Raketni in vesoljski svet na razpotju: svetovni trendi zahtevajo nižje stroške in večjo okoljsko varnost vesoljskih storitev. Oblikovalci morajo izumiti nove raketne motorje na tekoče gorivo (LPRE) z okolju prijaznimi gorivi, pri čemer bodo dragi, visoko energetsko intenzivni tekoči vodik nadomestili s poceni utekočinjenim zemeljskim plinom (LNG) z vsebnostjo metana 90–98 odstotkov. To gorivo skupaj s tekočim kisikom omogoča ustvarjanje novih visoko učinkovitih in poceni motorjev z največjo možno uporabo že obstoječih elementov oblikovanja, materiala, tehnoloških in proizvodnih zaostankov.
UZP je netoksičen, pri gorenju v kisiku pa nastane vodna para in ogljikov dioksid. Za razliko od kerozina, ki se pogosto uporablja v raketni tehniki, razlitje utekočinjenega zemeljskega plina hitro izhlapi, ne da bi pri tem škodilo okolju.
Prvi testi
Temperatura vžiga zemeljskega plina z zrakom in spodnja meja njegove eksplozivne koncentracije sta višji od temperatur hlapov vodika in kerozina, zato je v območju nizkih koncentracij v primerjavi z drugimi ogljikovodikovimi gorivi manj eksploziven.
Na splošno delovanje utekočinjenega zemeljskega plina kot raketnega goriva ne zahteva dodatnih ukrepov za preprečevanje požara in eksplozij, ki prej niso bili uporabljeni.
Gostota utekočinjenega zemeljskega plina je šestkrat večja od gostote tekočega vodika, vendar polovica gostote kerozina. Manjša gostota vodi do ustreznega povečanja velikosti rezervoarja za utekočinjen zemeljski plin v primerjavi s posodo za petrolej. Ob upoštevanju višjega razmerja oksidanta in porabe goriva (približno 3,5 do 1 za tekoči kisik (LC) + utekočinjen zemeljski plin in 2,7 do 1 za gorivo ZhK + petrolej) je skupna prostornina goriva ZhK + polnjeni utekočinjeni utekočinjeni zemeljski plin se poveča le za 20 odstotkov. Upoštevajoč učinek kriogenega utrjevanja materiala, pa tudi možnost združevanja dna posod z utekočinjenim zemeljskim plinom in utekočinjenim zemeljskim plinom, bo ponderiranje posod za gorivo relativno majhno.
In končno, proizvodnjo in transport utekočinjenega zemeljskega plina že dolgo obvladamo.
Projektni biro za kemijsko inženirstvo (KB Khimmash) po imenu AM Isaev v Korolevu v Moskovski regiji je leta 1994 začel delati (kot se je izkazalo in se leta raztezajo zaradi zelo skromnega financiranja) pri razvoju goriva ZhK + LNG, ko so bile načrtovalsko -oblikovalske študije in sprejeta odločitev o ustvarjanju novega motorja z uporabo shematične in strukturne osnove obstoječega kisikovo -vodikovega HPC1 s potiskom 7,5 tf, ki je uspešno deloval kot del zgornje stopnje (kriogena zgornja stopnja) 12KRB indijske rakete GSLV MkI (Geosinhrono satelitsko izstrelitveno vozilo).
Leta 1996 so bili izvedeni avtonomni preskusi kurjenja generatorja plina z uporabo tekočega tekočega in zemeljskega plina kot sestavnih delov goriva, ki so bili namenjeni predvsem preverjanju zagonskih in stabilnih načinov delovanja - 13 vključkov je potrdilo delovanje plinskega generatorja in dalo rezultati, ki so bili uporabljeni pri razvoju generatorjev predelanega plina, ki delujejo po odprtih in zaprtih shemah.
Avgustovski september 1997 je oblikovalski urad Khimmash izvedel požarne teste krmilne enote motorja KVD1 (tudi z zemeljskim plinom namesto vodika), v kateri je bila komora, odklonjena v dveh ravninah pod kotom ± 39,5 stopinj, združena v enojna konstrukcija (potisk - 200 kgf, tlak v komori - 40 kg / cm2), zagonski in zaporni ventili, pirotehnični sistem vžiga in električni pogoni - ena standardna krmilna enota KVD1 je opravila šest zagonov s skupnim časom delovanja več kot 450 sekund in komoro tlak v območju 42–36 kg / cm2. Rezultati preskusov so potrdili možnost ustvarjanja majhne komore z zemeljskim plinom kot hladilno tekočino.
