Gorivo na štednjaku vrlo je učinkovito za raketne motore
Raketni i svemirski svijet na raskrižju: globalni trendovi zahtijevaju niže 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 učinkovitih i jeftinih motora uz maksimalnu uporabu 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 naširoko koristi u raketi, izlijevanje LNG -a brzo isparava bez štete za 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 šest je puta veća od gustoće tekućeg vodika, ali upola manja od gustoće kerozina. Niža gustoća dovodi do odgovarajućeg povećanja veličine spremnika za LNG u usporedbi s spremnikom za petrolej. No, uzimajući u obzir veći omjer oksidanta i potrošnje goriva (to je otprilike 3,5 do 1 za tekući kisik (LC) + LNG gorivo i 2,7 do 1 za gorivo ZhK + petrolej), ukupni volumen goriva ZhK + dopunjeni LNG povećava se samo za 20 posto. Uzimajući u obzir učinak kriogenog stvrdnjavanja materijala, kao i mogućnost kombiniranja dna spremnika za LC i LNG, ponderiranje spremnika za gorivo bit će relativno malo.
I konačno, proizvodnja i transport LNG -a odavno su savladani.
Projektni biro za kemijsko inženjerstvo (KB Khimmash) nazvan po AM Isaevu u Korolevu u Moskovskoj regiji započeo je s radom (kako se pokazalo, koji se godinama proteže zbog vrlo oskudnih sredstava) na razvoju ZhK + LNG goriva 1994. godine., kada su projektno - projektne studije i donesena odluka o stvaranju novog motora korištenjem shematske i strukturne osnove postojećeg kisikovodikovodičnog HPC1 s potiskom od 7,5 tf, uspješno operirani kao dio gornjeg stupnja (kriogeni gornji stupanj) 12KRB indijske rakete -nosača GSLV MkI (Geosinhrono satelitsko lansirno vozilo).
1996. provedena su ispitivanja autonomnog paljenja generatora plina koji koristi tekuću tekućinu 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, tlak u komori - 40 kg / cm2), ventili za pokretanje i zaustavljanje, pirotehnički sustav paljenja i električni pogoni - jedna standardna upravljačka jedinica KVD1 prošla je šest startova s ukupnim vremenom rada većim od 450 sekundi i komorom tlak 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. Temelj za proizvodnju bio je modificirani motor KVD1 zatvorenog kruga s naknadnim izgaranjem reducirajućeg plina generatora plina i hlađenjem komore s gorivom.
Standardna oksidatorska pumpa 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 + tekuće gorivo, osiguralo je maksimalno smanjenje troškova istraživanja.
Hladna ispitivanja omogućila su razradu metode 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 jamče pouzdan rad crpki tijekom razdoblje pokretanja i stabilan i stabilan start motora.
Prvo požarno ispitivanje motora održano je 22. kolovoza 1997. na štandu poduzeća koje se danas naziva Znanstveno ispitni centar raketne i svemirske industrije (SRC RCP). U praksi KB Khimmash, ti su testovi bili prvo iskustvo korištenja LNG-a kao goriva za motor zatvorenog kruga pune veličine.
Cilj ispitivanja bio je postići uspješan rezultat zbog određenog smanjenja parametara i olakšavanja radnih uvjeta motora.
Kontrola dostizanja moda i rada u načinu rada provodila se pomoću regulatora gasa, a omjer potrošnje komponenti goriva pomoću algoritama HPC1, uzimajući u obzir interakciju upravljačkih 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 uporabe LNG-a kao goriva u jedinicama motora s kisikom i vodikom.
Puno je plina - nema koksa
Nakon toga, ispitivanja su nastavljena s ciljem dubljeg proučavanja procesa povezanih s uporabom LNG-a, provjere rada jedinica motora u širim uvjetima primjene i optimizacije projektnih rješenja.
Ukupno je od 1997. do 2005. godine provedeno pet testova paljenja dviju kopija motora KVD1, prilagođenih za uporabu 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 utvrđivanje osnovnih načela razvoja motora i njegovih jedinica pri korištenju goriva „ZhK + LNG“te 2006. prelazak na sljedeću fazu istraživanja koja uključuje razvoj, proizvodnju i testiranje motora C5.86. Komora za izgaranje, generator plina, agregat s turbopumpama 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 postignuti su pri pokretanju i gašenju motora na tekuće gorivo, koji radi u stacionarnom načinu rada u smislu potiska i omjera komponenti goriva (u skladu s radnjama upravljanja). No jedan od glavnih zadataka - eksperimentalna provjera odsutnosti nakupljanja krute faze na putu hlađenja komore (koks) i na putu plina (čađe) s dovoljno dugim uključivanjem - nije se mogao izvršiti zbog ograničenog volumena benzinskih spremnika za LNG (maksimalno trajanje uključivanja bilo je 68 sekundi). Stoga je 2010. godine donesena odluka o opremanju štanda za provođenje ispitnih testova u trajanju od najmanje 1000 sekundi.
Kao novo radno mjesto, ispitni stroj NRC RCP korišten je za ispitivanje raketnih motora s tekućim pogonom na kisik-vodik, koji ima kapacitete odgovarajućeg volumena. U pripremama za ispitivanje uzeto je u obzir značajno iskustvo stečeno ranije tijekom sedam požarnih ispitivanja. U razdoblju od lipnja do rujna 2010. dorađeni su klupski sustavi tekućeg vodika za uporabu LNG -a, na klupu je instaliran motor C5.86 broj 2, opsežna ispitivanja mjernih, kontrolnih, sustava zaštite od nužde i izvršena je regulacija omjera potrošnje goriva i tlaka u komori za izgaranje.
