Roket ve uzay dünyası bir kavşakta: küresel eğilimler, uzay hizmetlerinin daha düşük maliyetler ve daha yüksek çevresel güvenlik gerektirmektedir. Tasarımcılar, pahalı, yüksek enerji yoğun sıvı hidrojeni yüzde 90-98 metan içeriğine sahip ucuz sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) ile değiştirerek çevre dostu yakıtlar kullanan yeni sıvı yakıtlı roket motorları (LPRE) icat etmelidir. Bu yakıt, sıvı oksijen ile birleştiğinde, halihazırda mevcut tasarım, malzeme, teknolojik ve üretim birikimi unsurlarının maksimum kullanımı ile yeni, yüksek verimli ve ucuz motorlar yaratmayı mümkün kılar.
LNG toksik değildir ve oksijende yakıldığında su buharı ve karbondioksit oluşur. Roketçilikte yaygın olarak kullanılan kerosenin aksine, LNG sızıntıları çevreye zarar vermeden hızla buharlaşır.
İlk testler
Doğal gazın hava ile tutuşma sıcaklığı ve patlayıcı konsantrasyonunun alt sınırı, hidrojen ve kerosen buharlarından daha yüksektir, bu nedenle düşük konsantrasyon bölgesinde diğer hidrokarbon yakıtlara kıyasla daha az patlayıcıdır.
Genel olarak, LNG'nin roket yakıtı olarak çalışması, daha önce kullanılmamış herhangi bir ek yangın ve patlama önleme önlemi gerektirmez.
LNG'nin yoğunluğu sıvı hidrojeninkinin altı katı, ancak keroseninkinin yarısıdır. Düşük yoğunluk, gazyağı tankına kıyasla LNG tankının boyutunda karşılık gelen bir artışa yol açar. Ancak, daha yüksek oksitleyici ve yakıt tüketimi oranı dikkate alındığında (sıvı oksijen (LC) + LNG yakıtı için yaklaşık 3,5'e 1 ve ZhK + kerosen yakıtı için 2,7'ye 1'dir), ZhK + yakıtın toplam hacmi Yakıt ikmali yapılan LNG sadece yüzde 20 artar. Malzemenin kriyojenik sertleşmesinin etkisinin yanı sıra LC ve LNG tanklarının diplerini birleştirme olasılığı dikkate alındığında, yakıt tanklarının ağırlığı nispeten küçük olacaktır.
Ve son olarak, LNG'nin üretimi ve nakliyesi uzun zamandır ustalaştı.
Moskova Bölgesi Korolev'deki AM Isaev'in adını taşıyan Kimya Mühendisliği Tasarım Bürosu (KB Khimmash), 1994 yılında ZhK + LNG yakıtının geliştirilmesi konusunda çalışmaya başladı (görünüşe göre, çok yetersiz finansman nedeniyle yıllarca uzanıyordu). tasarım - tasarım çalışmaları ve mevcut oksijen-hidrojen HPC1'in şematik ve yapısal tabanı kullanılarak 7.5 tf itme gücüne sahip yeni bir motor oluşturulmasına karar verildiğinde, üst kademenin bir parçası olarak başarıyla çalıştırıldı (Kriyojenik Üst Kademe) Hindistan fırlatma aracı GSLV MkI'nin 12KRB'si (Jeosenkron Uydu Fırlatma Aracı).
1996 yılında, esas olarak başlatma ve kararlı çalışma modlarını kontrol etmeyi amaçlayan, yakıt bileşenleri olarak sıvı sıvı ve doğal gaz kullanan bir gaz jeneratörünün otonom ateşleme testleri yapıldı - 13 kapanım, gaz jeneratörünün çalışabilirliğini doğruladı ve verdi. açık ve kapalı şemalarda çalışan geri kazanım gazı jeneratörlerinin geliştirilmesinde kullanılan sonuçlar.
Ağustos-Eylül 1997'de, Khimmash Tasarım Bürosu, iki düzlemde ± 39.5 derecelik bir açıyla sapan bir odanın bir araya getirildiği KVD1 motorunun direksiyon ünitesinin (hidrojen yerine doğal gazın da kullanıldığı) yangın testlerini gerçekleştirdi. tek yapı (itme - 200 kgf, hazne basıncı - 40 kg / cm2), başlatma ve durdurma valfleri, piroteknik ateşleme sistemi ve elektrikli tahrikler - toplam 450 saniyeden fazla çalışma süresi ile altı çalıştırmayı geçen bir standart KVD1 direksiyon ünitesi ve bir hazne 42–36 kg / cm2 aralığında basınç. Test sonuçları, soğutucu olarak doğal gaz kullanarak küçük bir oda oluşturma olasılığını doğruladı.
