דלק הכיריים יעיל ביותר עבור מנועי רקטות
עולם הרקטות והחלל בצומת דרכים: מגמות עולמיות דורשות הוזלת עלויות והגברת הבטיחות הסביבתית של שירותי החלל. על המעצבים להמציא מנועי טילים חדשים המניעים נוזלים (LPRE) המשתמשים בדלקים ידידותיים לסביבה, ומחליפים מימן נוזלי יקר, עתיר אנרגיה, בגז טבעי זול (LNG) בעל תכולת מתאן של 90-98 אחוזים. דלק זה, יחד עם חמצן נוזלי, מאפשר ליצור מנועים חדשים יעילים וזולים במיוחד עם שימוש מרבי באלמנטים קיימים כבר של עיצוב, חומרים, טכנולוגיה וצבר ייצור.
LNG אינו רעיל, וכאשר הוא נשרף בחמצן, נוצרים אדי מים ופחמן דו חמצני. שלא כמו נפט, הנמצא בשימוש נרחב ברקטות, נשפך LNG מתאדה במהירות מבלי לפגוע בסביבה.
בדיקות ראשונות
טמפרטורת ההצתה של גז טבעי עם אוויר והגבול התחתון של ריכוז הנפץ שלו גבוהים יותר מאלו של מימן ואדי נפט; לכן, באזור הריכוזים הנמוכים, בהשוואה לדלקים אחרים של פחמימנים, הוא פחות נפץ.
באופן כללי, הפעלת LNG כדלק טילים אינה דורשת אמצעי מניעה נוספים של אש ופיצוץ שלא נעשה בהם שימוש קודם לכן.
צפיפות ה- LNG היא פי 6 מזה של מימן נוזלי, אך מחצית מהנפט. הצפיפות הנמוכה מביאה לגידול מקביל בגודל מיכל ה- LNG בהשוואה למיכל הנפט. עם זאת, בהתחשב ביחס הגבוה יותר של חמצון וצריכת דלק (הוא כ -3.5 עד 1 לדלק החמצן הנוזלי (LC) + LNG ו -2.7 עד 1 לדלק ZhK + נפט), הנפח הכולל של הדלק ZhK + תדלוק LNG עולה רק ב -20 אחוזים. בהתחשב בהשפעת ההתקשות הקריוגנית של החומר, כמו גם האפשרות לשלב את תחתיות מיכלי ה- LC וה- LNG, שקלול מכלי הדלק יהיה קטן יחסית.
ולבסוף, הייצור וההובלה של LNG כבר זמן רב.
לשכת העיצוב להנדסה כימית (KB Khimmash) על שם AM Isaev בקורולב שבמחוז מוסקבה החלה בעבודות (כפי שהתברר, נמשך שנים בגלל מימון דל מאוד) על פיתוח דלק ZhK + LNG בשנת 1994., כאשר התקבלו לימודי העיצוב וההחלטה ליצור מנוע חדש באמצעות הבסיס הסכימטי והמבני של HPC1 החמצן -מימן הקיים עם דחף של 7.5 tf, המופעל בהצלחה כחלק מהבמה העליונה (Cryogenic Upper Stage) 12KRB של רכב השיגור ההודי GSLV MkI (רכב שיגור לוויין גיאוסינכרוני).
בשנת 1996 בוצעו בדיקות ירי אוטונומיות של גנרטור גז תוך שימוש בנוזל נוזלי וגז טבעי כרכיבי דלק, שמטרתן הייתה בעיקר לבדוק את מצבי ההפעלה והיציבה - 13 תכלילים אישרו את יכולת הפעולה של גנרטור הגז ונתנו את תוצאות ששימשו בפיתוח גנרטורים של גז התאוששות הפועלים על תוכניות פתוחות וסגורות.
באוגוסט-ספטמבר 1997 ערכה הלשכה לעיצוב ח'ימאש בדיקות אש של יחידת ההיגוי של מנוע KVD1 (גם באמצעות גז טבעי במקום מימן), שבהן התא שהופנה בשני מטוסים בזווית של ± 39.5 מעלות משולב ב מבנה יחיד (דחף - 200 ק"ג, לחץ תא - 40 ק"ג / סמ"ר), שסתומי התחלה ועצירה, מערכת הצתה פירוטכנית וכוננים חשמליים - יחידת היגוי סטנדרטית אחת מסוג KVD1 עברה שש התחלות עם זמן הפעלה כולל של יותר מ -450 שניות ותא לחץ בטווח של 42–36 ק"ג / סמ"ר. תוצאות הבדיקה אישרו את האפשרות ליצור תא קטן באמצעות גז טבעי כנוזל קירור.
