Raketa va kosmik dunyo chorrahasida: global tendentsiyalar xarajatlarni kamaytirish va kosmik xizmatlarning ekologik xavfsizligini oshirishni talab qiladi. Dizaynerlar ekologik toza yoqilg'idan foydalangan holda yangi suyuq yonilg'i-raketa dvigatellarini (LPRE) ixtiro qilishlari kerak, bunda qimmat va yuqori energiya talab qiladigan suyuq vodorodni 90-98 foiz metanli arzon suyultirilgan tabiiy gaz (LNG) bilan almashtirish kerak. Bu yoqilg'i, suyuq kislorod bilan birgalikda, dizayn, moddiy, texnologik va ishlab chiqarishdagi mavjud elementlardan maksimal darajada foydalangan holda yuqori samarali va arzon yangi dvigatellar yaratishga imkon beradi.
LNG toksik emas va kislorodda yondirilganda suv bug'lari va karbonat angidrid hosil bo'ladi. Raketada keng qo'llaniladigan kerosindan farqli o'laroq, LNG to'kilishi atrof -muhitga zarar bermasdan tez bug'lanadi.
Birinchi testlar
Tabiiy gazning havo bilan tutashish harorati va uning portlovchi kontsentratsiyasining pastki chegarasi vodorod va kerosin bug'lariga qaraganda yuqori, shuning uchun past uglevodorodli yoqilg'ilarga qaraganda pastroq kontsentratsiyali hududda u kamroq portlovchi.
Umuman olganda, LNG raketa yoqilg'isi sifatida ishlashi uchun ilgari ishlatilmagan yong'in va portlashlarning oldini olish bo'yicha qo'shimcha chora -tadbirlar talab qilinmaydi.
LNG zichligi suyuq vodoroddan olti barobar, lekin kerosinning yarmidan ko'p. Pastroq zichlik LNG tankining hajmini kerosinli tankga nisbatan mos ravishda o'sishiga olib keladi. Biroq, oksidlovchi va yoqilg'i sarfining yuqori nisbati (suyuq kislorod (LC) + LNG yoqilg'isi uchun taxminan 3,5 dan 1 gacha va ZhK + kerosinli yoqilg'i uchun 2,7 dan 1 gacha) hisobga olinsa, ZhK + yoqilg'ining umumiy hajmi. yonilg'i quyilgan LNG atigi 20 foizga oshadi. Materialning kriogen qotib qolishining ta'sirini, shuningdek LC va LNG tanklarining tubini birlashtirish imkoniyatini hisobga olsak, yonilg'i baklarining og'irligi nisbatan kichik bo'ladi.
Va nihoyat, LNG ishlab chiqarish va tashish uzoq vaqtdan beri o'zlashtirilgan.
Moskva viloyati Korolev shahridagi A. A. Isaev nomidagi Kimyo muhandisligi konstruktorlik byurosi (KB Ximmash) 1994 yilda ZhK + LNG yoqilg'isini ishlab chiqish bo'yicha ishlarni boshladi (ma'lum bo'lishicha, juda kam mablag 'tufayli yillar davomida cho'zilgan)., dizayn -dizayn tadqiqotlari va yuqori boskichli qismi muvaffaqiyatli ishlatilgan, 7,5 tf kuchga ega bo'lgan HPC1 kislorod -vodorodning sxematik va konstruktiv asosidan foydalangan holda yangi dvigatelni yaratish to'g'risida qaror qabul qilinganda (kriogenik yuqori bosqich). Hindistonning GSLV MkI (Geosinxron sun'iy yo'ldoshni uchirish vositasi) raketasining 12KRB.
1996 yilda yoqilg'i komponentlari sifatida suyuq suyuqlik va tabiiy gazdan foydalanadigan gaz generatorining avtonom otish sinovlari o'tkazildi, ular asosan ishga tushirish va barqaror ishlash rejimlarini tekshirishga qaratilgan edi - 13 ta qo'shilish gaz generatorining ishlashini tasdiqladi. Ochiq va yopiq sxemalar bo'yicha ishlaydigan gaz generatorlarini ishlab chiqarishda qo'llanilgan natijalar.