Spremnici su se punili gorivom iz transportnog spremnika tankera za punjenje (zapremina - 56,4 m3 s punjenjem goriva od 16 tona) pomoću jedinice za punjenje LNG -om, uključujući izmjenjivač topline, filtere, zaporne ventile i mjerne instrumente. Nakon što je punjenje spremnika dovršeno, klupe za opskrbu dijelovima goriva motorom ohlađene su i napunjene.
Motor se normalno pokrenuo i radio. Promjene u režimu dogodile su se u skladu s utjecajima kontrolnog sustava. Od 1100 sekundi temperatura plina iz generatora plina stalno se povećavala, zbog čega je donesena odluka o zaustavljanju motora. Gašenje se dogodilo na naredbu u 1160 sekundi bez ikakvih primjedbi. Razlog porasta temperature bilo je propuštanje izlaznog razvodnika rashladnog puta komore za izgaranje koje je nastalo tijekom ispitivanja - pukotina u zavarenom šavu začepljene tehnološke mlaznice instalirane na razdjelniku.
Analiza rezultata provedenog požarnog testa omogućila je zaključiti:
- u procesu rada parametri motora bili su stabilni u načinima rada s različitim kombinacijama omjera potrošnje komponenata goriva (2,42 do 1 - 3,03 prema 1) i potiska (6311 - 7340 kgf);
-potvrdio odsutnost tvorbi čvrste faze na putu plina i odsutnost naslaga koksa na putu tekućine motora;
- dobiveni 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 kako bi se osiguralo pokretanje, kontrola, regulacija i drugo, uzimajući u obzir osobitosti 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 izvedivost daljnjih pokusa 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 nedostatka 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 potvrđena mogućnost prigušenja potiska. Ispitivanje je prekinuto zbog iscrpljivanja dijelova 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 stazama motora.
Skup teorijskih i eksperimentalnih radova s C5.86 br. 2 potvrdio je:
- temeljna mogućnost stvaranja motora potrebne dimenzije na paru goriva komponenti "ZhK + LNG" s naknadnim izgaranjem reducirajućeg generatorskog plina, čime se osigurava održavanje stabilnih karakteristika i praktičan nedostatak čvrste faze u staze plina i naslage koksa u stazama tekućine motora;
-mogućnost višestrukog pokretanja i gašenja motora;
-mogućnost dugotrajnog rada motora;
-točnost usvojenih tehničkih rješenja kako bi se osiguralo višestruko pokretanje, kontrola, regulacija, uzimajući u obzir značajke LNG-a i zaštitu u hitnim slučajevima;
-Sposobnosti NIC RCP-a za dugotrajna ispitivanja.
Također, u suradnji s NRC RCP, razvijena je tehnologija za transport, punjenje gorivom i termostatiranje velikih masa LNG -a te su razvijena tehnološka rješenja koja su praktično primjenjiva u postupku punjenja gorivom letnih proizvoda.
LNG - put do letova za višekratnu uporabu
Zbog činjenice da komponente i sklopovi demonstracijskog 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;
dobivanje dodatnih podataka za provjeru konvergencije karakteristika glavnih jedinica pri simulaciji na vodi i radu na LNG -u;
eksperimentalna provjera mogućeg utjecaja sastava prirodnog plina na karakteristike glavnih jedinica, uključujući rashladne putove komore za izgaranje i generatora plina;
određivanje karakteristika raketnih motora na tekuće gorivo u širem rasponu promjena načina rada i osnovnih parametara s jednim ili više pokretanja;
optimizacija dinamičkih procesa pri pokretanju.
Kako bi riješio te probleme, KB Khimmash je proizveo nadograđeni motor C5.86A br. 2A, čija je jedinica s turbo crpkom 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.
Požarno ispitivanje motora provedeno je 13. rujna 2013. (sadržaj metana u LNG -u - 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 sustav za zaštitu od nužde generirao je naredbu za isključivanje u slučaju nužde. Uzrok nesreće bio je ulazak strane čestice metala u put protoka pumpe oksidanta.
Unatoč nesreći, C5.86A br. 2A radio je prilično dugo. Prvi put je pokrenut motor namijenjen za uporabu u sklopu raketnog stupnja, koji zahtijeva više pokretanja, prema implementiranoj shemi pomoću ugrađenog akumulatora tlaka koji se može puniti. Dobiven je stabilan način rada za zadani način potiska i maksimum prethodno ostvarenog omjera potrošnje komponenata goriva. Utvrđene su moguće rezerve za povećanje potiska i povećanje omjera potrošnje komponenti goriva.
Sada KB Khimmash dovršava proizvodnju nove kopije C5.86 za testiranje maksimalno mogućeg resursa u smislu vremena rada i broja pokretanja. Trebao bi postati prototip pravog motora na gorivu ZhK + LNG, koji će dati novu kvalitetu gornjim fazama lansirnih vozila i udahnuti život transportnim sustavima za višekratnu uporabu. Uz njihovu pomoć, prostor će postati dostupan ne samo istraživačima i izumiteljima, već, vjerojatno, samo putnicima.
