Lieden polttoaine on erittäin tehokas rakettimoottoreissa
Raketti- ja avaruusmaailma risteyksessä: maailmanlaajuiset trendit edellyttävät avaruuspalvelujen kustannusten alentamista ja ympäristöturvallisuuden parantamista. Suunnittelijoiden on keksittävä uusia nestemäisiä polttoaineita käyttäviä rakettimoottoreita (LPRE), jotka käyttävät ympäristöystävällisiä polttoaineita korvaamalla kallis, erittäin energiaintensiivinen nestemäinen vety halvalla nesteytetyllä maakaasulla (LNG), jonka metaanipitoisuus on 90–98 prosenttia. Tämä polttoaine yhdessä nestemäisen hapen kanssa mahdollistaa uusien erittäin tehokkaiden ja edullisten moottoreiden luomisen hyödyntäen mahdollisimman paljon jo olemassa olevia suunnittelu-, materiaali-, teknologia- ja tuotantokustannuksia.
Nesteytetty maakaasu on myrkytön, ja poltettaessa hapessa muodostuu vesihöyryä ja hiilidioksidia. Toisin kuin petroli, jota käytetään laajalti raketteissa, nesteytetyn maakaasun vuodot haihtuvat nopeasti vahingoittamatta ympäristöä.
Ensimmäiset testit
Maakaasun syttymislämpötila ilman kanssa ja sen räjähtävän pitoisuuden alaraja ovat korkeammat kuin vety- ja kerosiinihöyryjen lämpötilat; siksi se on matalampien pitoisuuksien alueella verrattuna muihin hiilivetypolttoaineisiin vähemmän räjähtävä.
Yleensä LNG: n toiminta rakettien polttoaineena ei vaadi muita palo- ja räjähdyssuojatoimenpiteitä, joita ei ole aiemmin käytetty.
LNG: n tiheys on kuusi kertaa nestemäisen vedyn tiheys, mutta puolet kerosiinin tiheydestä. Pienempi tiheys johtaa vastaavasti LNG -säiliön koon kasvuun kerosiinisäiliöön verrattuna. Ottaen kuitenkin huomioon hapettimen ja polttoaineen kulutuksen suuremman suhteen (se on noin 3,5: 1 nestemäiselle hapelle (LC) + LNG -polttoaineelle ja 2,7 - 1 ZhK + kerosiinipolttoaineelle), ZhK + -polttoaineen kokonaistilavuus tankattu LNG kasvaa vain 20 prosenttia. Kun otetaan huomioon materiaalin kryogeenisen kovettumisen vaikutus sekä mahdollisuus yhdistää LC- ja LNG -säiliöiden pohjat, polttoainesäiliöiden paino on suhteellisen pieni.
Ja lopuksi, LNG: n tuotanto ja kuljetus on hallittu pitkään.
Kemiantekniikan suunnittelutoimisto (KB Khimmash), joka nimettiin AM Isaevin mukaan Korolevissa, Moskovan alueella, aloitti ZhK + LNG -polttoaineen kehittämisen vuonna 1994 (kuten kävi ilmi, että se jatkui vuosia erittäin niukan rahoituksen vuoksi)., kun suunnittelu - suunnittelututkimukset ja päätös luoda uusi moottori, joka käytti nykyisen happi -vety -HPC1: n kaaviomaista ja rakenteellista perustaa 7,5 tf: n työntövoimalla, toimi menestyksekkäästi osana ylempää vaihetta (Cryogenic Upper Stage) 12KRB intialaista kantorakettia GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
Vuonna 1996 suoritettiin nestemäistä nestettä ja maakaasua polttoaineosina käyttävän kaasugeneraattorin itsenäiset polttotestit, joiden pääasiallisena tarkoituksena oli tarkistaa käynnistys ja vakaa toimintatila - 13 sulkeumaa vahvisti kaasugeneraattorin toimivuuden ja antoi tuloksia, joita käytettiin avoimessa ja suljetussa järjestelmässä toimivien talteenottokaasugeneraattoreiden kehittämisessä.
Elokuu-syyskuu 1997 Khimmash Design Bureau suoritti KVD1-moottorin ohjausyksikön palokokeita (joissa käytettiin myös maakaasua vedyn sijasta), jossa kammio, joka oli taipunut kahteen tasoon ± 39,5 asteen kulmassa, yhdistettiin yksi rakenne (työntövoima - 200 kgf, kammion paine - 40 kg / cm2), käynnistys- ja sulkuventtiilit, pyrotekninen sytytysjärjestelmä ja sähkökäytöt - yksi vakio -KVD1 -ohjausyksikkö läpäisi kuusi käynnistystä, joiden kokonaiskäyttöaika on yli 450 sekuntia paine 42–36 kg / cm2. Testitulokset vahvistivat mahdollisuuden luoda pieni kammio, jossa käytetään maakaasua jäähdytysaineena.
