Stoofbrandstof is hoogs doeltreffend vir vuurpylenjins
Vuurpyl en ruimtewêreld op 'n kruispad: wêreldwye neigings vereis laer koste en verhoogde omgewingsveiligheid van ruimtetdienste. Ontwerpers moet nuwe raketmotors met vloeibare dryf (LPRE) uitvind wat omgewingsvriendelike brandstowwe gebruik, en duur, hoogs energie-intensiewe vloeibare waterstof vervang met goedkoop vloeibare aardgas (LNG) met 'n metaaninhoud van 90–98 persent. Hierdie brandstof, tesame met vloeibare suurstof, maak dit moontlik om nuwe hoogs doeltreffende en goedkoop enjins te skep met die maksimum gebruik van reeds bestaande elemente van ontwerp, materiaal, tegnologiese en produksie -agterstand.
LNG is nie-giftig, en as dit in suurstof verbrand word, vorm waterdamp en koolstofdioksied. Anders as petroleum, wat wyd in vuurpyle gebruik word, verdamp LNG -storting vinnig sonder om die omgewing te benadeel.
Eerste toetse
Die ontstekingstemperatuur van aardgas met lug en die onderste grens van die plofbare konsentrasie daarvan is hoër as die van waterstof- en keroseendampe; daarom is dit in die omgewing van lae konsentrasies minder plofbaar in vergelyking met ander koolwaterstofbrandstowwe.
Oor die algemeen benodig die werking van LNG as vuurpylbrandstof geen addisionele brand- en ontploffingsmaatreëls wat nog nie voorheen gebruik is nie.
Die digtheid van LNG is ses keer dié van vloeibare waterstof, maar die helfte van die van keroseen. Die laer digtheid lei tot 'n ooreenstemmende toename in die grootte van die LNG -tenk in vergelyking met die petroleum tenk. Met inagneming van die hoër verhouding van oksideermiddel en brandstofverbruik (dit is ongeveer 3,5 tot 1 vir die vloeibare suurstof (LC) + LNG -brandstof en 2,7 tot 1 vir die ZhK + petroleumbrandstof), is die totale volume van die ZhK + -brandstof gevulde LNG styg slegs met 20 persent. Met inagneming van die effek van die kriogenerige verharding van die materiaal, sowel as die moontlikheid om die bodem van LC- en LNG -tenks te kombineer, sal die gewig van die brandstoftenks relatief klein wees.
En uiteindelik is die produksie en vervoer van LNG lank bemeester.
Die Ontwerpburo vir Chemiese Ingenieurswese (KB Khimmash) vernoem na AM Isaev in Korolev, Moskou -streek, het in 1994 begin werk (soos dit jare lank gestrek het weens baie skraal finansiering) aan die ontwikkeling van ZhK + LNG -brandstof in 1994 toe die ontwerpontwerpstudies en 'n besluit geneem is om 'n nuwe enjin te skep met behulp van die skematiese en strukturele basis van die bestaande suurstof -waterstof HPC1 met 'n stukrag van 7,5 tf, suksesvol bedryf as deel van die boonste fase (Cryogenic Upper Stage) 12KRB van die Indiese lanseringsvoertuig GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
In 1996 is outonome vuurtoetse uitgevoer van 'n gasgenerator wat vloeibare vloeistof en aardgas as brandstofkomponente gebruik, wat hoofsaaklik daarop gemik was om die opstart- en stabiele werkingsmetodes na te gaan - 13 insluitings bevestig die werking van die gasgenerator en gee die resultate wat gebruik is vir die ontwikkeling van gasgasopwekkers wat op oop en geslote skemas werk.
In Augustus-September 1997 het die Khimmash Design Bureau vuurtoetse uitgevoer van die stuureenheid van die KVD1-enjin (ook met aardgas in plaas van waterstof), waarin 'n kamer wat in twee vliegtuie met 'n hoek van ± 39,5 grade afgebuig is, in 'n enkelstruktuur (stoot - 200 kgf, kamerdruk - 40 kg / cm2), begin- en stopkleppe, pirotegniese ontstekingstelsel en elektriese aandrywings - een standaard KVD1 -stuureenheid het ses begin, met 'n totale werktyd van meer as 450 sekondes en 'n kamer druk tussen 42 en 36 kg / cm2. Die toetsuitslae bevestig die moontlikheid om 'n klein kamer met aardgas as koelmiddel te skep.