באוגוסט 1997 החלה KB Khimmash בירי בדיקות של מנוע במעגל סגור בגודל מלא עם דחף של 7.5 tf על דלק ZhK + LNG. הבסיס לייצור היה מנוע KVD1 שונה של מעגל סגור עם צריבה נוספת של גז מחולל הגז המפחית וקירור התא עם דלק.
משאבת החמצון הסטנדרטית KVD1 שונתה: קוטר האימפלר של המשאבה הוגדל על מנת להבטיח את היחס הנדרש בין ראשי החמצון וראשי משאבת הדלק. כמו כן, הכוונון ההידראולי של קווי המנוע תוקן על מנת להבטיח את יחס הרכיבים המחושב.
השימוש במנוע האב -טיפוס, שעבר בעבר את מחזור בדיקות הירי על LCD + דלק מימן נוזלי, סיפק את ההפחתה המרבית בעלויות המחקר.
בדיקות קור איפשרו לעצב את שיטת הכנת המנוע ואת המעמד לעבודה חמה מבחינת הבטחת הפרמטרים הנדרשים של LNG במיכלי ספסל, קירור מחמצן וקווי הדלק לטמפרטורות המבטיחות פעולה אמינה של המשאבות במהלך תקופת התחלה והתנעה יציבה ויציבה של המנוע.
בדיקת האש הראשונה של המנוע התקיימה ב -22 באוגוסט 1997 בדוכן הארגון, שנקרא היום מרכז הניסויים המדעיים של תעשיית הרקטות והחלל (SRC RCP). בתרגול KB Khimmash, בדיקות אלה היו הניסיון הראשון של שימוש ב- LNG כדלק למנוע במעגל סגור בגודל מלא.
מטרת הבדיקה הייתה להשיג תוצאה מוצלחת עקב הפחתה מסוימת בפרמטרים והקלות בתנאי הפעלת המנוע.
השליטה בהגעה למצב והפעלה במצב בוצעה באמצעות בקרי מצערת ויחס צריכת רכיבי הדלק באמצעות אלגוריתמי HPC1, תוך התחשבות באינטראקציה של ערוצי הבקרה.
תוכנית בדיקת הירי הראשונה של מנוע המעגל הסגור הושלמה במלואה. המנוע פעל במשך זמן מוגדר, לא היו הערות לגבי מצב החלק החומר.
תוצאות הבדיקה אישרו את האפשרות הבסיסית של שימוש ב- LNG כדלק ביחידות של מנוע חמצן-מימן.
יש הרבה גז - אין קולה
לאחר מכן נמשכו הבדיקות במטרה ללמוד יותר לעומק את התהליכים הקשורים לשימוש ב- LNG, לבדוק את פעולת יחידות המנוע בתנאי יישום רחבים יותר, ולייעל את פתרונות התכנון.
בסך הכל, משנת 1997 עד 2005, התקיימו חמש בדיקות ירי של שני עותקים של מנוע KVD1, המותאמים לשימוש בדלק ZhK + LNG, שנמשכו בין 17 ל -60 שניות, תכולת המתאן ב- LNG - מ -89.3 ל -99.5 אחוזים..
בסך הכל, תוצאות הבדיקות הללו אפשרו לקבוע את העקרונות הבסיסיים של פיתוח המנוע ויחידותיו בעת שימוש בדלק "ZhK + LNG" ולהמשיך בשנת 2006 לשלב הבא של מחקר הכולל פיתוח, ייצור ובדיקת מנוע C5.86. תא הבעירה, גנרטור הגז, יחידת טורבו -פופ והרגולטורים של האחרונים מיוצרים באופן מבני ופארמטרי במיוחד להפעלה על דלק ZhK + LNG.
עד 2009 בוצעו שתי בדיקות אש של מנועי C5.86 עם משך של 68 ו -60 שניות עם תכולת מתאן ב- LNG של 97, 9 ו -97, 7 אחוזים.
