaev i Korolev, Moskva -regionen, begyndte arbejdet (som det viste sig at strække sig i årevis på grund af meget sparsom finansiering) i udviklingen af ZhK + LNG -brændstof i 1994, da design - designundersøgelser og en beslutning blev taget om at oprette en ny motor ved hjælp af den skematiske og strukturelle base for den eksisterende oxygen -hydrogen HPC1 med et tryk på 7,5 tf, med succes betjent som en del af den øverste etape (Cryogenic Upper Stage) 12KRB af det indiske lanceringskøretøj GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
I 1996 blev der udført autonome affyringstests af en gasgenerator, der brugte flydende væske og naturgas som brændstofkomponenter, der hovedsageligt havde til formål at kontrollere opstart og stabile driftsformer - 13 inklusioner bekræftede gasgeneratorens funktionsevne og gav resultater, der blev brugt til udvikling af genvindingsgasgeneratorer, der opererer på åbne og lukkede ordninger.
I august-september 1997 gennemførte Khimmash Design Bureau brandtest af KVD1-motorens styreenhed (også ved hjælp af naturgas i stedet for brint), hvor et kammer afbøjet i to fly i en vinkel på ± 39,5 grader blev kombineret i en enkelt struktur (tryk - 200 kgf, kammertryk - 40 kg / cm2), start- og stopventiler, pyroteknisk tændingssystem og elektriske drev - en standard KVD1 -styreenhed passerede seks starter med en samlet driftstid på mere end 450 sekunder og et kammer tryk i området 42–36 kg / cm2. Testresultaterne bekræftede muligheden for at oprette et lille kammer ved hjælp af naturgas som kølevæske.
I august 1997 begyndte KB Khimmash at affyre test af en motor i lukket kredsløb i fuld størrelse med et tryk på 7,5 tf på ZhK + LNG-brændstof. Grundlaget for fremstillingen var en modificeret KVD1 -motor i et lukket kredsløb med efterforbrænding af den reducerende gasgeneratorgas og afkøling af kammeret med brændstof.
Standardoxideringspumpen KVD1 blev ændret: Pumpehjulets diameter blev forøget for at sikre det nødvendige forhold mellem oxidations- og brændstofpumpehovederne. Også den hydrauliske tuning af motorlinjerne blev korrigeret for at sikre det beregnede forhold mellem komponenter.
Anvendelsen af prototypemotoren, der tidligere havde bestået cyklen med affyringstest på LCD + flydende brintbrændstof, gav den maksimale reduktion i forskningsomkostninger.
Kolde test gjorde det muligt at udarbejde metoden til at forberede motoren og stativet til varmt arbejde med hensyn til at sikre de nødvendige parametre for LNG i bænketanke, afkøling af oxidationsmidlet og brændstofledninger til temperaturer, der garanterer pålidelig drift af pumperne under startperiode og stabil og stabil motorstart.
Den første brandtest af motoren fandt sted den 22. august 1997 på standen på virksomheden, som i dag kaldes det videnskabelige testcenter for raket- og rumindustrien (SRC RCP). I praksis med KB Khimmash var disse test den første oplevelse af at bruge LNG som brændstof til en motor i fuld størrelse lukket kredsløb.
Formålet med testen var at opnå et vellykket resultat på grund af en vis reduktion i parametre og lette motorens driftsbetingelser.
Kontrollen med at nå tilstanden og fungere i tilstanden blev udført ved hjælp af gasregulatorer og forholdet mellem forbruget af brændstofkomponenter ved hjælp af HPC1 -algoritmerne under hensyntagen til interaktionen mellem kontrolkanaler.
Programmet for den første affyringstest af motoren med lukket kredsløb blev fuldført fuldt ud. Motoren kørte i en bestemt tid, der var ingen kommentarer til tilstanden af materialedelen.
Testresultaterne bekræftede den grundlæggende mulighed for at bruge LNG som brændstof i enhederne i en oxygen-brintmotor.
Der er meget gas - ingen koks
Efterfølgende blev testene fortsat med det formål at få en mere dybdegående undersøgelse af de processer, der er forbundet med brugen af LNG, kontrollere driften af motorenheder under bredere anvendelsesforhold og optimere designløsninger.
I alt, fra 1997 til 2005, fandt fem fyringstest af to kopier af KVD1 -motoren, tilpasset til brug af ZhK + LNG -brændstof, der varede fra 17 til 60 sekunder, metanindholdet i LNG - fra 89,3 til 99,5 procent, sted.