Avgusta 1997 je KB Khimmash začel s preskušanjem motorja zaprtega kroga polne velikosti s potiskom 7,5 tf na gorivo ZHK + LNG. Osnova za izdelavo je bil spremenjen motor KVD1 zaprtega kroga z naknadnim zgorevanjem redukcijskega plina generatorja in hlajenjem komore z gorivom.
Standardna oksidantna črpalka KVD1 je bila spremenjena: premer rotorja črpalke se je povečal, da se zagotovi zahtevano razmerje med oksidantom in glavami črpalke za gorivo. Prav tako je bila popravljena hidravlična nastavitev linij motorja, da se zagotovi izračunano razmerje komponent.
Uporaba prototipnega motorja, ki je predhodno opravil cikel preskusov žganja na LCD + tekoče vodikovo gorivo, je zagotovil največje zmanjšanje stroškov raziskav.
Hladni preskusi so omogočili izdelavo načina priprave motorja in stojala za vroče delo v smislu zagotavljanja zahtevanih parametrov utekočinjenega zemeljskega plina v rezervoarjih, hlajenja oksidanta in cevi za gorivo do temperatur, ki zagotavljajo zanesljivo delovanje črpalk med obdobje zagona ter stabilen in stabilen zagon motorja.
Prvi požarni preizkus motorja je bil 22. avgusta 1997 na stojnici podjetja, ki se danes imenuje Znanstveno preskusni center raketne in vesoljske industrije (SRC RCP). V praksi KB Khimmash so bili ti testi prva izkušnja z uporabo utekočinjenega zemeljskega plina kot goriva za motor z zaprtim krogom polne velikosti.
Cilj testa je bil doseči uspešen rezultat zaradi nekaj zmanjšanja parametrov in olajšanja pogojev delovanja motorja.
Nadzor doseganja načina in delovanja v načinu je bil izveden s krmilniki plina in razmerjem med porabo sestavnih delov goriva po algoritmih HPC1, ob upoštevanju interakcije krmilnih kanalov.
Program prvega strelnega preizkusa motorja z zaprtim krogom je bil v celoti zaključen. Motor je deloval določen čas, na stanje materialnega dela ni bilo pripomb.
Rezultati preskusov so potrdili temeljno možnost uporabe utekočinjenega zemeljskega plina kot goriva v enotah motorja s kisikom in vodikom.
Plina je veliko - koksa ni
Nato so se testi nadaljevali z namenom poglobljene preučitve procesov, povezanih z uporabo utekočinjenega zemeljskega plina, preverjanja delovanja motornih enot v širših pogojih uporabe in optimizacije oblikovalskih rešitev.
Skupaj je med letoma 1997 in 2005 potekalo pet preskusov streljanja dveh kopij motorja KVD1, prilagojenega za uporabo goriva ZhK + LNG, ki je trajalo od 17 do 60 sekund, vsebnost metana v utekočinjenem zemeljskem plinu - od 89,3 do 99,5 odstotka.
Na splošno so rezultati teh preskusov omogočili določitev osnovnih načel razvoja motorja in njegovih agregatov pri uporabi goriva "ZhK + LNG" in v letu 2006 prešli na naslednjo stopnjo raziskav, ki vključujejo razvoj, proizvodnjo in testiranje motorja C5.86. Zgorevalna komora, generator plina, turbočrpalka in regulatorji slednjih so konstrukcijsko in parametrično izdelani posebej za delovanje na gorivo ZhK + LNG.
Do leta 2009 sta bila izvedena dva požarna preskusa motorjev C5.86 v trajanju 68 in 60 sekund z vsebnostjo metana v utekočinjenem zemeljskem utekočinjenem 97, 9 in 97, 7 odstotka.