1997 yil avgust-sentyabr oylarida "Khimmash" konstruktorlik byurosi KVD1 dvigatelining boshqaruv blokida o't o'chirish sinovlarini o'tkazdi (shuningdek, vodorod o'rniga tabiiy gaz ishlatilgan), unda ikkita samolyotda ± 39,5 gradus burchak ostida burilgan kamera birlashtirildi. bitta tuzilish (surish - 200 kgf, kameraning bosimi - 40 kg / sm2), ishga tushirish va to'xtash vanalari, pirotexnik ateşleme tizimi va elektr haydovchilar - bitta standart KVD1 boshqaruv bloki oltita boshdan o'tib, umumiy ish vaqti 450 sekunddan oshadi. bosim 42-36 kg / sm2 oralig'ida. Sinov natijalari tabiiy gazni sovutish suvi sifatida ishlatadigan kichik kamerani yaratish imkoniyatini tasdiqladi.
1997 yil avgustda KB Khimmash ZhK + LNG yoqilg'isida 7,5 tf kuchga ega bo'lgan to'liq o'lchamli yopiq elektronli dvigatelni sinovdan o'tkazishni boshladi. Ishlab chiqarish uchun asos - gaz generatorini kamaytiruvchi gazni yoqish va kamerani yonilg'i bilan sovutish bilan yopiq zanjirning o'zgartirilgan KVD1 dvigateli edi.
KVD1 standart oksidlovchi nasosi o'zgartirildi: oksidlovchi va yonilg'i pompasi boshlarining kerakli nisbatini ta'minlash uchun nasos pervanasining diametri oshirildi. Shuningdek, komponentlarning hisoblangan nisbatini ta'minlash uchun dvigatel liniyalarining gidravlik sozlanishi tuzatildi.
Ilgari LCD + suyuq vodorodli yoqilg'ida otish sinovlari tsiklidan o'tgan dvigatel prototipidan foydalanish tadqiqot xarajatlarini maksimal darajada kamaytirishni ta'minladi.
Sovuq sinovlar dvigatelni va stendni issiq ish uchun tayyorlash usulini ishlab chiqishga imkon berdi, bu esa stantsiyalarda LNGning kerakli parametrlarini ta'minlash, oksidlovchi va yonilg'i quvurlarini sovutish paytida nasoslarning ishonchli ishlashini kafolatlaydigan haroratgacha sovutish. ishga tushirish davri va dvigatelning barqaror va barqaror ishga tushishi.
Dvigatelning birinchi yong'in sinovi 1997 yil 22 -avgustda korxona stendida bo'lib o'tdi, u bugun Raketa va kosmik sanoatining ilmiy sinov markazi (RRC RCP) deb nomlanadi. KB Ximmash amaliyotida bu sinovlar LNGni to'liq hajmli yopiq elektronli dvigatel uchun yoqilg'i sifatida ishlatishning birinchi tajribasi bo'ldi.
Sinovning maqsadi, parametrlarning biroz pasayishi va dvigatelning ishlash sharoitlarini osonlashtirish natijasida muvaffaqiyatli natijaga erishish edi.
Rejimga o'tishni va rejimda ishlashni nazorat qilish gazni boshqarish moslamalari yordamida va boshqaruv kanallarining o'zaro ta'sirini hisobga olgan holda HPC1 algoritmlari yordamida yoqilg'i komponentlarining sarflanish nisbati yordamida amalga oshirildi.
Yopiq elektronli dvigatelning birinchi o'q sinov dasturi to'liq bajarildi. Dvigatel ma'lum vaqt davomida ishladi, moddiy qismning holati haqida hech qanday izoh yo'q.
Sinov natijalari kislorodli-vodorodli dvigatellarda LNG-ni yoqilg'i sifatida ishlatishning asosiy imkoniyatini tasdiqladi.
