Dunia roket dan angkasa di persimpangan jalan: tren global memerlukan kos yang lebih rendah dan peningkatan keselamatan persekitaran perkhidmatan angkasa. Pereka harus mencipta enjin roket propelan cecair (LPRE) baru menggunakan bahan bakar mesra alam, menggantikan hidrogen cair yang mahal dan berintensifkan tenaga dengan gas asli cecair (LNG) dengan kandungan metana 90-98 peratus. Bahan bakar ini, ditambah dengan oksigen cair, memungkinkan untuk membuat enjin baru yang sangat efisien dan murah dengan penggunaan maksimum elemen reka bentuk, bahan, teknologi dan tunggakan pengeluaran yang sudah ada.
LNG tidak beracun, dan apabila dibakar dalam oksigen, wap air dan karbon dioksida terbentuk. Tidak seperti minyak tanah, yang banyak digunakan dalam roket, tumpahan LNG menguap dengan cepat tanpa membahayakan alam sekitar.
Ujian pertama
Suhu pencucuhan gas asli dengan udara dan had bawah kepekatan letupannya lebih tinggi daripada wap hidrogen dan minyak tanah; oleh itu, di kawasan berkepekatan rendah, jika dibandingkan dengan bahan bakar hidrokarbon yang lain, ia kurang mudah meletup.
Secara umum, operasi LNG sebagai bahan bakar roket tidak memerlukan langkah pencegahan kebakaran dan letupan tambahan yang belum pernah digunakan sebelumnya.
Ketumpatan LNG adalah enam kali ganda hidrogen cair, tetapi separuh daripada minyak tanah. Ketumpatan yang lebih rendah membawa kepada peningkatan yang sesuai dalam ukuran tangki LNG berbanding dengan tangki minyak tanah. Walau bagaimanapun, dengan mengambil kira nisbah pengoksidaan dan penggunaan bahan bakar yang lebih tinggi (kira-kira 3.5 hingga 1 untuk oksigen cair (LC) + bahan bakar LNG dan 2.7 hingga 1 untuk bahan bakar minyak tanah ZhK +), jumlah keseluruhan bahan bakar ZhK + pengisian bahan bakar LNG meningkat hanya sebanyak 20 peratus. Dengan mengambil kira kesan pengerasan kriogenik bahan, serta kemungkinan menggabungkan bahagian bawah tangki LC dan LNG, pemberat tangki bahan bakar akan agak kecil.
Dan akhirnya, pengeluaran dan pengangkutan LNG telah lama dikuasai.
Biro Reka Bentuk Kejuruteraan Kimia (KB Khimmash) yang diberi nama AM Isaev di Korolev, Wilayah Moscow, mulai bekerja (ternyata, berlangsung selama bertahun-tahun kerana pendanaan yang sangat sedikit) mengenai pengembangan bahan bakar ZhK + LNG pada tahun 1994, ketika rancangan - kajian reka bentuk dan keputusan dibuat untuk membuat enjin baru menggunakan asas skematik dan struktur HPC1 oksigen-hidrogen yang ada dengan tujahan 7.5 tf, berjaya dikendalikan sebagai bagian dari tahap atas (Cryogenic Upper Stage) 12KRB kenderaan pelancaran India GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
Pada tahun 1996, ujian pembakaran autonomi penjana gas menggunakan cecair cair dan gas asli sebagai komponen bahan bakar telah dijalankan, yang bertujuan terutamanya untuk memeriksa mod permulaan dan operasi yang stabil - 13 kemasukan mengesahkan kebolehoperasian penjana gas dan memberikan hasil yang digunakan dalam pengembangan generator gas pemulihan yang beroperasi pada skema terbuka dan tertutup.
Pada bulan Ogos-September 1997, Biro Reka Bentuk Khimmash melakukan ujian kebakaran pada unit kemudi enjin KVD1 (juga menggunakan gas asli dan bukan hidrogen), di mana ruang yang terpesong dalam dua pesawat pada sudut ± 39.5 darjah digabungkan dalam struktur tunggal (tujahan - 200 kgf, tekanan ruang - 40 kg / cm2), injap mula dan berhenti, sistem pencucuhan piroteknik dan pemacu elektrik - satu unit stereng KVD1 standard melepasi enam permulaan dengan jumlah masa operasi lebih dari 450 saat dan ruang tekanan dalam lingkungan 42–36 kg / cm2. Hasil ujian mengesahkan kemungkinan membuat ruang kecil menggunakan gas asli sebagai penyejuk.
