Gorivo sa štednjakom visoko je efikasno za raketne motore
Raketni i svemirski svijet na raskršću: globalni trendovi zahtijevaju manje troškove i veću ekološku sigurnost svemirskih usluga. Dizajneri moraju izumiti nove raketne motore na tekuće gorivo (LPRE) koji koriste ekološki prihvatljiva goriva, zamjenjujući skupi, visoko energetski intenzivan tekući vodik jeftinim ukapljenim prirodnim plinom (LNG) sa sadržajem metana od 90 do 98 posto. Ovo gorivo, zajedno s tekućim kisikom, omogućuje stvaranje novih visoko efikasnih i jeftinih motora uz maksimalnu upotrebu već postojećih elemenata dizajna, materijala, tehnoloških i proizvodnih zaostataka.
LNG nije otrovan, a pri sagorijevanju u kisiku nastaju vodena para i ugljični dioksid. Za razliku od petroleja, koji se široko koristi u raketnoj tehnici, prolijevanje LNG -a brzo isparava bez štete po okoliš.
Prvi testovi
Temperatura paljenja prirodnog plina sa zrakom i donja granica njegove eksplozivne koncentracije veće su od temperatura vodikovih i petrolejskih para, stoga je u području niskih koncentracija, u usporedbi s drugim ugljikovodičnim gorivima, manje eksplozivan.
Općenito, rad LNG -a kao raketnog goriva ne zahtijeva nikakve dodatne mjere za sprječavanje požara i eksplozije koje se ranije nisu koristile.
Gustoća LNG -a je šest puta veća od gustoće tekućeg vodika, ali je upola manja od gustoće kerozina. Manja gustoća dovodi do odgovarajućeg povećanja veličine spremnika za LNG u usporedbi s spremnikom za kerozin. Međutim, uzimajući u obzir veći oksidans i potrošnju goriva (to je otprilike 3,5 do 1 za tekući kisik (LC) + LNG gorivo i 2,7 do 1 za gorivo ZHK + petrolej), ukupna zapremina goriva ZhK + punjeni LNG se povećava samo za 20 posto. Uzimajući u obzir učinak kriogenog stvrdnjavanja materijala, kao i mogućnost kombiniranja dna spremnika za LC i LNG, ponderi spremnika za gorivo bit će relativno mali.
I na kraju, proizvodnja i transport LNG -a odavno su savladani.
Projektni biro za kemijsko inženjerstvo (KB Khimmash) nazvan po AM Isaevu u Korolevu, u Moskovskoj oblasti, započeo je rad (kako se pokazalo, koji se proteže godinama zbog vrlo oskudnog finansiranja) na razvoju ZhK + LNG goriva 1994., kada su projektno -dizajnerske studije i donesena odluka o stvaranju novog motora korištenjem shematske i strukturne osnove postojećeg kisikovodikovodičnog HPC1 s potiskom od 7,5 tf, uspješno djelovali kao dio gornje faze (kriogena gornja faza) 12KRB indijskog lansirnog vozila GSLV MkI (Geosinhrono satelitsko lansirno vozilo).
Godine 1996. provedena su ispitivanja autonomnog paljenja generatora plina koji koristi tekuće tekućine i prirodni plin kao komponente goriva, a koja su uglavnom bila usmjerena na provjeru načina pokretanja i stabilnog rada - 13 uključivanja potvrdilo je rad generatora plina i dalo rezultati koji su korišteni u razvoju generatora plina za oporabu koji rade na otvorenim i zatvorenim shemama.
U kolovozu-rujnu 1997. godine, Konstrukcijski biro Khimmash proveo je požarne testove upravljačke jedinice motora KVD1 (također koristeći prirodni plin umjesto vodika), u kojoj je komora uklonjena u dvije ravnine pod kutom od ± 39,5 stupnjeva kombinirana u pojedinačna konstrukcija (potisak - 200 kgf, pritisak u komori - 40 kg / cm2), ventili za pokretanje i zaustavljanje, pirotehnički sistem paljenja i električni pogoni - jedna standardna upravljačka jedinica KVD1 prošla je šest startova sa ukupnim vremenom rada većim od 450 sekundi i komorom pritisak u rasponu od 42–36 kg / cm2. Rezultati ispitivanja potvrdili su mogućnost stvaranja male komore koja koristi prirodni plin kao rashladno sredstvo.