Gaz ko'p - koks yo'q
Keyinchalik, LNG ishlatish bilan bog'liq jarayonlarni chuqurroq o'rganish, dvigatel agregatlarining kengroq foydalanish sharoitida ishlashini tekshirish va konstruktiv echimlarni optimallashtirish maqsadida sinovlar davom ettirildi.
Hammasi bo'lib, 1997 yildan 2005 yilgacha, ZhK + LNG yoqilg'isidan foydalanishga moslashtirilgan, KVD1 dvigatelining 17 nusxadan 60 soniyagacha bo'lgan ikki nusxadagi beshta sinov sinovlari o'tkazildi, LNG tarkibidagi metan miqdori 89,3 dan 99,5 foizgacha..
Umuman olganda, ushbu test natijalari "ZhK + LNG" yoqilg'isini ishlatganda dvigatel va uning agregatlarini ishlab chiqishning asosiy tamoyillarini aniqlashga va 2006 yilda ishlab chiqish, ishlab chiqarishni o'z ichiga olgan tadqiqotning keyingi bosqichiga o'tish imkonini berdi. va C5.86 dvigatelini sinovdan o'tkazish. Yonish kamerasi, gaz generatori, turbopump agregati va uning regulyatorlari konstruktiv va parametrik jihatdan maxsus ZhK + LNG yoqilg'isida ishlash uchun qilingan.
2009 yilga kelib, davomiyligi 68 va 60 sekund bo'lgan C5.86 dvigatellarining ikkita yong'inga sinovlari 97, 9 va 97, 7 foizli LNG tarkibidagi metan tarkibiga ega bo'lgan.
Suyuq yoqilg'i dvigatelini ishga tushirish va to'xtatish, turg'un holatda ishlash va yonilg'i komponentlarining nisbati (nazorat harakatlariga muvofiq) bo'yicha ijobiy natijalarga erishildi. Ammo asosiy vazifalardan biri - kameraning sovutish yo'lida (koks) va gaz yo'lida (kuyikda) etarlicha uzoq burilish paytida qattiq fazali birikmalar yo'qligini eksperimental tekshirish - cheklangan hajm tufayli bajarilmadi. dastgohli LNG tanklari (maksimal yoqilish davomiyligi 68 soniya). Shuning uchun, 2010 yilda stendni kamida 1000 soniya o'q otish sinovlari uchun jihozlash to'g'risida qaror qabul qilindi.
Yangi ish joyi sifatida NRC RCP sinov dastgohi mos keladigan hajmdagi kislorod-vodorodli suyuq-yonuvchi raketa dvigatellarini sinash uchun ishlatilgan. Sinovga tayyorgarlik ko'rishda ilgari ettita yong'in sinovlarida to'plangan muhim tajriba hisobga olindi. 2010 yil iyunidan sentyabrgacha bo'lgan davrda suyuq vodorodli dastgohlar LNG ishlatish uchun takomillashtirildi, 2 -sonli C5.86 dvigateli skameykaga o'rnatildi, o'lchov, nazorat qilish, favqulodda vaziyatlardan himoya qilish tizimlari va yonish kamerasida yonilg'i sarfi va bosim nisbati tartibga solindi.
O'rindiq tanklari yonilg'i quyish tankerining transport tankidan yoqilg'i bilan to'ldirilgan (hajmi - 56,4 m3, 16 tonna yonilg'i quyish), LNG yonilg'i quyish moslamasi, shu jumladan issiqlik almashtirgich, filtrlar, o'chirish vanalari va o'lchash asboblari yordamida. Tanklarni to'ldirish tugagandan so'ng, dvigatelga yonilg'i komponentlarini etkazib berish uchun dastgohlar sovutildi va to'ldirildi.
