LNG cho LRE
Nhiên liệu đốt bếp từ rất hiệu quả đối với động cơ tên lửa.
Thế giới tên lửa và không gian đang ở ngã ba đường: xu hướng toàn cầu đòi hỏi phải giảm chi phí và tăng cường an toàn môi trường của các dịch vụ vũ trụ. Các nhà thiết kế phải phát minh ra động cơ tên lửa đẩy chất lỏng (LRE) mới sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường, thay thế hydro lỏng đắt tiền, cực kỳ tiêu tốn năng lượng bằng khí tự nhiên hóa lỏng giá rẻ (LNG) với hàm lượng mêtan từ 90-98%. Loại nhiên liệu này kết hợp với oxy lỏng có thể tạo ra động cơ mới hiệu quả cao và rẻ tiền với việc sử dụng tối đa các yếu tố tồn đọng về thiết kế, vật liệu, công nghệ và sản xuất hiện có.
LNG không độc, khi nó được đốt cháy trong oxy, hơi nước và carbon dioxide được hình thành. Không giống như dầu hỏa, được sử dụng rộng rãi trong công nghệ tên lửa, LNG tràn nhanh chóng bay hơi mà không gây hại cho môi trường.
Các bài kiểm tra đầu tiên
Nhiệt độ bốc cháy của khí thiên nhiên với không khí và giới hạn dưới của nồng độ nổ của nó cao hơn nhiệt độ cháy của hơi hydro và dầu hỏa, do đó, ở vùng có nồng độ thấp, so với các nhiên liệu hydrocacbon khác, nó ít nổ hơn.
Nhìn chung, hoạt động của LNG làm nhiên liệu cho tên lửa không yêu cầu thêm bất kỳ biện pháp phòng chống cháy nổ nào mà trước đây chưa được sử dụng.
Tỷ trọng của LNG cao gấp sáu lần so với hydro lỏng, nhưng một nửa so với dầu hỏa. Mật độ thấp hơn dẫn đến kích thước của bể chứa LNG tăng tương ứng so với bể chứa dầu hỏa. Tuy nhiên, nếu tính đến tỷ lệ chất ôxy hóa và mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn (khoảng 3,5-1 đối với ôxy lỏng (LC) + nhiên liệu LNG và 2,7-1 đối với nhiên liệu LOC + dầu hỏa), tổng khối lượng nhiên liệu được nạp LNG ”chỉ tăng 20 Có tính đến ảnh hưởng của việc đông cứng vật liệu, cũng như khả năng kết hợp đáy của các bồn chứa LNG và LNG, trọng lượng của các bồn chứa nhiên liệu sẽ tương đối nhỏ.
Và, cuối cùng, việc sản xuất và vận chuyển LNG từ lâu đã được làm chủ.
Cục Thiết kế Kỹ thuật Hóa học (KB Khimmash) được đặt theo tên của A. M. Isaev ở Korolev, gần Moscow, đã bắt đầu công việc (hóa ra là kéo dài nhiều năm do kinh phí rất khan hiếm) để phát triển nhiên liệu ZhK + LNG vào năm 1994, khi thiết kế - thiết kế. nghiên cứu và quyết định tạo ra một động cơ mới sử dụng sơ đồ và cơ sở cấu trúc của oxy-hydro HPC1 hiện có với lực đẩy 7,5 tf, vận hành thành công như một phần của giai đoạn trên (Cryogenic Upper Stage) 12KRB của phương tiện phóng Ấn Độ GSLV MkI (Phương tiện phóng vệ tinh không đồng bộ địa lý)).
Vào năm 1996, các thử nghiệm cháy tự động của máy phát khí trên LC và khí tự nhiên làm thành phần nhiên liệu đã được thực hiện, chủ yếu nhằm mục đích kiểm tra các chế độ khởi động và hoạt động ổn định - 13 bao gồm xác nhận khả năng hoạt động của máy phát khí và đưa ra kết quả đã được sử dụng trong sự phát triển của máy phát điện khí khử hoạt động trong mạch hở và mạch kín.