U kolovozu 1997. KB Khimmash započeo je s ispaljivanjem motora zatvorenog kruga pune veličine s potiskom od 7,5 tf na gorivo ZHK + LNG. Osnova za proizvodnju bio je modificirani motor KVD1 zatvorenog kruga s naknadnim sagorijevanjem reducirajućeg plina generatora plina i hlađenjem komore s gorivom.
Standardna pumpa za oksidans KVD1 je izmijenjena: promjer rotora pumpe je povećan kako bi se osigurao potreban omjer glava oksidanta i pumpe za gorivo. Također je korigirano hidraulično podešavanje linija motora kako bi se osigurao izračunati omjer komponenti.
Korištenje prototipa motora, koji je prethodno prošao ciklus ispitivanja paljenja na LCD + gorivo s tekućim vodikom, osiguralo je maksimalno smanjenje troškova istraživanja.
Hladni testovi omogućili su razradu načina pripreme motora i postolja za vruće radove u smislu osiguravanja potrebnih parametara LNG -a u rezervoarima za hlađenje, hlađenja oksidanta i vodova za gorivo do temperatura koje garantuju pouzdan rad pumpi tokom period startovanja i stabilan i stabilan start motora.
Prvo požarno ispitivanje motora održano je 22. avgusta 1997. godine na štandu preduzeća, koje se danas naziva Naučno -ispitni centar raketne i svemirske industrije (SRC RCP). U praksi KB Khimmash, ovi su testovi bili prvo iskustvo korištenja LNG-a kao goriva za motor zatvorenog kruga pune veličine.
Cilj testa bio je postići uspješan rezultat zbog izvesnog smanjenja parametara i olakšavanja uslova rada motora.
Kontrola dostizanja moda i rada u načinu rada provedena je pomoću regulatora gasa, a omjer potrošnje komponenti goriva pomoću algoritama HPC1, uzimajući u obzir interakciju kontrolnih kanala.
Program prvog ispitivanja paljenja motora zatvorenog kruga dovršen je u cijelosti. Motor je radio određeno vrijeme, nije bilo komentara na stanje materijalnog dijela.
Rezultati ispitivanja potvrdili su temeljnu mogućnost korištenja LNG-a kao goriva u jedinicama motora s kisikom i vodikom.
Ima puno plina - nema koksa
Nakon toga, ispitivanja su nastavljena s ciljem dubljeg proučavanja procesa povezanih s upotrebom LNG-a, provjere rada motornih jedinica u širim uvjetima primjene i optimizacije projektnih rješenja.
Ukupno je od 1997. do 2005. godine provedeno pet testova paljenja dvije kopije motora KVD1, prilagođenih za upotrebu goriva ZhK + LNG, u trajanju od 17 do 60 sekundi, sadržaj metana u LNG -u - od 89,3 do 99,5 posto.
U cjelini, rezultati ovih ispitivanja omogućili su da se utvrde osnovni principi razvoja motora i njegovih jedinica pri korištenju goriva „ZhK + LNG“, te da se 2006. pređe na sljedeću fazu istraživanja koja uključuje razvoj, proizvodnju i testiranje motora C5.86. Komora za sagorijevanje, generator plina, agregat s turbopumpom i regulatori potonjeg su konstrukcijski i parametrijski izrađeni posebno za rad na gorivu ZhK + LNG.
Do 2009. godine provedena su dva požarna ispitivanja motora C5.86 u trajanju od 68 i 60 sekundi sa sadržajem metana u LNG -u od 97, 9 i 97, 7 posto.