Dvigatel normal ishga tushdi va ishlay boshladi. Rejimdagi o'zgarishlar boshqaruv tizimining ta'siriga mos ravishda sodir bo'ldi. 1100 soniyadan boshlab gaz generatorining harorati doimiy ravishda oshib bordi, buning natijasida dvigatelni to'xtatish to'g'risida qaror qabul qilindi. O'chirish 1160 soniyada hech qanday izohsiz amalga oshirildi. Haroratning ko'tarilishining sababi, sinov paytida paydo bo'lgan yonish kamerasining sovutish yo'lining chiqish manifoltining oqishi - kollektorga o'rnatilgan tiqilib qolgan texnologik shtutserning payvand chokining yorilishi edi.
O'tkazilgan sinov natijalarini tahlil qilish quyidagicha xulosa chiqarishga imkon berdi.
- ish jarayonida dvigatel parametrlari yonilg'i komponentlari sarfi (2,42 dan 1 - 3,03 gacha 1) va tortishish (6311 - 7340 kgf) nisbati har xil kombinatsiyali rejimlarda barqaror edi;
-gaz yo'lida qattiq fazali birikmalar yo'qligini va dvigatelning suyuq yo'lida koks konlarining yo'qligini tasdiqladi;
- gazni sovutgich sifatida ishlatganda yonish kamerasini sovutish uchun hisoblash usulini takomillashtirish uchun zarur bo'lgan eksperimental ma'lumotlar olingan;
- yonish kamerasining sovutish kanalining barqaror issiqlik rejimiga chiqish dinamikasi o'rganildi;
-LNG ning o'ziga xos xususiyatlarini hisobga olgan holda ishga tushirish, nazorat qilish, tartibga solish va boshqa ishlarni ta'minlash bo'yicha texnik echimlarning to'g'riligini tasdiqladi;
-ishlab chiqarilishi 7,5 tf bo'lgan C5.86 ishlab chiqaruvchi dvigatel sifatida (yakka o'zi yoki kombinatsiyalangan) ishga tushiriladigan dvigatellarning yuqori va yuqori bosqichlarida istiqbolli dvigatel sifatida ishlatilishi mumkin;
- otish sinovlarining ijobiy natijalari ZhK + LNG yoqilg'isida ishlaydigan dvigatel yaratish bo'yicha keyingi tajribalarning maqsadga muvofiqligini tasdiqladi.
2011 yilgi navbatdagi yong'in sinovida dvigatel ikki marta yoqilgan. Birinchi o'chirishdan oldin dvigatel 162 soniya ishlagan. Gaz yo'lida qattiq faza hosil bo'lishining yo'qligini va suyuq yo'lda koks konlarining yo'qligini tasdiqlash uchun o'tkazilgan ikkinchi ishga tushirishda, bu o'lchovli dvigatelning bir martalik ishga tushirilishining rekord davomiyligi - 2007 soniyaga erishildi, shuningdek, tortishishni qisqartirish imkoniyati tasdiqlandi. Yoqilg'i komponentlarining kamayishi tufayli sinov to'xtatildi. Dvigatelning umumiy ish vaqti 3389 soniyani tashkil etdi (to'rtta ishga tushirish). Amalga oshirilgan nuqsonlar dvigatel yo'llarida qattiq faza va koks hosil bo'lishining yo'qligini tasdiqladi.
C5.86 No2 bilan nazariy va eksperimental ishlar to'plami tasdiqladi:
- "ZhK + LNG" komponentlarining yonilg'i juftida talab qilinadigan o'lchamdagi dvigatelni yaratishning asosiy imkoniyati, bu gazni qaytaruvchi generatorning yonishi bilan barqaror xususiyatlarning saqlanishini va qattiq fazaning amalda yo'qligini ta'minlaydi. dvigatelning suyuq yo'llarida gaz yo'llari va koks konlari;
-dvigatelni bir necha marta ishga tushirish va to'xtatish imkoniyati;
-dvigatelning uzoq muddat ishlash imkoniyati;
-LNG va favqulodda vaziyatlardan muhofaza qilish xususiyatlarini hisobga olgan holda ko'p ishga tushirish, nazorat qilish, tartibga solishni ta'minlash bo'yicha qabul qilingan texnik echimlarning to'g'riligi;
-NIC RCP imkoniyatlari uzoq muddatli testlar uchun.