Vào tháng 1997 đến tháng 1 năm 39,5, Phòng thiết kế Khimmash đã tiến hành thử lửa khối lái của động cơ KVD200 (cũng sử dụng khí tự nhiên thay vì hydro), trong đó một khoang bị lệch theo hai mặt phẳng một góc ± 40 độ (lực đẩy - 2 kgf ) được kết hợp trong một thiết kế duy nhất, áp suất trong buồng - 1 kg / cm450), van khởi động và dừng, hệ thống đánh lửa pháo hoa và truyền động điện - một đơn vị lái KVD42 tiêu chuẩn đã trải qua sáu lớp phủ với tổng thời gian hoạt động hơn 36 giây và áp suất trong buồng trong khoảng 2–XNUMX kg / cmXNUMX. Kết quả thử nghiệm khẳng định khả năng tạo ra một buồng nhỏ sử dụng khí tự nhiên làm chất làm mát.
Vào tháng 1997 năm 7,5, Phòng thiết kế Khimmash bắt đầu thử nghiệm một động cơ mạch kín kích thước đầy đủ với lực đẩy 1 tf sử dụng nhiên liệu ZhK + LNG. Cơ sở cho việc chế tạo là một động cơ KVDXNUMX mạch kín đã được cải tiến với việc đốt cháy khí của máy tạo khí khử và làm mát buồng bằng nhiên liệu.
Bơm oxy hóa tiêu chuẩn KVD1 đã được sửa đổi: đường kính của cánh bơm đã được tăng lên để cung cấp tỷ lệ áp suất cần thiết của bơm oxy hóa và nhiên liệu. Ngoài ra, việc điều chỉnh thủy lực của các dòng động cơ đã được điều chỉnh để đảm bảo tỷ lệ tính toán của các thành phần.
Việc sử dụng động cơ nguyên mẫu, trước đó đã vượt qua một chu kỳ thử nghiệm lửa trên nhiên liệu "LC + hydro lỏng", đảm bảo giảm tối đa chi phí của nghiên cứu.
Các thử nghiệm lạnh giúp tìm ra phương pháp chuẩn bị động cơ và chế độ làm việc nóng trong điều kiện đảm bảo các thông số yêu cầu của LNG trong các bồn chứa đứng, làm mát chất oxy hóa và đường nhiên liệu đến nhiệt độ đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của máy bơm trong quá trình thời kỳ khởi động và khởi động động cơ ổn định và bền bỉ.
Cuộc thử lửa đầu tiên của động cơ diễn ra vào ngày 22 tháng 1997 năm XNUMX tại chân đế của xí nghiệp, mà ngày nay được gọi là Trung tâm Nghiên cứu và Thử nghiệm của Công nghiệp Tên lửa và Vũ trụ (SIC RCP). Theo thực tiễn của Phòng thiết kế Khimmash, những thử nghiệm này là trải nghiệm đầu tiên về việc sử dụng LNG làm nhiên liệu cho động cơ mạch kín kích thước đầy đủ.
Mục tiêu của thử nghiệm là thu được kết quả thành công do giảm một số thông số và để động cơ vận hành thuận lợi.
Việc kiểm soát đầu ra đối với chế độ và hoạt động trong chế độ được thực hiện bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh lực đẩy và tỷ lệ tiêu thụ các thành phần nhiên liệu bằng cách sử dụng các thuật toán HPC1, có tính đến ảnh hưởng lẫn nhau của các kênh điều khiển.
Chương trình bắn thử động cơ mạch kín đầu tiên đã được hoàn thành toàn bộ. Động cơ hoạt động trong thời gian quy định, không có nhận xét nào về trạng thái của bộ phận vật liệu.
Kết quả thử nghiệm đã xác nhận khả năng cơ bản của việc sử dụng LNG làm nhiên liệu trong các đơn vị động cơ oxy-hydro.
Nhiều khí - không có than cốc
Sau đó, các bài kiểm tra được tiếp tục với mục đích nghiên cứu sâu hơn về các quy trình liên quan đến việc sử dụng LNG, kiểm tra hoạt động của các đơn vị động cơ trong các điều kiện ứng dụng rộng rãi hơn và tối ưu hóa các giải pháp thiết kế.
Tổng cộng, từ năm 1997 đến 2005, năm cuộc thử lửa của hai bản sao của động cơ KVD1, được điều chỉnh để sử dụng nhiên liệu ZhK + LNG, đã diễn ra, kéo dài từ 17 đến 60 giây, hàm lượng mêtan trong LNG từ 89,3 đến 99,5 phần trăm.