Ağustos 1997'de KB Khimmash, ZhK + LNG yakıtı üzerinde 7.5 tf itiş gücüne sahip tam boyutlu bir kapalı devre motorun testlerine başladı. Üretimin temeli, indirgeyici gaz jeneratörü gazının yanması ve haznenin yakıtla soğutulması ile kapalı bir devrenin değiştirilmiş bir KVD1 motoruydu.
Standart oksitleyici pompası KVD1 değiştirildi: oksitleyici ve yakıt pompası kafalarının gerekli oranını sağlamak için pompa çarkının çapı artırıldı. Ayrıca, bileşenlerin hesaplanan oranını sağlamak için motor hatlarının hidrolik ayarı düzeltildi.
Daha önce LCD + sıvı hidrojen yakıt üzerinde ateşleme testlerinden geçen prototip motorun kullanılması, araştırma maliyetlerinde maksimum azalmayı sağladı.
Soğuk testler, tezgah tanklarında gerekli LNG parametrelerinin sağlanması, oksitleyicinin ve yakıt hatlarının pompaların güvenilir çalışmasını garanti eden sıcaklıklara soğutulması açısından motoru ve standı sıcak çalışma için hazırlama yöntemini çözmeyi mümkün kıldı. başlangıç periyodu ve kararlı ve kararlı motor çalıştırma.
Motorun ilk yangın testi 22 Ağustos 1997'de bugün Roket ve Uzay Endüstrisi Bilimsel Test Merkezi (SRC RCP) olarak adlandırılan işletmenin standında gerçekleşti. KB Khimmash uygulamasında, bu testler, LNG'yi tam boyutlu bir kapalı devre motor için yakıt olarak kullanmanın ilk deneyimiydi.
Testin amacı, parametrelerde bir miktar azalma ve motor çalışma koşullarının kolaylaştırılması nedeniyle başarılı bir sonuç elde etmekti.
Moda ulaşma ve modda çalışma kontrolü, gaz kelebeği kontrolörleri kullanılarak ve kontrol kanallarının etkileşimi dikkate alınarak HPC1 algoritmaları kullanılarak yakıt bileşenlerinin tüketim oranları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Kapalı devre motorun ilk ateşleme testi programı eksiksiz tamamlandı. Motor belirli bir süre çalıştı, malzeme parçasının durumu hakkında yorum yapılmadı.
Test sonuçları, oksijen-hidrojen motorunun birimlerinde yakıt olarak LNG kullanmanın temel olasılığını doğruladı.
Çok fazla gaz var - kok yok
Ardından, LNG kullanımıyla ilgili süreçlerin daha derinlemesine incelenmesi, motor ünitelerinin daha geniş uygulama koşullarında çalışmasının kontrol edilmesi ve tasarım çözümlerinin optimize edilmesi amacıyla testler devam etti.
Toplamda, 1997'den 2005'e kadar, ZhK + LNG yakıtının kullanımına uyarlanmış, 17 ila 60 saniye süren KVD1 motorunun iki kopyasının beş ateşleme testi, LNG'deki metan içeriği - yüzde 89,3'ten yüzde 99,5'e gerçekleşti..
Genel olarak, bu testlerin sonuçları, “ZhK + LNG” yakıtı kullanırken motorun ve ünitelerinin geliştirilmesinin temel ilkelerini belirlemeyi ve 2006'da geliştirme, üretmeyi içeren bir sonraki araştırma aşamasına geçmeyi mümkün kıldı. ve C5.86 motorunun test edilmesi. Yanma odası, gaz jeneratörü, turbo pompa ünitesi ve bunların regülatörleri yapısal ve parametrik olarak özel olarak ZhK + LNG yakıtı ile çalışmak üzere yapılmıştır.
2009 yılına kadar, LNG'de yüzde 97, 9 ve 97, 7 oranında metan içeriği ile 68 ve 60 saniye süreli C5.86 motorlarının iki yangın testi yapıldı.