Pozitivni rezultati su postignuti pri pokretanju i gašenju motora na tekuće gorivo, koji radi u stacionarnom režimu u smislu potiska i omjera komponenti goriva (u skladu s radnjama kontrole). No, jedan od glavnih zadataka - eksperimentalna provjera odsustva nakupljanja čvrste faze na putu hlađenja komore (koks) i na putu plina (čađi) s dovoljno dugim uključivanjem - nije se mogao izvesti zbog ograničene zapremine benzinskih spremnika za LNG (maksimalno trajanje uključivanja bilo je 68 sekundi). Stoga je 2010. godine donesena odluka o opremanju štanda za izvođenje ispitnih testova u trajanju od najmanje 1000 sekundi.
Kao novo radno mjesto, ispitni sto NRC RCP korišten je za ispitivanje raketnih motora na tekuće gorivo s kisikom i vodikom, koji ima kapacitete odgovarajuće zapremine. U pripremama za ispitivanje uzeto je u obzir značajno iskustvo stečeno ranije tokom sedam požarnih ispitivanja. U razdoblju od lipnja do rujna 2010. dorađeni su klupski sustavi tekućeg vodika za upotrebu LNG -a, na klupu je instaliran motor C5.86 broj 2, opsežna ispitivanja mjernih, kontrolnih, sistema zaštite od nužde i izvršena je regulacija omjera potrošnje goriva i pritiska u komori za sagorijevanje.
Rezervoari su se punili gorivom iz transportnog rezervoara tankera za punjenje (zapremina - 56,4 m3 sa punjenjem goriva od 16 tona) pomoću jedinice za punjenje LNG -om, uključujući izmjenjivač topline, filtere, zaporne ventile i mjerne instrumente. Nakon što je punjenje rezervoara završeno, vodovi za snabdijevanje motora dijelovima goriva su ohlađeni i napunjeni.
Motor se normalno pokrenuo i radio. Promjene u režimu dogodile su se u skladu sa uticajima sistema kontrole. Od 1100 sekundi temperatura plina iz generatora plina stalno se povećavala, zbog čega je donesena odluka o zaustavljanju motora. Gašenje je izvršeno na komandu u 1160 sekundi bez ikakvih primjedbi. Razlog porasta temperature bilo je curenje izlaznog razvodnika rashladne staze komore za izgaranje nastalo tijekom ispitivanja - pukotina u zavarenom šavu začepljene tehnološke mlaznice instalirane na razdjelniku.
Analiza rezultata provedenog požarnog testa omogućila je zaključak:
- u toku rada parametri motora bili su stabilni u režimima sa različitim kombinacijama odnosa potrošnje komponenata goriva (2,42 do 1 - 3,03 prema 1) i potiska (6311 - 7340 kgf);
-potvrđeno odsustvo čvrstih faznih formacija na putu gasa i odsustvo naslaga koksa u tečnom putu motora;
- prikupljeni su potrebni eksperimentalni podaci za usavršavanje proračunske metode hlađenja komore za izgaranje pri korištenju LNG -a kao hladnjaka;
- proučena je dinamika izlaska rashladnog kanala komore za izgaranje u stacionarni toplinski režim;
-potvrdili ispravnost tehničkih rješenja za osiguranje pokretanja, kontrole, regulacije i drugih stvari, uzimajući u obzir posebnosti LNG-a;
-razvijeni C5.86 s potiskom od 7,5 tf može se koristiti (sam ili u kombinaciji) kao pogonski motor u obećavajućim gornjim i gornjim stupnjevima lansirnih vozila;
- pozitivni rezultati testova paljenja potvrdili su izvodljivost daljnjih eksperimenata za stvaranje motora koji radi na gorivu ZhK + LNG.
Na sljedećem požarnom testu 2011. motor se dva puta palio. Prije prvog gašenja motor je radio 162 sekunde. Pri drugom pokretanju, provedenom radi potvrde odsustva stvaranja čvrste faze na putu plina i naslaga koksa na putu tekućine, postignuto je rekordno trajanje rada motora ove dimenzije s jednim pokretanjem - 2007 sekundi, kao i mogućnost potiskivanja potiska. Ispitivanje je prekinuto zbog iscrpljivanja komponenti goriva. Ukupno vrijeme rada ove instance motora bilo je 3389 sekundi (četiri starta). Izvršena detekcija grešaka potvrdila je odsustvo stvaranja čvrste faze i koksa na putanjama motora.