Elokuussa 1997 KB Khimmash alkoi testata täysikokoista suljetun piirin moottoria, jonka työntövoima oli 7,5 tf ZhK + LNG -polttoaineelle. Valmistuksen perusta oli suljetun piirin modifioitu KVD1 -moottori, jossa oli pelkistävän kaasun generaattorikaasun jälkipoltto ja kammion jäähdytys polttoaineella.
Vakiopohjaista hapetinpumppua KVD1 muutettiin: pumpun siipipyörän halkaisijaa lisättiin, jotta varmistetaan hapetin- ja polttoainepumpun päiden tarvittava suhde. Myös moottorilinjojen hydraulista viritystä korjattiin komponenttien lasketun suhteen varmistamiseksi.
Prototyyppimoottorin käyttö, joka oli aiemmin läpäissyt LCD + nestemäisen vetypolttoaineen polttotestien kierroksen, vähensi tutkimuskustannuksia mahdollisimman paljon.
Kylmäkokeet mahdollistivat moottorin ja telineen valmistelumenetelmän kehittämisen tulityöhön siten, että varmistettiin vaaditut nesteytetyn maakaasun parametrit penkkisäiliöissä, jäähdytettiin hapetin ja polttoaineletkut lämpötilaan, joka takaa pumppujen luotettavan toiminnan käynnistysjakso ja vakaa ja vakaa moottorin käynnistys.
Moottorin ensimmäinen palotesti tehtiin 22. elokuuta 1997 yrityksen osastolla, jota nykyään kutsutaan raketti- ja avaruusteollisuuden tieteelliseksi testikeskukseksi (SRC RCP). KB Khimmashin käytännössä nämä testit olivat ensimmäinen kokemus LNG: n käyttämisestä täysikokoisen suljetun moottorin polttoaineena.
Testin tavoitteena oli saavuttaa onnistunut tulos parametrien pienenemisen ja moottorin käyttöolosuhteiden helpottamisen vuoksi.
Tilan saavuttamisen ja toimintatilan hallinta hallittiin käyttämällä kaasuvipupainikkeita ja polttoaineosien kulutuksen suhdetta käyttämällä HPC1 -algoritmeja, ottaen huomioon ohjauskanavien vuorovaikutus.
Suljetun piirin moottorin ensimmäisen polttotestin ohjelma saatiin loppuun. Moottori toimi tietyn ajan, materiaaliosan kunnosta ei ollut huomautuksia.
Testitulokset vahvistivat perustavanlaatuisen mahdollisuuden käyttää LNG: tä polttoaineena happi-vety-moottorin yksiköissä.
Kaasua on paljon - ei koksia
Myöhemmin kokeita jatkettiin, jotta voitaisiin tutkia perusteellisemmin nesteytetyn maakaasun käyttöön liittyviä prosesseja, tarkistaa moottoriyksiköiden toiminta laajemmissa käyttöolosuhteissa ja optimoida suunnitteluratkaisuja.
Vuosina 1997–2005 tehtiin viisi ZDK + LNG -polttoaineen käyttöä varten mukautetun KVD1 -moottorin kahden kopion polttotestiä, jotka kestivät 17–60 sekuntia, LNG: n metaanipitoisuus - 89,3–99,5 prosenttia..
Kaiken kaikkiaan näiden testien tulokset mahdollistivat moottorin ja sen yksiköiden kehittämisen perusperiaatteiden määrittämisen käytettäessä ZhK + LNG -polttoainetta ja jatkoivat vuonna 2006 seuraavaan tutkimusvaiheeseen, johon kuuluu kehittäminen, valmistus ja C5.86 -moottorin testaus. Polttokammio, kaasugeneraattori, turbopumppuyksikkö ja jälkimmäisten säätimet on rakenteellisesti ja parametrisesti tehty erityisesti ZhK + LNG -polttoaineelle.
Vuoteen 2009 mennessä suoritettiin kaksi C5.86 -moottorin palotestiä, joiden kesto oli 68 ja 60 sekuntia ja joiden metaanipitoisuus nesteytetyssä maakaasussa oli 97, 9 ja 97, 7 prosenttia.