İtki ve yakıt bileşenlerinin oranı (kontrol eylemlerine uygun olarak) açısından kararlı durum modlarında çalışan sıvı yakıtlı motorun çalıştırılması ve durdurulması konusunda olumlu sonuçlar elde edildi. Ancak ana görevlerden biri - odanın (kok) soğutma yolunda ve gaz yolunda (kurum) yeterince uzun dönüşlerle katı faz birikimi olmadığının deneysel olarak doğrulanması - sınırlı hacim nedeniyle gerçekleştirilemedi. tezgah LNG tanklarının sayısı (maksimum açma süresi 68 saniyeydi). Bu nedenle, 2010 yılında, ateşleme testleri yapmak için standın en az 1000 saniye süreyle donatılmasına karar verildi.
Yeni bir işyeri olarak, NRC RCP test tezgahı, karşılık gelen hacim kapasitelerine sahip oksijen-hidrojen sıvı yakıtlı roket motorlarını test etmek için kullanıldı. Teste hazırlanırken, yedi yangın testi sırasında daha önce kazanılan önemli deneyimler dikkate alındı. Haziran-Eylül 2010 döneminde, sıvı hidrojen tezgah sistemleri LNG kullanımı için rafine edildi, tezgah üzerine 2 No'lu C5.86 motor kuruldu, kapsamlı ölçüm, kontrol, acil durum koruma sistemleri testleri ve yanma odasındaki yakıt tüketimi ve basınç oranının düzenlenmesi gerçekleştirildi.
Tezgah tankları, bir ısı eşanjörü, filtreler, kapatma valfleri ve ölçüm aletleri içeren bir LNG yakıt ikmali ünitesi kullanılarak yakıt ikmal tankerinin taşıma tankından (hacim - 16 ton yakıt ikmali ile 56,4 m3) yakıtla dolduruldu. Tankların doldurulması tamamlandıktan sonra motora yakıt komponentleri beslemek için kullanılan tezgah hatları soğutuldu ve dolduruldu.
Motor çalıştı ve normal çalıştı. Rejimdeki değişiklikler, kontrol sisteminin etkilerine uygun olarak gerçekleşti. 1100 saniyeden itibaren, gaz jeneratörü gazının sıcaklığı sürekli arttı ve bunun sonucunda motoru durdurma kararı alındı. Kapatma, herhangi bir açıklama yapılmadan 1160 saniyede komuta ile gerçekleşti. Sıcaklıktaki artışın nedeni, test sırasında ortaya çıkan yanma odası soğutma yolunun çıkış manifoldunun sızıntısıydı - manifold üzerine monte edilen tıkalı işlem memesinin kaynak dikişinde bir çatlak.
Yapılan yangın testinin sonuçlarının analizi, şu sonuca varmayı mümkün kıldı:
- çalışma sürecinde, motor parametreleri, yakıt bileşenlerinin (2.42 ila 1 - 3.03 ila 1) ve itme (6311 - 7340 kgf) tüketim oranlarının çeşitli kombinasyonları ile modlarda stabildi;
- gaz yolunda katı faz oluşumlarının olmadığını ve motorun sıvı yolunda kok tortularının olmadığını doğruladı;
- LNG'yi soğutucu olarak kullanırken yanma odasının soğutulması için hesaplama yöntemini iyileştirmek için gerekli deneysel veriler elde edildi;
- yanma odasının soğutma kanalının kararlı hal termal rejimine çıkışının dinamikleri incelenmiştir;
- LNG'nin özelliklerini dikkate alarak başlatma, kontrol, düzenleme ve diğer şeyleri sağlamak için teknik çözümlerin doğruluğunu teyit etti;
- 7.5 tf itiş gücüne sahip geliştirilmiş C5.86, (tek başına veya kombinasyon halinde) fırlatma araçlarının gelecek vaat eden üst kademelerinde ve üst kademelerinde bir tahrik motoru olarak kullanılabilir;
- ateşleme testlerinin olumlu sonuçları, ZhK + LNG yakıtı ile çalışan bir motor oluşturmak için daha ileri deneylerin uygulanabilirliğini doğruladı.
2011'deki bir sonraki yangın testinde motor iki kez çalıştırıldı. İlk kapatmadan önce motor 162 saniye çalıştı. Gaz yolunda katı faz oluşumunun olmadığını ve sıvı yolunda kok birikintilerinin olmadığını doğrulamak için gerçekleştirilen ikinci çalıştırmada, bu boyuttaki bir motorun tek bir çalıştırma ile rekor bir çalışma süresi - 2007 saniye elde edildi, yanı sıra itme kısma olasılığı doğrulandı. Yakıt bileşenlerinin tükenmesi nedeniyle test durduruldu. Bu motor örneğinin toplam çalışma süresi 3389 saniyeydi (dört başlatma). Gerçekleştirilen kusur tespiti, motor yollarında katı faz ve kok oluşumunun olmadığını doğruladı.