התקבלו תוצאות חיוביות על הפעלה ועצירה של מנוע דוחף הנוזלים, הפעלה במצבי מצב יציב מבחינת הדחף ויחס רכיבי הדלק (בהתאם לפעולות הבקרה). אך אחת המשימות העיקריות - אימות ניסיוני של היעדר הצטברות של שלב מוצק בנתיב הקירור של החדר (קולה) ובדרך הגז (פיח) עם סיבובים ארוכים מספיק - לא ניתן היה לבצע בשל הנפח המוגבל של מיכלי LNG ספסל (משך ההפעלה המרבי היה 68 שניות). לכן, בשנת 2010 התקבלה החלטה לאבזר את הדוכן לביצוע בדיקות ירי באורך של 1000 שניות לפחות.
כמקום עבודה חדש, ספסל הבדיקות NRC RCP שימש לבדיקת מנועי טילים נוזלי חמצן-מימן, בעלי יכולות בנפח המקביל. לקראת הבדיקה נלקח בחשבון הניסיון המשמעותי שנצבר מוקדם יותר במהלך שבע בדיקות האש. בתקופה שבין יוני לספטמבר 2010 שופצו מערכות הספסל של מימן נוזלי לשימוש ב- LNG, מנוע C5.86 מס '2 הותקן על הספסל, בדיקות מקיפות של מערכות מדידה, בקרה, הגנה על חירום וכן בוצעה ויסות היחס בין צריכת הדלק והלחץ בתא הבעירה.
מיכלי הספסל התמלאו בדלק ממיכל ההובלה של מכלית התדלוק (נפח - 56.4 מ ק עם תדלוק של 16 טון) באמצעות יחידת תדלוק LNG, הכוללת מחליף חום, מסננים, שסתומי סגירה ומכשירי מדידה. לאחר סיום מילוי המיכלים, התקררו וממלאו קווי הספסל לאספקת רכיבי דלק למנוע.
המנוע התניע ורץ כרגיל. השינויים במשטר התרחשו בהתאם להשפעות מערכת הבקרה. מ- 1100 שניות, הטמפרטורה של גז גנרטור הגז עלתה ללא הרף, וכתוצאה מכך התקבלה החלטה על עצירת המנוע. הכיבוי בוצע בפקודה תוך 1160 שניות ללא כל הערות. הסיבה לעליית הטמפרטורה הייתה דליפה של סעפת השקע של נתיב הקירור של תא הבעירה שהתעוררה במהלך הבדיקה - סדק בתפר הריתוך של פיית התהליך הסתומה המותקן על הסעפת.
ניתוח תוצאות בדיקת האש שנערכה אפשר להסיק:
- בתהליך הפעולה, פרמטרי המנוע היו יציבים במצבים עם שילובים שונים של היחס בין צריכת רכיבי הדלק (2.42 ל -1 - 3.03 ל -1) והדחף (6311 - 7340 קג מ);
-אישר את היעדר תצורות פאזה מוצקה בנתיב הגז והיעדר מצבורי קולה בנתיב הנוזל של המנוע;
- נתוני הניסוי הדרושים התקבלו לצורך חידוד שיטת החישוב לקירור תא הבעירה בעת שימוש ב- LNG כמקרר;
- נחקרה הדינמיקה של יציאת תעלת הקירור של תא הבעירה למשטר התרמי במצב יציב;
-אישר את נכונות הפתרונות הטכניים כדי להבטיח אתחול, בקרה, רגולציה ודברים אחרים, תוך התחשבות בייחודיות ה- LNG;
-C5.86 מפותחת עם דחף של 7.5 tf יכולה לשמש (לבד או בשילוב) כמנוע הנעה בשלבים עליונים מבטיחים ובשלבים עליונים של רכבי שיגור;
- התוצאות החיוביות של בדיקות ירי אישרו את הכדאיות של ניסויים נוספים ליצירת מנוע הפועל על דלק ZhK + LNG.
בבדיקת האש הבאה בשנת 2011 הופעל המנוע פעמיים. לפני הכיבוי הראשון, המנוע פעל במשך 162 שניות. בהפעלה השנייה, שבוצעה כדי לאשר את היעדר היווצרות פאזה מוצקה בנתיב הגז והפקדות קולה במסלול הנוזלים, הושג משך זמן שיא של מנוע בממד זה עם התחלה אחת - 2007 שניות, כמו גם האפשרות של חנק דחיפה אושרה. הבדיקה הופסקה בשל הידלדלות מרכיבי הדלק. זמן ההפעלה הכולל של מופע מנוע זה היה 3389 שניות (ארבע התחלות). זיהוי הפגמים שבוצע אישר את היעדר פאזה מוצקה ויצירת קולה בנתיבי המנוע.