Pada bulan Ogos 1997, KB Khimmash memulakan pengujian mesin litar tertutup bersaiz penuh dengan tujahan 7.5 tf pada bahan bakar ZhK + LNG. Dasar pembuatannya adalah mesin KVD1 yang diubah suai dari litar tertutup dengan pembakaran gas penjana gas dan menyejukkan ruang dengan bahan bakar.
Pam pengoksidaan piawai KVD1 telah diubah: diameter pendesak pam dinaikkan untuk memastikan nisbah kepala pam pengoksidaan dan bahan bakar yang diperlukan. Juga, penalaan hidraulik pada garis enjin dibetulkan untuk memastikan nisbah komponen yang dikira.
Penggunaan mesin prototaip, yang sebelumnya telah melewati siklus ujian penembakan pada bahan bakar hidrogen cair LCD +, memberikan pengurangan maksimum dalam biaya penyelidikan.
Ujian sejuk memungkinkan untuk membuat kaedah penyediaan mesin dan pendirian untuk kerja panas dari segi memastikan parameter LNG yang diperlukan di tangki bangku, menyejukkan saluran pengoksidaan dan bahan bakar ke suhu yang menjamin operasi pam yang boleh dipercayai semasa tempoh permulaan dan permulaan enjin yang stabil dan stabil.
Ujian kebakaran pertama mesin itu berlaku pada 22 Ogos 1997 di tempat perniagaan, yang hari ini disebut sebagai Pusat Uji Ilmiah Industri Roket dan Angkasa (SRC RCP). Dalam latihan KB Khimmash, ujian ini adalah pengalaman pertama menggunakan LNG sebagai bahan bakar untuk enjin litar tertutup bersaiz penuh.
Objektif ujian ini adalah untuk mendapatkan hasil yang berjaya kerana beberapa pengurangan parameter dan fasilitasi keadaan operasi mesin.
Kontrol untuk mencapai mod dan beroperasi dalam mode dilakukan dengan menggunakan throttle Controller dan nisbah penggunaan komponen bahan bakar menggunakan algoritma HPC1, dengan mempertimbangkan interaksi saluran kontrol.
Program ujian menembak pertama enjin litar tertutup telah selesai sepenuhnya. Enjin berjalan untuk masa yang ditentukan, tidak ada komen mengenai keadaan bahagian material.
Hasil ujian mengesahkan kemungkinan mendasar menggunakan LNG sebagai bahan bakar dalam unit mesin oksigen-hidrogen.
Terdapat banyak gas - tidak ada kok
Selanjutnya, pengujian dilanjutkan dengan tujuan kajian yang lebih mendalam mengenai proses yang berkaitan dengan penggunaan LNG, memeriksa pengoperasian unit mesin dalam kondisi aplikasi yang lebih luas, dan mengoptimumkan penyelesaian reka bentuk.
Secara keseluruhan, dari tahun 1997 hingga 2005, lima ujian penembakan dua salinan enjin KVD1, disesuaikan untuk penggunaan bahan bakar ZhK + LNG, berlangsung dari 17 hingga 60 saat, kandungan metana dalam LNG - dari 89.3 hingga 99.5 peratus, berlaku.
Secara keseluruhan, hasil ujian ini memungkinkan untuk menentukan prinsip-prinsip dasar pengembangan mesin dan unitnya ketika menggunakan bahan bakar "ZhK + LNG" dan untuk melanjutkan pada tahun 2006 ke tahap penelitian berikutnya yang melibatkan pengembangan, pembuatan dan pengujian enjin C5.86. Ruang pembakaran, penjana gas, unit turbopump dan pengatur yang terakhir dibuat secara struktur dan parametrik khusus untuk operasi pada bahan bakar ZhK + LNG.
Menjelang tahun 2009, dua ujian kebakaran enjin C5.86 dengan durasi 68 dan 60 saat dilakukan dengan kandungan metana dalam LNG 97, 9 dan 97, 7 peratus.