In Augustus 1997 begin KB Khimmash toetse met 'n volgrootte enjin met 'n geslote kring met 'n stoot van 7,5 tf op ZhK + LNG-brandstof. Die basis vir die vervaardiging was 'n aangepaste KVD1 -enjin van 'n geslote stroombaan met naverbranding van die gas wat die gas opwek en die kamer met brandstof afkoel.
Die standaard oksideerpomp KVD1 is aangepas: die deursnee van die pompwaaier is vergroot om die vereiste verhouding van die oksideermiddel en brandstofpompkoppe te verseker. Die hidrouliese afstelling van die enjinlyne is ook reggestel om die berekende verhouding van komponente te verseker.
Die gebruik van die prototipe -enjin, wat voorheen die siklus van afvuurtoetse op LCD + vloeibare waterstofbrandstof geslaag het, het die maksimum vermindering in navorsingskoste moontlik gemaak.
Koue toetse het dit moontlik gemaak om die enjin en die staander vir warm werk voor te berei om die vereiste parameters van LNG in banktenks te verseker, die oksideermiddel en brandstoflyne af te koel tot temperature wat 'n betroubare werking van die pompe verseker tydens die aanvangsperiode en stabiele en stabiele enjinstart.
Die eerste vuurtoets van die enjin het op 22 Augustus 1997 op die stand van die onderneming, wat vandag die Wetenskaplike Toetssentrum van die Vuurpyl- en Ruimtebedryf (SRC RCP) genoem word, plaasgevind. In die praktyk van KB Khimmash was hierdie toetse die eerste ervaring met die gebruik van LNG as brandstof vir 'n volgrootte enjin met 'n geslote kring.
Die doel van die toets was om 'n suksesvolle resultaat te behaal as gevolg van 'n vermindering in parameters en die vergemakliking van die enjin se werkingstoestande.
Die beheer van die bereiking van die modus en die werking van die modus is uitgevoer met behulp van gaskontrole -beheerders en die verhouding tussen die verbruik van brandstofkomponente met behulp van die HPC1 -algoritmes, met inagneming van die interaksie van beheerkanale.
Die program vir die eerste vuurtoets van die geslote kring -enjin is volledig voltooi. Die enjin het 'n bepaalde tyd gery, daar was geen kommentaar op die toestand van die materiaal nie.
Die toetsuitslae bevestig die fundamentele moontlikheid om LNG as brandstof in die eenhede van 'n suurstof-waterstofenjin te gebruik.
Daar is baie gas - geen coke nie
Daarna is die toetse voortgesit met die oog op 'n meer diepgaande studie van die prosesse wat verband hou met die gebruik van LNG, die werking van enjin-eenhede in wyer toepassingsomstandighede nagaan en ontwerpoplossings optimaliseer.
In totaal, van 1997 tot 2005, het vyf vuurtoetse van twee eksemplare van die KVD1 -enjin, aangepas vir die gebruik van ZhK + LNG -brandstof, van 17 tot 60 sekondes plaasgevind, die metaaninhoud in LNG - van 89,3 tot 99,5 persent, plaasgevind.
In geheel het die resultate van hierdie toetse dit moontlik gemaak om die basiese beginsels van die ontwikkeling van die enjin en sy eenhede by die gebruik van "ZhK + LNG" -brandstof te bepaal en in 2006 voort te gaan met die volgende fase van navorsing rakende die ontwikkeling, vervaardiging en toetsing van die C5.86 -enjin. Die verbrandingskamer, gasgenerator, turbopomp -eenheid en reguleerders van laasgenoemde is struktureel en parametries spesifiek gemaak vir werking op ZhK + LNG -brandstof.
Teen 2009 is twee brandtoetse van die C5.86 -enjins met 'n duur van 68 en 60 sekondes uitgevoer met 'n metaaninhoud in LNG van 97, 9 en 97, 7 persent.