C5.86 No. 2 ile bir dizi teorik ve deneysel çalışma doğrulandı:
- "ZhK + LNG" bileşenlerinin yakıt çifti üzerinde, kararlı özelliklerin korunmasını ve katı fazın pratik olarak yokluğunu sağlayan indirgeyici jeneratör gazının yanması ile gerekli boyutta bir motor yaratmanın temel olasılığı motorun sıvı yollarında gaz yolları ve kok birikintileri;
-motoru birden fazla çalıştırma ve durdurma imkanı;
- motorun uzun süreli çalışması olasılığı;
- LNG ve acil koruma özelliklerini dikkate alarak çoklu başlatma, kontrol, düzenleme sağlamak için benimsenen teknik çözümlerin doğruluğu;
-NIC RCP'nin yetenekleri, uzun vadeli testler anlamına gelir.
Ayrıca, NRC RCP ile işbirliği içinde, büyük LNG kütlelerinin taşınması, yakıt ikmali ve termostatlanması için bir teknoloji geliştirildi ve uçuş ürünlerine yakıt ikmali prosedürü için pratik olarak uygulanabilir teknolojik çözümler geliştirildi.
LNG - yeniden kullanılabilir uçuşlara giden yol
Sınırlı finansman nedeniyle C5.86 No. 2 gösterici motorunun bileşenlerinin ve düzeneklerinin uygun ölçüde optimize edilmemiş olması nedeniyle, aşağıdakiler de dahil olmak üzere bir dizi sorunu tam olarak çözmek mümkün olmadı:
soğutucu olarak LNG'nin termofiziksel özelliklerinin açıklığa kavuşturulması;
su üzerinde simülasyon yaparken ve LNG üzerinde çalışırken ana ünitelerin özelliklerinin yakınsamasını kontrol etmek için ek verilerin elde edilmesi;
doğal gaz bileşiminin, yanma odasının ve gaz jeneratörünün soğutma yolları da dahil olmak üzere ana ünitelerin özellikleri üzerindeki olası etkisinin deneysel olarak doğrulanması;
sıvı yakıtlı roket motorlarının özelliklerinin, hem tek hem de çoklu başlatma ile çalışma modlarında ve temel parametrelerde daha geniş bir değişiklik yelpazesinde belirlenmesi;
Başlangıçta dinamik süreçlerin optimizasyonu.
Bu sorunları çözmek için KB Khimmash, turbo pompa ünitesi ilk kez bir başlangıç türbini, yükseltilmiş bir ana türbin ve bir yakıt pompası ile donatılmış, yükseltilmiş bir C5.86A No. 2A motor üretti. Yanma odası soğutma yolu modernize edildi ve yakıt oranı klapesi yeniden tasarlandı.
13 Eylül 2013'te motorun yangın testi yapıldı (LNG'deki metan içeriği - %94,6). Toplam 1500 saniye (1300 + 100 + 100) süreli üç anahtar için sağlanan test programı. Motorun modda çalıştırılması ve çalıştırılması normal şekilde ilerledi, ancak 532 saniyede acil durum koruma sistemi bir acil kapatma komutu üretti. Kazanın nedeni, oksitleyici pompasının akış yoluna yabancı bir metal parçacığının girmesiydi.
Kazaya rağmen, C5.86A No. 2A oldukça uzun süre çalıştı. İlk kez, yerleşik bir şarj edilebilir basınç akümülatörü kullanılarak uygulanan şemaya göre, birden fazla başlatma gerektiren bir roket aşamasının parçası olarak kullanılması amaçlanan bir motor başlatıldı. Belirli bir itme modu ve daha önce gerçekleşen yakıt bileşenleri tüketimi oranının maksimumu için kararlı bir çalışma modu elde edildi. İtkiyi artırmak ve yakıt bileşenleri tüketim oranını artırmak için olası rezervler belirlendi.
Şimdi KB Khimmash, çalışma süresi ve başlatma sayısı açısından mümkün olan maksimum kaynağı test etmek için C5.86'nın yeni bir kopyasının üretimini tamamlıyor. Fırlatma araçlarının üst kademelerine yeni bir kalite kazandıracak ve yeniden kullanılabilir taşıma sistemlerine hayat verecek olan ZhK + LNG yakıtlı gerçek bir motorun prototipi haline gelmelidir. Onların yardımıyla, alan yalnızca araştırmacılar ve mucitler için değil, muhtemelen sadece gezginler için de kullanılabilir hale gelecek.