Hasil positif diperoleh semasa menghidupkan dan menghentikan enjin pendorong cecair, beroperasi pada mod keadaan tetap dari segi tujahan dan nisbah komponen bahan bakar (sesuai dengan tindakan pengendalian). Tetapi salah satu tugas utama - pengesahan eksperimental tentang tidak adanya pengumpulan fasa pepejal di laluan penyejukan ruang (kok) dan di jalur gas (jelaga) dengan cukup lama menghidupkan - tidak dapat dilaksanakan kerana jumlah yang terhad tangki LNG bangku (jangka masa maksimum maksimum ialah 68 saat). Oleh itu, pada tahun 2010, keputusan dibuat untuk melengkapkan dudukan untuk menjalankan ujian tembakan dengan durasi sekurang-kurangnya 1000 saat.
Sebagai tempat kerja baru, bangku uji NRC RCP digunakan untuk menguji enjin roket pendorong cecair-oksigen-hidrogen, yang memiliki kapasitas volume yang sesuai. Sebagai persediaan untuk ujian, pengalaman penting yang diperoleh sebelumnya dalam tujuh ujian kebakaran telah diambil kira. Dalam periode dari bulan Jun hingga September 2010, sistem bangku hidrogen cair disempurnakan untuk penggunaan LNG, mesin C5.86 No. 2 dipasang di bangku, ujian komprehensif pengukuran, kawalan, sistem perlindungan kecemasan, dan pengaturan rasio penggunaan bahan bakar dan tekanan di ruang pembakaran dilakukan.
Tangki tangki diisi dengan bahan bakar dari tangki pengangkutan tangki pengisian bahan bakar (isipadu - 56,4 m3 dengan pengisian bahan bakar 16 tan) menggunakan unit pengisian bahan bakar LNG, termasuk penukar panas, penapis, injap tutup, dan alat ukur. Setelah pengisian tangki selesai, saluran bangku untuk membekalkan komponen bahan bakar ke mesin disejukkan dan diisi.
Enjin menyala dan berjalan seperti biasa. Perubahan dalam rejim itu berlaku sesuai dengan pengaruh sistem kawalan. Dari 1100 saat, suhu gas penjana gas terus meningkat, akibatnya keputusan dibuat untuk menghentikan mesin. Penutupan berlaku berdasarkan perintah pada 1160 saat tanpa sebarang komen. Sebab kenaikan suhu adalah kebocoran manifold saluran keluar dari saluran penyejukan ruang pembakaran yang timbul semasa ujian - keretakan pada jahitan kimpalan muncung proses terpasang yang dipasang pada manifold.
Analisis keputusan ujian kebakaran yang dilakukan memungkinkan untuk menyimpulkan:
- dalam proses operasi, parameter mesin stabil dalam mod dengan berbagai kombinasi nisbah penggunaan komponen bahan bakar (2.42 hingga 1 - 3.03 hingga 1) dan tujahan (6311 - 7340 kgf);
-memastikan ketiadaan formasi fasa pepejal di laluan gas dan ketiadaan deposit kok dalam laluan cecair enjin;
- data eksperimen yang diperlukan diperoleh untuk menyempurnakan kaedah pengiraan untuk penyejukan ruang pembakaran ketika menggunakan LNG sebagai penyejuk;
- dinamika keluarnya saluran penyejukan ruang pembakaran ke keadaan terma keadaan stabil telah dikaji;
-memastikan kebenaran penyelesaian teknikal untuk memastikan permulaan, kawalan, peraturan dan perkara lain, dengan mengambil kira keunikan LNG;
- C5.86 yang dikembangkan dengan tujahan 7.5 tf dapat digunakan (bersendirian atau dalam kombinasi) sebagai mesin pendorong dalam tahap pelancaran dan tahap atas kenderaan pelancaran yang menjanjikan;
- hasil positif ujian menembak mengesahkan kemungkinan eksperimen lebih lanjut untuk membuat enjin yang menggunakan bahan bakar ZhK + LNG.
Pada ujian kebakaran berikutnya pada tahun 2011, mesin dihidupkan dua kali. Sebelum pemadaman pertama, enjin berjalan selama 162 saat. Pada permulaan kedua, dilakukan untuk mengesahkan tidak adanya pembentukan fasa pepejal di laluan gas dan deposit kok dalam jalur cecair, tempoh operasi operasi enjin dimensi ini dengan satu permulaan - 2007 saat dicapai, serta kemungkinan pendorong tujahan telah disahkan. Ujian tersebut dihentikan kerana kekurangan komponen bahan bakar. Jumlah masa operasi mesin ini adalah 3389 saat (empat permulaan). Pengesanan kecacatan yang dilakukan mengesahkan tidak adanya fasa pepejal dan pembentukan kok dalam laluan enjin.