Pozitivni rezultati so bili doseženi pri zagonu in zaustavitvi motorja na tekoče gorivo, ki deluje v stanju dinamičnega ravnovesja v smislu potiska in razmerja komponent goriva (v skladu s krmilnimi ukrepi). Toda ene od glavnih nalog - eksperimentalnega preverjanja odsotnosti kopičenja trdne faze na hladilni poti komore (koks) in na poti plina (saj) z dovolj dolgimi vklopi - zaradi omejene prostornine ni bilo mogoče izvesti rezervoarjev za utekočinjen zemeljski plin (največji čas vklopa je bil 68 sekund). Zato je bila leta 2010 sprejeta odločitev o opremljanju stojala za izvajanje strelnih preskusov v trajanju najmanj 1000 sekund.
Kot novo delovno mesto je bila preskusna miza NRC RCP uporabljena za preskušanje raketnih motorjev na kisikovo-vodikovo tekoče gorivo, ki imajo zmogljivosti ustrezne prostornine. Pri pripravi na preizkus so bile upoštevane pomembne izkušnje, pridobljene prej med sedmimi požarnimi preizkusi. V obdobju od junija do septembra 2010 so bili za uporabo utekočinjenega zemeljskega plina izpopolnjeni namizni sistemi tekočega vodika, na klop je bil nameščen motor C5.86 št.2, obsežni testi merilnih, krmilnih, varnostnih sistemov za zaščito izvedena je bila regulacija razmerja med porabo goriva in tlakom v zgorevalni komori.
Rezervoarji za mizo so bili napolnjeni z gorivom iz transportnega rezervoarja tankerja za točenje goriva (prostornina - 56,4 m3 s polnjenjem 16 ton goriva) z uporabo enote za polnjenje utekočinjenega zemeljskega plina, vključno s toplotnim izmenjevalnikom, filtri, zapornimi ventili in merilnimi instrumenti. Po končanem polnjenju rezervoarjev so se klopi za dobavo sestavnih delov goriva motorju ohladili in napolnili.
Motor se je zagnal in normalno deloval. Spremembe režima so potekale v skladu z vplivi nadzornega sistema. Od 1100 sekund se je temperatura plina iz generatorja plina nenehno povečevala, zaradi česar je bila sprejeta odločitev o ustavitvi motorja. Zaustavitev je potekala na ukaz ob 1160 sekundah brez pripomb. Razlog za dvig temperature je bilo puščanje izstopnega razdelilnika hladilne poti zgorevalne komore, ki je nastalo med preskusom - razpoka v zvarnem šivu zamašene procesne šobe, nameščene na razdelilniku.
Analiza rezultatov izvedenega požarnega testa je omogočila zaključek:
- med delovanjem so bili parametri motorja stabilni v načinih z različnimi kombinacijami razmerja porabe sestavnih delov goriva (2,42 do 1 - 3,03 do 1) in potiska (6311 - 7340 kgf);
-potrdil odsotnost tvorb trdne faze na poti plina in odsotnost usedlin koksa na tekoči poti motorja;
- so bili pridobljeni potrebni eksperimentalni podatki za izboljšanje računske metode hlajenja zgorevalne komore pri uporabi utekočinjenega zemeljskega plina kot hladilnika;
- proučena je dinamika izhoda hladilnega kanala zgorevalne komore v stacionarni toplotni režim;
-potrdil pravilnost tehničnih rešitev za zagon, nadzor, regulacijo in drugo, ob upoštevanju posebnosti LNG;
-razvit C5.86 s potiskom 7,5 tf se lahko uporablja (samostojno ali v kombinaciji) kot pogonski motor v obetavnih zgornjih stopnjah in zgornjih stopnjah raketnih nosilcev;
- pozitivni rezultati preskusov žganja so potrdili izvedljivost nadaljnjih poskusov za ustvarjanje motorja na gorivo ZhK + LNG.
Na naslednjem požarnem preizkusu leta 2011 so motor dvakrat prižgali. Pred prvim izklopom je motor deloval 162 sekund. Pri drugem zagonu, ki je bil izveden za potrditev odsotnosti tvorbe trdne faze na poti plina in usedlin koksa na poti tekočine, je bilo doseženo rekordno trajanje delovanja motorja te mere z enim samim zagonom - 2007 sekund, potrjena je bila tudi možnost dušenja potiska. Preskus je bil prekinjen zaradi izčrpanosti sestavnih delov goriva. Skupni čas delovanja tega primerka motorja je bil 3389 sekund (štirje zagoni). Opravljeno odkrivanje napak je potrdilo odsotnost tvorbe trdne faze in koksa na poteh motorja.