Positiewe resultate is behaal by die aan- en afskakeling van die enjin met vloeibare dryfmiddel, wat in bestendige toestande werk in terme van stootkrag en die verhouding van brandstofkomponente (in ooreenstemming met die beheermaatreëls). Maar een van die hooftake - die eksperimentele verifikasie van die afwesigheid van vaste fase -opeenhoping in die koelbaan van die kamer (coke) en in die gaspad (roet) met voldoende lang draaie - kon weens die beperkte volume nie uitgevoer word nie van bank LNG tenks (die maksimum aanskakelduur was 68 sekondes). Daarom is daar in 2010 'n besluit geneem om die staander toe te rus om vuurtoetse met 'n tydsduur van minstens 1000 sekondes uit te voer.
As 'n nuwe werkplek is die NRC RCP-toetsbank gebruik vir die toets van suurstof-waterstof-vloeistofdryfraketmotors, wat die ooreenstemmende volume het. Ter voorbereiding vir die toets is die beduidende ervaring wat vroeër tydens die sewe brandtoetse opgedoen is, in ag geneem. In die periode van Junie tot September 2010 is die bankstelsels vloeibare waterstof verfyn vir die gebruik van LNG, die C5.86 -enjin nr. 2 is op die bank geïnstalleer, uitgebreide toetse van die metings-, beheer-, noodbeskermingstelsels en die verhouding tussen brandstofverbruik en druk in die verbrandingskamer is uitgevoer.
Die banktenks is gevul met brandstof uit die vervoertenk van die brandstoftenkwa (volume - 56,4 m3 met 'n hervulling van 16 ton) met behulp van 'n LNG -brandstof -eenheid, insluitend 'n hitteruiler, filters, afsluitkleppe en meetinstrumente. Nadat die tenks vol was, is die banklyne vir die toevoer van brandstofkomponente aan die enjin afgekoel en gevul.
Die enjin begin en loop normaal. Die veranderinge in die regime het plaasgevind in ooreenstemming met die invloede van die beheerstelsel. Vanaf 1100 sekondes het die temperatuur van die gasgenerator gas voortdurend gestyg, gevolglik is besluit om die enjin te stop. Die stilstand het op 1160 sekondes op bevel plaasgevind sonder enige opmerkings. Die rede vir die styging in temperatuur was die lekkasie van die uitlaatspruitstuk van die verkooppad van die verbrandingskamer wat tydens die toets ontstaan het - 'n skeur in die lasnaad van die ingepakte prosesmondstuk wat op die spruitstuk geïnstalleer is.
Die ontleding van die resultate van die uitgevoerde brandtoets het die gevolgtrekking gemaak:
- in die proses was die enjinparameters stabiel in modusse met verskillende kombinasies van die verhouding tussen die verbruik van brandstofkomponente (2,42 tot 1 - 3,03 tot 1) en stootkrag (6311 - 7340 kgf);
-bevestig die afwesigheid van vaste fase formasies in die gasbaan en die afwesigheid van kooksafsettings in die vloeistofbaan van die enjin;
- die nodige eksperimentele data verkry is om die berekeningsmetode vir die afkoeling van die verbrandingskamer te verfyn wanneer LNG as koeler gebruik word;
- die dinamika van die uitgang van die verkoelingskanaal van die verbrandingskamer na die bestendige termiese regime bestudeer is;
-bevestiging van die korrektheid van tegniese oplossings om die aanvang, beheer, regulering en ander dinge te verseker, met inagneming van die eienaardighede van LNG;
-ontwikkelde C5.86 met 'n stukrag van 7.5 tf kan (alleen of in kombinasie) as 'n aandrywingsmotor gebruik word in belowende boonste en boonste trappe van lanseervoertuie;
- die positiewe resultate van afvuurtoetse bevestig die moontlikheid van verdere eksperimente om 'n enjin te maak wat op ZhK + LNG -brandstof werk.
By die volgende brandtoets in 2011 is die enjin twee keer aangeskakel. Voor die eerste stilstand loop die enjin 162 sekondes. By die tweede aanvang, uitgevoer om die afwesigheid van vaste fase -vorming in die gasbaan en koksafsettings in die vloeistofbaan te bevestig, is 'n rekordduur van 'n enjin van hierdie dimensie met 'n enkele aanvang - 2007 sekondes behaal, sowel as die moontlikheid van stuwing van die druk is bevestig. Die toets is gestaak weens die uitputting van brandstofkomponente. Die totale werktyd van hierdie enjin was 3389 sekondes (vier aanvangs). Die uitgevoerde foutopsporing bevestig die afwesigheid van vaste fase en koksvorming in die enjinpaaie.