Positiivisia tuloksia saatiin käynnistettäessä ja pysäytettäessä nestemäistä polttoainetta käyttävä moottori, joka toimi vakaassa tilassa työntövoiman ja polttoaineosien suhteen suhteen (valvontatoimien mukaisesti). Mutta yksi tärkeimmistä tehtävistä - kokeellinen varmennus siitä, ettei kiinteän faasin kertymistä ole kammion (koksin) jäähdytysreitillä ja kaasupolulla (noki) riittävän pitkillä käynnistyksillä - ei voitu suorittaa rajallisen tilavuuden vuoksi LNG-säiliöistä (enimmäiskytkentäaika oli 68 sekuntia). Siksi vuonna 2010 päätettiin varustaa teline ampumakokeiden suorittamiseen vähintään 1000 sekunnin ajan.
Uutena työpaikkana NRC RCP -testipenkkiä käytettiin happi-vety-nestepolttoaine-rakettimoottorien testaamiseen, jonka kapasiteetti on vastaava. Testiä valmisteltaessa otettiin huomioon aikaisempi kokemus seitsemän palokokeen aikana. Kesäkuusta syyskuuhun 2010 nestemäisen vedyn penkkijärjestelmiä jalostettiin LNG: n käyttöä varten, C5.86 -moottori nro 2 asennettiin penkille, mittaus-, ohjaus-, hätäsuojajärjestelmien ja polttoaineen kulutuksen ja paineen suhdetta polttokammiossa säädettiin.
Polttoainesäiliöt täytettiin polttoaineella tankkaussäiliön kuljetussäiliöstä (tilavuus - 56,4 m3, kun tankkaus oli 16 tonnia) käyttäen LNG -tankkausyksikköä, mukaan lukien lämmönvaihdin, suodattimet, sulkuventtiilit ja mittauslaitteet. Kun säiliöt on täytetty, polttoaineosien syöttölaite moottoriin jäähdytettiin ja täytettiin.
Moottori käynnistyi ja kävi normaalisti. Järjestelmän muutokset tapahtuivat valvontajärjestelmän vaikutusten mukaisesti. 1100 sekunnista lähtien kaasugeneraattorikaasun lämpötila nousi jatkuvasti, minkä seurauksena päätettiin pysäyttää moottori. Sammutus tapahtui käskystä 1160 sekunnissa ilman huomautuksia. Syy lämpötilan nousuun oli palotilan jäähdytyspolun poistosarjan vuoto, joka ilmeni testin aikana - halkeama jakotukkiin asennetun tukkeutuneen prosessisuuttimen hitsaussaumassa.
Suoritetun palotestin tulosten analyysi mahdollisti seuraavan johtopäätöksen:
- käyttöprosessin aikana moottorin parametrit olivat vakaita tiloissa, joissa polttoaineosien (2,42 - 1 - 3,03 - 1) ja työntövoiman (6311 - 7340 kgf) suhteen yhdistelmillä oli erilaisia yhdistelmiä;
-vahvisti, että kaasutiellä ei ole kiinteitä faasimuodostelmia ja että koksi ei ole kertynyt moottorin nesteeseen;
- saatiin tarvittavat kokeelliset tiedot polttokammion jäähdytyksen laskentamenetelmän tarkentamiseksi käytettäessä LNG: tä jäähdyttimenä;
- polttokammion jäähdytyskanavan poistumisen dynamiikkaa vakaan tilan lämpötilaan on tutkittu;
-vahvisti teknisten ratkaisujen oikeellisuuden käynnistämisen, valvonnan, sääntelyn ja muiden asioiden varmistamiseksi ottaen huomioon nesteytetyn maakaasun erityispiirteet;
-kehitettyä C5.86 -moottoria, jonka työntövoima on 7,5 tf, voidaan käyttää (yksin tai yhdistelmänä) käyttömoottorina lupaavissa kantorakettien ylä- ja ylävaiheissa;
- polttotestien positiiviset tulokset vahvistivat, että ZhK + LNG -polttoaineella toimivan moottorin luominen on mahdollista jatkaa.
Seuraavassa palokokeessa vuonna 2011 moottori käynnistettiin kahdesti. Ennen ensimmäistä sammutusta moottori kävi 162 sekuntia. Toisella käynnistyksellä, joka varmistettiin kiinteän faasin muodostuksen puuttumisesta kaasutiellä ja koksikertymiä nestepolulla, saavutettiin ennätyksellinen tämän mittaisen moottorin käyttöaika yhdellä käynnistyksellä - 2007 sekuntia, sekä työntövoiman kuristamisen mahdollisuus vahvistettiin. Testi keskeytettiin polttoaineosien loppumisen vuoksi. Tämän moottorikohteen kokonaiskäyttöaika oli 3389 sekuntia (neljä käynnistystä). Suoritetut vianilmaisu vahvisti kiinteän faasin ja koksin muodostumisen puuttumisen moottorin reiteillä.