Satu set karya teori dan eksperimen dengan C5.86 No. 2 disahkan:
- kemungkinan asas untuk membuat enjin dimensi yang diperlukan pada pasangan bahan bakar komponen "ZhK + LNG" dengan sesudahnya gas penjana pengurangan, yang memastikan pemeliharaan ciri stabil dan ketiadaan praktikal fasa padat di laluan gas dan simpanan kok dalam laluan cecair enjin;
-kemungkinan berganda menghidupkan dan mematikan enjin;
-kemungkinan operasi jangka panjang enjin;
-kebaikan penyelesaian teknikal yang diguna pakai untuk memastikan pelbagai permulaan, kawalan, peraturan, dengan mengambil kira ciri LNG dan perlindungan kecemasan;
-Keupayaan NIC RCP bermaksud ujian jangka panjang.
Juga, bekerjasama dengan NRC RCP, sebuah teknologi untuk pengangkutan, pengisian bahan bakar dan termostat sejumlah besar LNG telah dikembangkan dan penyelesaian teknologi telah dikembangkan yang praktis berlaku untuk prosedur pengisian bahan bakar produk penerbangan.
LNG - jalan menuju penerbangan yang boleh digunakan semula
Oleh kerana komponen dan pemasangan mesin demonstran C5.86 No. 2 kerana pendanaan yang terhad tidak dioptimumkan pada tahap yang tepat, tidak mungkin menyelesaikan sepenuhnya sejumlah masalah, termasuk:
penjelasan mengenai sifat termofizik LNG sebagai penyejuk;
memperoleh data tambahan untuk memeriksa penumpuan ciri-ciri unit utama semasa mensimulasikan air dan beroperasi di LNG;
pengesahan eksperimen mengenai kemungkinan pengaruh komposisi gas asli pada ciri-ciri unit utama, termasuk laluan penyejukan ruang pembakaran dan penjana gas;
penentuan ciri-ciri enjin roket propelan cecair dalam perubahan yang lebih luas dalam mod operasi dan parameter asas baik dengan permulaan tunggal dan berganda;
pengoptimuman proses dinamik semasa permulaan.
Untuk menyelesaikan masalah ini, KB Khimmash mengeluarkan enjin C5.86A No. 2A yang dinaik taraf, unit pam turbo yang pertama kalinya dilengkapi dengan turbin permulaan, turbin utama yang ditingkatkan dan pam bahan bakar. Jalur penyejukan ruang pembakaran telah dimodenkan dan jarum pendikit nisbah bahan api telah dirancang semula.
Ujian kebakaran mesin dilakukan pada 13 September 2013 (kandungan metana dalam LNG - 94.6%). Program ujian disediakan untuk tiga suis dengan durasi total 1500 saat (1300 + 100 + 100). Permulaan dan pengoperasian mesin dalam mod berjalan normal, tetapi pada 532 saat sistem perlindungan kecemasan menghasilkan perintah penutupan kecemasan. Punca kemalangan adalah masuknya zarah logam asing ke jalan aliran pam pengoksidaan.
Walaupun berlaku kemalangan, C5.86A No. 2A bekerja dalam jangka masa yang cukup lama. Untuk pertama kalinya, mesin dilancarkan, dimaksudkan untuk digunakan sebagai bagian dari tahap roket, yang memerlukan banyak start-up, sesuai dengan skema yang dilaksanakan menggunakan penumpuk tekanan yang dapat diisi ulang di atas kapal. Mod operasi stabil diperoleh untuk mod tujahan tertentu dan maksimum nisbah penggunaan komponen bahan api yang telah disedari sebelumnya. Kemungkinan cadangan untuk meningkatkan daya tuju dan meningkatkan nisbah penggunaan komponen bahan bakar telah ditentukan.
Sekarang KB Khimmash sedang menyelesaikan pembuatan salinan baru C5.86 untuk menguji sumber maksimum yang mungkin dari segi masa operasi dan jumlah permulaan. Ini harus menjadi prototaip enjin sebenar pada bahan bakar ZhK + LNG, yang akan memberikan kualiti baru ke tahap atas kenderaan pelancaran dan menghidupkan sistem pengangkutan yang dapat digunakan kembali. Dengan bantuan mereka, ruang akan tersedia bukan hanya untuk penyelidik dan pencipta, tetapi, mungkin, hanya untuk pelancong.