I det hele taget gjorde resultaterne af disse tests det muligt at bestemme de grundlæggende principper for udviklingen af motoren og dens enheder ved brug af "ZhK + LNG" brændstof og i 2006 gå videre til den næste fase af forskning, der involverer udvikling, fremstilling og test af C5.86 -motoren. Forbrændingskammeret, gasgeneratoren, turbopumpeenheden og regulatorerne for sidstnævnte er strukturelt og parametrisk fremstillet specielt til drift på ZhK + LNG -brændstof.
I 2009 blev der udført to brandtest af C5.86 -motorerne med en varighed på 68 og 60 sekunder med et metanindhold i LNG på 97, 9 og 97, 7 procent.
Der blev opnået positive resultater ved start og stop af den flydende drivmotor, der kørte ved steady-state-forhold med hensyn til tryk og forholdet mellem brændstofkomponenter (i overensstemmelse med kontrolhandlingerne). Men en af hovedopgaverne - den eksperimentelle verifikation af fraværet af fastfaseakkumulering i kammerets kølekanal (koks) og i gasbanen (sod) med tilstrækkeligt lange tændinger - kunne ikke udføres på grund af det begrænsede volumen af bænk LNG-tanke (den maksimale tændingsvarighed var 68 sekunder). Derfor blev der i 2010 truffet en beslutning om at udstyre stativet til at udføre affyringstest med en varighed på mindst 1000 sekunder.
Som en ny arbejdsplads blev NRC RCP-testbænken brugt til at teste ilt-hydrogen-flydende drivmotor-raketmotorer, der har kapacitet på det tilsvarende volumen. Som forberedelse til testen blev der taget højde for de betydelige erfaringer, der blev opnået tidligere under de syv brandtest. I perioden fra juni til september 2010 blev bænksystemerne med flydende brint forfinet til brug af LNG, C5.86 -motor nr. 2 blev installeret på bænken, omfattende test af måle-, kontrol-, nødbeskyttelsessystemer og regulering af forholdet mellem brændstofforbrug og tryk i forbrændingskammeret blev udført.
Bænketankene blev fyldt med brændstof fra tanken til tankning af tank (volumen - 56,4 m3 med en tankning på 16 tons) ved hjælp af en LNG -tankningsenhed, herunder en varmeveksler, filtre, afspærringsventiler og måleinstrumenter. Efter påfyldningen af tankene blev kølebænkledningerne til levering af brændstofkomponenter til motoren afkølet og fyldt.
Motoren startede og kørte normalt. Ændringerne i regimet fandt sted i overensstemmelse med påvirkningerne fra kontrolsystemet. Fra 1100 sekunder steg temperaturen på gasgeneratoren konstant, hvilket resulterede i en beslutning om at stoppe motoren. Lukningen fandt sted på kommando på 1160 sekunder uden bemærkninger. Årsagen til temperaturstigningen var lækage af udløbsmanifolden til forbrændingskammerets kølevej, der opstod under testen - en revne i svejsesømmen på den tilstoppede procesdyse installeret på manifolden.
Analysen af resultaterne af den gennemførte brandtest gjorde det muligt at konkludere:
- i driftsprocessen var motorparametrene stabile i tilstande med forskellige kombinationer af forholdet mellem forbrug af brændstofkomponenter (2,42 til 1 - 3,03 til 1) og tryk (6311 - 7340 kgf);
-bekræftede fraværet af fastfaseformationer i gasbanen og fraværet af koksaflejringer i motorens væskestrækning;
- de nødvendige forsøgsdata blev indhentet til at forfine beregningsmetoden til afkøling af forbrændingskammeret ved anvendelse af LNG som køler;
- dynamikken i udgangen af forbrændingskammerets kølekanal til termisk regime ved steady-state er blevet undersøgt;
-bekræftede rigtigheden af tekniske løsninger for at sikre opstart, kontrol, regulering og andre ting under hensyntagen til LNG's særegenheder;
-udviklet C5.86 med et tryk på 7,5 tf kan bruges (alene eller i kombination) som fremdrivningsmotor i lovende øvre etaper og øvre etaper af affyringsbiler;
- de positive resultater af affyringstest bekræftede muligheden for yderligere forsøg for at skabe en motor, der kører på ZhK + LNG -brændstof.