קבוצה של עבודות תיאורטיות וניסיוניות עם C5.86 מס '2 אישרה:
- האפשרות הבסיסית ליצור מנוע במימד הנדרש על זוג הדלקים של רכיבי "ZhK + LNG" עם שריפת גז המחולל המצמצם, המבטיח שמירה על מאפיינים יציבים והיעדר מעשי של שלב מוצק ב נתיבי גז ופקדונות קולה בנתיבי הנוזל של המנוע;
-אפשרות הפעלה עצירה מרובה של המנוע;
-האפשרות להפעלה ארוכת טווח של המנוע;
-נכונות הפתרונות הטכניים שאומצו להבטיח הפעלה, בקרה, רגולציה מרובים, תוך התחשבות בתכונות LNG והגנה על חירום;
-יכולות ה- NIC RCP עומדות לבדיקות ארוכות טווח.
כמו כן, בשיתוף עם NRC RCP, פותחה טכנולוגיה להובלה, תדלוק ותרמוסטציה של המוני LNG גדולים ופותחו פתרונות טכנולוגיים החלים למעשה על הליך תדלוק מוצרי טיסה.
LNG - הדרך לטיסות רב פעמיות
בשל העובדה כי הרכיבים והמכלולים של מנוע ההפגנה C5.86 מס '2 עקב מימון מוגבל לא הופעלו במידה הנכונה, לא ניתן היה לפתור באופן מלא מספר בעיות, כולל:
הבהרת התכונות התרמופיזיות של LNG כנוזל קירור;
קבלת נתונים נוספים לבדיקת התכנסות המאפיינים של היחידות העיקריות בעת הדמיה על מים והפעלה על LNG;
אימות ניסיוני של ההשפעה האפשרית של הרכב הגז הטבעי על מאפייני היחידות העיקריות, כולל נתיבי הקירור של תא הבעירה ומחולל הגז;
קביעת המאפיינים של מנועי הרקטה המניעים נוזלים במגוון רחב יותר של שינויים במצבי הפעלה ובפרמטרים בסיסיים הן בהתחלות בודדות והן מרובות;
ייעול תהליכים דינאמיים בעת ההפעלה.
כדי לפתור בעיות אלה, KB Khimmash ייצר מנוע C5.86A מס '2A משודרג, שיחידת משאבת הטורבו שלו הייתה מצוידת לראשונה בטורבינה מתחילה, טורבינה ראשית משודרגת ומשאבת דלק. מסלול הקירור של תא הבעירה שודר וחדשה את מחט המצערת של יחס הדלק.
בדיקת אש של המנוע בוצעה ב -13 בספטמבר 2013 (תכולת מתאן ב- LNG - 94.6%). תוכנית הבדיקה סיפקה שלושה מתגים באורך כולל של 1500 שניות (1300 + 100 + 100). ההפעלה והפעלת המנוע במצב נמשכה כרגיל, אך תוך 532 שניות מערכת ההגנה לחירום יצרה פקודת כיבוי חירום. הסיבה לתאונה הייתה חדירת חלקיק מתכת זר לנתיב הזרימה של משאבת החמצון.
למרות התאונה, C5.86A מס '2A עבד די הרבה זמן. לראשונה הושק מנוע המיועד לשימוש במסגרת שלב רקטות הדורש הזנקות מרובות, בהתאם לתוכנית המיושמת באמצעות מצבר לחץ נטען על הסיפון. התקבל מצב הפעלה יציב עבור מצב דחף נתון והמקסימום של היחס שהתממש בעבר של צריכת רכיבי הדלק. נקבעו עתודות אפשריות להגברת הדחף והגדלת היחס בין צריכת רכיבי הדלק.
כעת KB Khimmash משלימה ייצור עותק חדש של C5.86 לבדיקת המשאב המרבי האפשרי מבחינת זמן ההפעלה ומספר ההתחלות. הוא אמור להפוך לאב טיפוס של מנוע אמיתי בדלק ZhK + LNG, שייתן איכות חדשה לשלבים העליונים של רכבי השיגור ויפיח חיים במערכות הובלה רב פעמיות. בעזרתם יתפנה מקום לא רק לחוקרים וממציאים, אלא, אולי, רק למטיילים.