Niz teoretičnega in eksperimentalnega dela s C5.86 št. 2 je potrdil:
- temeljna možnost ustvarjanja motorja zahtevanih dimenzij na gorivnem paru sestavnih delov "ZhK + LNG" z naknadnim zgorevanjem reducirnega generatorja, kar zagotavlja ohranjanje stabilnih lastnosti in praktično odsotnost trdne faze v plinske poti in usedline koksa v tekočih poteh motorja;
-možnost večkratnega zagona in ustavljanja motorja;
-možnost dolgotrajnega delovanja motorja;
-pravilnost sprejetih tehničnih rešitev za zagotovitev večkratnega zagona, nadzora, regulacije ob upoštevanju značilnosti LNG in zaščite v sili;
-Zmožnosti NIC RCP za dolgoročne teste.
V sodelovanju z NRC RCP je bila razvita tehnologija za prevoz, polnjenje in termostatiranje velikih utekočinjenega zemeljskega plina ter razvite tehnološke rešitve, ki so praktično uporabne za postopek polnjenja letalskih proizvodov.
LNG - pot do letov za večkratno uporabo
Zaradi dejstva, da komponente in sklopi demonstracijskega motorja C5.86 št. 2 zaradi omejenega financiranja niso bili ustrezno optimizirani, ni bilo mogoče v celoti rešiti številnih težav, med drugim:
pojasnitev termofizikalnih lastnosti utekočinjenega zemeljskega plina kot hladilne tekočine;
pridobivanje dodatnih podatkov za preverjanje konvergence značilnosti glavnih enot pri simulaciji na vodi in delovanju na utekočinjen zemeljski plin;
eksperimentalno preverjanje možnega vpliva sestave zemeljskega plina na značilnosti glavnih enot, vključno s hladilnimi potmi zgorevalne komore in generatorjem plina;
določitev značilnosti raketnih motorjev na tekoče gorivo v širšem obsegu sprememb načinov delovanja in osnovnih parametrov z enim ali več zagoni;
optimizacija dinamičnih procesov ob zagonu.
Za rešitev teh težav je KB Khimmash izdelal nadgrajen motor C5.86A št. 2A, katerega turbo črpalka je bila prvič opremljena z zagonsko turbino, nadgrajeno glavno turbino in črpalko za gorivo. Posodobljena je bila hladilna pot zgorevalne komore in preoblikovana igla plina za razmerje goriva.
13. septembra 2013 je bil izveden požarni preizkus motorja (vsebnost metana v utekočinjenem zemeljskem plinu - 94,6%). Testni program je predvideval tri stikala s skupnim trajanjem 1500 sekund (1300 + 100 + 100). Zagon in delovanje motorja v tem načinu sta potekala normalno, vendar je pri 532 sekundah sistem za zaščito v sili sprožil ukaz za zaustavitev v sili. Vzrok nesreče je bil vdor tujega kovinskega delca v pot pretoka črpalke oksidanta.
Kljub nesreči je C5.86A št. 2A deloval precej dolgo. Prvič se je zagnal motor, namenjen uporabi kot del raketne stopnje, ki zahteva več zagonov, v skladu z izvedeno shemo z uporabo vgrajenega akumulatorja tlaka, ki se lahko polni. Za določen način potiska je bil dosežen stabilen način delovanja in največji od prej realiziranega razmerja porabe sestavnih delov goriva. Ugotovljene so bile možne rezerve za povečanje potiska in povečanje deleža porabe sestavnih delov goriva.
Zdaj KB Khimmash zaključuje izdelavo nove kopije C5.86 za testiranje največjega možnega vira glede na čas delovanja in število zagonov. Moral bi postati prototip pravega motorja na gorivo ZhK + LNG, ki bo zgornjim stopnjam lansirnih vozil dal novo kakovost in vdahnil življenje transportnim sistemom za večkratno uporabo. Z njihovo pomočjo bo prostor na voljo ne le raziskovalcem in izumiteljem, ampak morda le popotnikom.