Shuningdek, NRC RCP bilan hamkorlikda katta miqdordagi gazni tashish, yonilg'i quyish va termostatlash texnologiyasi ishlab chiqildi va parvoz mahsulotlarini yonilg'i quyish tartibida amalda qo'llaniladigan texnologik echimlar ishlab chiqildi.
LNG - qayta ishlatiladigan reyslar yo'li
Cheklangan mablag 'tufayli C5.86 № 2 namoyishchi dvigatelining komponentlari va yig'indilari kerakli darajada optimallashtirilmaganligi sababli, bir qator muammolarni to'liq hal qilib bo'lmadi, jumladan:
sovutilgan suyuqlik sifatida LNG ning termofizik xususiyatlarini aniqlashtirish;
suvni simulyatsiya qilish va LNG bilan ishlashda asosiy agregatlar xususiyatlarining yaqinlashishini tekshirish uchun qo'shimcha ma'lumotlar olish;
tabiiy blok tarkibining yonish kamerasi va gaz generatorining sovutish yo'llarini o'z ichiga olgan asosiy agregatlar xususiyatlariga mumkin bo'lgan ta'sirini eksperimental tekshirish;
suyuq rejimda ishlaydigan raketa dvigatellarining xususiyatlarini ish rejimining o'zgarishi va asosiy parametrlarning bir martalik va ko'p martali o'zgarishini aniqlash;
ishga tushganda dinamik jarayonlarni optimallashtirish.
Bu muammolarni hal qilish uchun KB Khimmash C5.86A 2A modernizatsiya qilingan dvigatelini ishlab chiqardi, uning turbo nasos agregati birinchi marotaba ishga tushirish turbinasi, modernizatsiya qilingan asosiy turbinasi va yonilg'i pompasi bilan jihozlangan. Yonish kamerasining sovutish yo'li modernizatsiya qilindi va yonilg'i nisbati gaz kelebeği ignasi qayta ishlandi.
Dvigatelning yong'in sinovi 2013 yil 13 sentyabrda o'tkazilgan (LNG tarkibidagi metan miqdori - 94,6%). Test dasturi umumiy davomiyligi 1500 sekund (1300 + 100 + 100) bo'lgan uchta kalitni taqdim etdi. Dvigatelning rejimda ishga tushishi va ishlashi normal davom etdi, lekin 532 soniyada favqulodda himoya tizimi favqulodda o'chirish buyrug'ini yaratdi. Voqea sababi oksidlovchi nasosning oqim yo'liga begona metall zarrachasining kirib kelishi edi.
Baxtsiz hodisaga qaramay, C5.86A № 2A ancha vaqt ishladi. Birinchi marta raketa bosqichining bir qismi sifatida foydalanish uchun mo'ljallangan dvigatel ishga tushirildi, bu amalga oshirilgan sxema bo'yicha, qayta zaryadlanuvchi bosimli akkumulyatorli bort yordamida amalga oshiriladi. Belgilangan surish rejimi va yonilg'i komponentlarini iste'mol qilishning oldindan amalga oshirilgan nisbati uchun barqaror ish rejimi qo'lga kiritildi. Quvvatni kuchaytirish va yoqilg'i komponentlarini iste'mol qilish nisbatlarini oshirish uchun mumkin bo'lgan zaxiralar aniqlandi.
Hozir KB Khimmash C5.86 ning yangi nusxasini ishlab chiqarish muddati va ishga tushirish soni bo'yicha mumkin bo'lgan maksimal resursni sinab ko'rish uchun tayyorlamoqda. Bu ZhK + LNG yoqilg'isidagi haqiqiy dvigatelning prototipiga aylanishi kerak, bu raketalarning yuqori bosqichlariga yangi sifat beradi va qayta ishlatiladigan transport tizimlarida jon beradi. Ularning yordami bilan kosmos nafaqat tadqiqotchilar va ixtirochilar uchun, balki, ehtimol, faqat sayohatchilar uchun ham mavjud bo'ladi.