Joukko teoreettisia ja kokeellisia töitä C5.86 nro 2 kanssa vahvisti:
- perusmahdollisuus luoda tarvittavan kokoinen moottori komponenttien "ZhK + LNG" polttoaineparille pelkistävän generaattorikaasun jälkipoltolla, mikä takaa vakaiden ominaisuuksien säilymisen ja kiinteän faasin käytännöllisen puuttumisen kaasureitit ja koksikerrostumat moottorin nesteillä;
-mahdollisuus käynnistää ja pysäyttää moottori useita kertoja;
-mahdollisuus moottorin pitkäaikaiseen käyttöön;
-hyväksyttyjen teknisten ratkaisujen oikeellisuus moninkertaisen käynnistyksen, ohjauksen ja sääntelyn varmistamiseksi ottaen huomioon nesteytetyn maakaasun ja hätäsuojauksen ominaisuudet;
-NIC RCP: n valmiudet pitkäaikaisiin testeihin.
Lisäksi yhteistyössä NRC RCP: n kanssa on kehitetty suurten LNG -massojen kuljetus-, tankkaus- ja termostaattitekniikka ja kehitetty teknologisia ratkaisuja, joita voidaan käytännössä soveltaa lentotuotteiden tankkausmenettelyyn.
LNG - polku uudelleenkäytettäville lennoille
Koska demonstraattorimoottorin C5.86 nro 2 komponentteja ja kokoonpanoja ei rahoitettu riittävästi, koska niitä ei ole optimoitu asianmukaisessa laajuudessa, useita ongelmia ei ollut mahdollista ratkaista kokonaan, mukaan lukien:
nesteytetyn maakaasun lämpöfysikaalisten ominaisuuksien selventäminen jäähdytysaineena;
lisätietojen hankkiminen pääyksiköiden ominaisuuksien lähentymisen tarkistamiseksi, kun simuloidaan vedellä ja käytetään nesteytettyä maakaasua;
kokeellinen todentaminen maakaasun koostumuksen mahdollisesta vaikutuksesta pääyksiköiden ominaisuuksiin, mukaan lukien polttokammion ja kaasugeneraattorin jäähdytysreitit;
nestemäistä polttoainetta käyttävien rakettimoottoreiden ominaisuuksien määrittäminen laajemmalla vaihtelulla toimintatiloja ja perusparametreja sekä yksittäisellä että usealla käynnistyksellä;
dynaamisten prosessien optimointi käynnistyksen yhteydessä.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi KB Khimmash valmisti päivitetyn C5.86A nro 2A -moottorin, jonka turbopumppuyksikkö oli ensimmäistä kertaa varustettu käynnistysturbiinilla, päivitetyllä pääturbiinilla ja polttoainepumpulla. Polttokammion jäähdytysreitti on modernisoitu ja polttoainesuhteen kaasuvipu on suunniteltu uudelleen.
Moottorin palotesti suoritettiin 13. syyskuuta 2013 (metaanipitoisuus nesteytetyssä maakaasussa - 94,6%). Testiohjelma sisälsi kolme kytkintä, joiden kokonaiskesto oli 1500 sekuntia (1300 + 100 + 100). Moottorin käynnistys ja käyttö tilassa sujuivat normaalisti, mutta 532 sekunnissa hätäsuojajärjestelmä antoi hätäpysäytyskomennon. Onnettomuuden syy oli vieraan metallihiukkasen tunkeutuminen hapetinpumpun virtausreittiin.
Onnettomuudesta huolimatta C5.86A nro 2A toimi melko pitkään. Ensimmäistä kertaa lanseerattiin moottori, joka oli tarkoitettu käytettäväksi osana rakettivaihetta, joka vaatii useita käynnistyksiä, toteutetun järjestelmän mukaisesti käyttäen sisäänrakennettua ladattavaa paineakkua. Vakaa toimintatapa saatiin tietylle työntömoodille ja polttoainekomponenttien kulutusosuuden enimmäismäärälle. Mahdolliset varannot työntövoiman lisäämiseksi ja polttoaineosien kulutuksen suhteen lisäämiseksi on määritetty.
Nyt KB Khimmash valmistelee uuden C5.86 -kopion valmistusta testatakseen mahdollisimman suuren resurssin käyttöajan ja käynnistysten määrän osalta. Siitä pitäisi tulla ZhK + LNG -polttoaineen todellisen moottorin prototyyppi, joka antaa uuden laadun kantorakettien ylemmille vaiheille ja hengittää uudelleenkäytettäviä kuljetusjärjestelmiä. Heidän avullaan tilaa tulee saataville paitsi tutkijoille ja keksijöille myös mahdollisesti vain matkailijoille.