Skup teorijskih i eksperimentalnih radova sa C5.86 No. 2 potvrdio je:
- temeljna mogućnost stvaranja motora potrebne dimenzije na paru goriva komponenti "ZhK + LNG" s naknadnim sagorijevanjem reducirajućeg generatorskog plina, što osigurava održavanje stabilnih karakteristika i praktično odsustvo čvrste faze u putevi gasa i naslage koksa u putevima tečnosti motora;
-mogućnost višestrukog pokretanja i gašenja motora;
-mogućnost dugotrajnog rada motora;
-ispravnost usvojenih tehničkih rješenja kako bi se osiguralo višestruko pokretanje, kontrola, regulacija, uzimajući u obzir karakteristike LNG-a i zaštitu u hitnim slučajevima;
-Sposobnosti NIC RCP-a predstavljaju dugoročna ispitivanja.
Također, u suradnji s NRC RCP, razvijena je tehnologija za transport, punjenje gorivom i termostatiranje velikih masa LNG -a i razvijena tehnološka rješenja koja su praktično primjenjiva u postupku punjenja gorivom letnih proizvoda.
LNG - put do letova za višekratnu upotrebu
Zbog činjenice da komponente i sklopovi demonstratorskog motora C5.86 br. 2 zbog ograničenih sredstava nisu optimizirani u odgovarajućoj mjeri, nije bilo moguće u potpunosti riješiti niz problema, uključujući:
pojašnjenje termofizičkih svojstava LNG -a kao rashladnog sredstva;
pribavljanje dodatnih podataka za provjeru konvergencije karakteristika glavnih jedinica pri simulaciji na vodi i radu na LNG;
eksperimentalna provjera mogućeg utjecaja sastava prirodnog plina na karakteristike glavnih jedinica, uključujući puteve hlađenja komore za izgaranje i generatora plina;
određivanje karakteristika raketnih motora na tekuće gorivo u širem rasponu promjena načina rada i osnovnih parametara sa jednim ili više pokretanja;
optimizacija dinamičkih procesa pri pokretanju.
Kako bi riješio ove probleme, KB Khimmash je proizveo nadograđeni motor C5.86A br. 2A, čija je turbo pumpa po prvi put opremljena startnom turbinom, nadograđenom glavnom turbinom i pumpom za gorivo. Hladni put komore za izgaranje je moderniziran, a igla za gas u omjeru goriva je redizajnirana.
13. septembra 2013. godine izvršeno je požarno ispitivanje motora (sadržaj metana u LNG - 94,6%). Testni program predviđao je tri prekidača ukupnog trajanja 1500 sekundi (1300 + 100 + 100). Pokretanje i rad motora u načinu rada odvijali su se normalno, ali u 532 sekunde sistem za zaštitu od nužde generirao je naredbu za isključivanje u slučaju nužde. Uzrok nesreće bio je ulazak stranih metalnih čestica u putanju pumpe oksidanta.
Unatoč nesreći, C5.86A br. 2A radio je prilično dugo. Po prvi put je pokrenut motor namijenjen za upotrebu u sklopu raketnog stepena, koji zahtijeva više pokretanja, prema implementiranoj shemi pomoću ugrađenog akumulatora pritiska koji se može puniti. Dobiven je stabilan način rada za dati način potiska i maksimum prethodno ostvarenog omjera potrošnje komponenti goriva. Utvrđene su moguće rezerve za povećanje potiska i povećanje omjera potrošnje komponenti goriva.
Sada KB Khimmash završava proizvodnju nove kopije C5.86 za testiranje maksimalno mogućeg resursa u smislu vremena rada i broja pokretanja. To bi trebao postati prototip pravog motora na gorivu ZhK + LNG, koji će dati novu kvalitetu gornjim fazama lansirnih vozila i udahnuti život transportnim sistemima za višekratnu upotrebu. Uz njihovu pomoć, prostor će postati dostupan ne samo za istraživače i izumitelje, već, možda, samo za putnike.