'N Stel teoretiese en eksperimentele werk met C5.86 No. 2 bevestig:
- die fundamentele moontlikheid om 'n enjin met die vereiste afmeting op die brandstofpaar van die komponente "ZhK + LNG" te skep met die naverbranding van die gas wat die reduktor genereer, wat die handhawing van stabiele eienskappe en die praktiese afwesigheid van 'n vaste fase in die gaspaaie en kooksafsettings in die vloeistofbane van die enjin;
-die moontlikheid om die enjin verskeie kere te begin en te stop;
-die moontlikheid van langdurige werking van die enjin;
-die korrektheid van die goedgekeurde tegniese oplossings om meervoudige aanvang, beheer, regulering te verseker, met inagneming van die funksies van LNG en noodbeskerming;
-Die vermoëns van die NIC RCP staan vir langtermyntoetse.
Ook, in samewerking met NRC RCP, is 'n tegnologie vir vervoer, hervulling en termostering van groot hoeveelhede LNG ontwikkel en tegnologiese oplossings is ontwikkel wat prakties van toepassing is op die prosedure vir die brandstofaanvulling van vlugprodukte.
LNG - die pad na herbruikbare vlugte
Omdat die komponente en samestellings van die demonstrasiemotor C5.86 nr. 2 weens beperkte finansiering nie behoorlik geoptimaliseer is nie, was dit nie moontlik om 'n aantal probleme volledig op te los nie, insluitend:
verduideliking van die termofisiese eienskappe van LNG as koelmiddel;
die verkryging van bykomende data om die konvergensie van die eienskappe van die hoofeenhede by die simulasie op water en op LNG na te gaan;
eksperimentele verifikasie van die moontlike invloed van die samestelling van aardgas op die eienskappe van die hoofeenhede, insluitend die afkoelbane van die verbrandingskamer en gasgenerator;
bepaling van die eienskappe van vuurpyl-enjins in vloeibare dryf in 'n wyer reeks veranderings in werkingsmetodes en basiese parameters, beide met enkele en meervoudige aanvang;
optimalisering van dinamiese prosesse by aanvang.
Om hierdie probleme op te los, vervaardig KB Khimmash 'n opgegradeerde C5.86A nr. 2A -enjin waarvan die turbopompeenheid vir die eerste keer toegerus was met 'n aanvangsturbine, 'n opgegradeerde hoofturbine en 'n brandstofpomp. Die verkooppad van die verbrandingskamer is gemoderniseer en die smoornaald van die brandstofverhouding is herontwerp.
'N Brandtoets van die enjin is op 13 September 2013 uitgevoer (metaaninhoud in LNG - 94,6%). Die toetsprogram het voorsiening gemaak vir drie skakelaars met 'n totale duur van 1500 sekondes (1300 + 100 + 100). Die begin en werking van die enjin in die modus het normaalweg verloop, maar na 532 sekondes het die noodbeskermingstelsel 'n noodopdrag gegee. Die oorsaak van die ongeluk was die binnedring van 'n vreemde metaaldeeltjie in die vloei van die oksideermiddelpomp.
Ondanks die ongeluk het C5.86A nr. 2A nogal lank gewerk. Vir die eerste keer is 'n enjin gelanseer, bedoel vir gebruik as deel van 'n vuurpyl, wat verskeie opstart benodig, volgens die geïmplementeerde skema met behulp van 'n ingeboude herlaaibare drukversamelaar. 'N Stabiele werkswyse is verkry vir 'n gegewe stootkragmodus en die maksimum van die voorheen verwagte verhouding van verbruik van brandstofkomponente. Moontlike reserwes vir die verhoging van die krag en die verhoging van die verhouding tussen die verbruik van brandstofkomponente is bepaal.
Nou voltooi KB Khimmash die vervaardiging van 'n nuwe kopie van C5.86 om die maksimum moontlike hulpbron te toets in terme van bedryfstyd en die aantal aanvangs. Dit behoort 'n prototipe te word van 'n werklike enjin op ZhK + LNG -brandstof, wat die boonste stadia van lanseervoertuie 'n nuwe kwaliteit gee en herbruikbare vervoerstelsels lewe gee. Met hul hulp sal ruimte beskikbaar wees, nie net vir navorsers en uitvinders nie, maar moontlik net vir reisigers.