Ved den næste brandtest i 2011 blev motoren tændt to gange. Inden den første nedlukning kørte motoren i 162 sekunder. Ved den anden opstart, der blev udført for at bekræfte fraværet af fastfasedannelse i gasbanen og koksaflejringer i væskebanen, blev der registreret en rekordvarighed af en motor af denne dimension med en enkelt start - 2007 sekunder blev opnået, samt muligheden for støddæmpning blev bekræftet. Testen blev afbrudt på grund af udtømning af brændstofkomponenter. Den samlede driftstid for denne motorinstans var 3389 sekunder (fire starter). Den udførte fejldetektering bekræftede fraværet af fast fase og koksdannelse i motorbanerne.
Et sæt teoretisk og eksperimentelt arbejde med C5.86 nr. 2 bekræftede:
- den grundlæggende mulighed for at oprette en motor med den nødvendige dimension på brændstofparret af komponenterne "ZhK + LNG" med efterbrænding af den reducerende generatorgas, hvilket sikrer opretholdelse af stabile egenskaber og praktisk fravær af en fast fase i gasbaner og koksaflejringer i motorens væskestier;
-muligheden for flere start og stop af motoren
-muligheden for langsigtet drift af motoren
-rigtigheden af de vedtagne tekniske løsninger for at sikre flere opstart, kontrol, regulering under hensyntagen til funktionerne i LNG og nødbeskyttelse
-Funktioner i NIC RCP står for langsigtede tests.
I samarbejde med NRC RCP er der også blevet udviklet en teknologi til transport, tankning og termostation af store mængder LNG, og der er blevet udviklet teknologiske løsninger, der er praktisk anvendelige til proceduren for tankning af flyveprodukter.
LNG - vejen til genanvendelige flyvninger
På grund af det faktum, at komponenterne og samlingerne i demonstrationsmotoren C5.86 nr. 2 på grund af begrænset finansiering ikke blev optimeret i det korrekte omfang, var det ikke muligt fuldstændigt at løse en række problemer, herunder:
afklaring af de termofysiske egenskaber af LNG som kølevæske;
indhentning af yderligere data for at kontrollere konvergensen mellem hovedenhedernes egenskaber ved simulering på vand og drift på LNG
eksperimentel verifikation af den mulige indflydelse af sammensætningen af naturgas på hovedenhedernes egenskaber, herunder forbrændingskammerets og gasgeneratorens kølebaner;
bestemmelse af egenskaberne ved flydende drivmotor raketmotorer i en bredere vifte af ændringer i driftstilstande og grundlæggende parametre både med enkelt og flere starter;
optimering af dynamiske processer ved opstart.
For at løse disse problemer fremstillede KB Khimmash en opgraderet C5.86A nr. 2A -motor, hvis turbopumpeenhed for første gang var udstyret med en startturbine, en opgraderet hovedturbine og en brændstofpumpe. Forbrændingskammerets kølebane er blevet moderniseret, og gasnålen for brændstofforhold er blevet redesignet.
En brandtest af motoren blev udført den 13. september 2013 (metanindhold i LNG - 94,6%). Testprogrammet sørgede for tre switches med en samlet varighed på 1500 sekunder (1300 + 100 + 100). Start og drift af motoren i tilstanden forløb normalt, men på 532 sekunder genererede nødbeskyttelsessystemet en nødstopkommando. Årsagen til ulykken var indtrængen af en fremmed metalpartikel i oxidationspumpens strømningsbane.
På trods af ulykken fungerede C5.86A nr. 2A ganske længe. For første gang blev en motor lanceret, beregnet til brug som en del af et raketstadium, som kræver flere opstart i henhold til den implementerede ordning ved hjælp af en indbygget genopladelig trykakkumulator. Der blev opnået en stabil driftstilstand for en given trykfunktion og maksimum for det tidligere realiserede forhold mellem forbrug af brændstofkomponenter. Mulige reserver til at øge tryk og øge forholdet mellem brændstofkomponentforbrug er blevet bestemt.
Nu færdiggør KB Khimmash fremstillingen af en ny kopi af C5.86 til testning af den maksimalt mulige ressource med hensyn til driftstid og antal starter. Det skulle blive en prototype af en rigtig motor på ZhK + LNG -brændstof, som vil give en ny kvalitet til de øverste etaper af lanceringskøretøjer og puste liv i genanvendelige transportsystemer. Med deres hjælp vil der blive plads til rådighed ikke kun for forskere og opfindere, men muligvis kun for rejsende.