Nhìn chung, kết quả của các thử nghiệm này giúp xác định các nguyên tắc cơ bản để phát triển động cơ và các tổ máy sử dụng nhiên liệu ZhK + CNG và chuyển sang giai đoạn nghiên cứu tiếp theo vào năm 2006, bao gồm phát triển, chế tạo và thử nghiệm. của động cơ C5.86. Buồng đốt, bộ tạo khí, bộ phận phản lực tuốc bin và các bộ điều khiển của buồng đốt sau được chế tạo theo cấu trúc và tham số đặc biệt để vận hành trên nhiên liệu "LC + LNG".
Đến năm 2009, hai cuộc thử lửa của động cơ C5.86 đã được thực hiện với thời lượng 68 và 60 giây với hàm lượng mêtan trong LNG là 97,9 và 97,7 phần trăm.
Kết quả tích cực thu được khi khởi động và tắt LRE, hoạt động trong điều kiện trạng thái ổn định về lực đẩy và tỷ lệ thành phần nhiên liệu (phù hợp với các hành động điều khiển). Nhưng một trong những nhiệm vụ chính - xác minh thực nghiệm về sự không tích tụ pha rắn trong đường dẫn làm mát buồng (than cốc) và trong đường dẫn khí (bồ hóng) khi bật đủ thời gian - không thể thực hiện được do khối lượng hạn chế của tủ LNG xe tăng (thời gian chuyển đổi tối đa là 68 giây).). Vì vậy, vào năm 2010, người ta đã quyết định trang bị giá đỡ cho các cuộc thử lửa với thời lượng ít nhất 1000 giây.
Là nơi làm việc mới, người ta đã sử dụng trụ sở của Trung tâm Nghiên cứu của Đảng Cộng sản Nga để thử nghiệm động cơ tên lửa đẩy chất lỏng oxy-hydro, có các thùng chứa có thể tích thích hợp. Để chuẩn bị cho cuộc thử nghiệm, kinh nghiệm đáng kể đã được tính đến, vốn đã có được trước đó trong bảy lần thử nghiệm bắn. Trong giai đoạn từ tháng 2010 đến tháng 5.86 năm 2, các hệ thống hydro lỏng trên bàn được hoàn thiện để sử dụng LNG, động cơ CXNUMX số XNUMX được lắp đặt trên băng, kiểm tra toàn diện các hệ thống đo lường, điều khiển, bảo vệ khẩn cấp, quy định tỷ lệ của thành phần nhiên liệu và áp suất trong buồng đốt được thực hiện.
Các thùng thử nghiệm được đổ đầy nhiên liệu từ thùng vận chuyển của tàu chở dầu (thể tích - 56,4 m3 với 16 tấn tiếp nhiên liệu) sử dụng bộ nạp LNG, bao gồm bộ trao đổi nhiệt, bộ lọc, van và dụng cụ đo lường. Sau khi hoàn thành việc đổ đầy các thùng chứa, các đường băng để cung cấp các thành phần nhiên liệu cho động cơ được làm mát và đổ đầy.
Động cơ nổ máy và chạy bình thường. Các thay đổi chế độ xảy ra phù hợp với ảnh hưởng của hệ thống kiểm soát. Bắt đầu từ 1100 giây, nhiệt độ của khí tạo khí không ngừng tăng lên, do đó quyết định dừng động cơ được đưa ra. Việc tắt máy diễn ra theo lệnh ở giây thứ 1160 mà không có bình luận. Lý do cho sự gia tăng nhiệt độ là sự rò rỉ của ống góp đầu ra của đường dẫn làm mát buồng đốt xảy ra trong quá trình thử nghiệm - một vết nứt trên mối hàn của một phụ kiện quy trình được cắm trên ống góp.
Phân tích các kết quả của cuộc kiểm tra lửa có thể đưa ra kết luận:
- Trong quá trình vận hành, các thông số động cơ ổn định ở các chế độ với nhiều tổ hợp tỷ lệ giữa tiêu hao các thành phần nhiên liệu (2,42 - 1 - 3,03 - 1) và lực đẩy (6311 - 7340 kgf);
- xác nhận sự vắng mặt của pha rắn trong đường dẫn khí và không có cặn than cốc trong đường dẫn chất lỏng của động cơ;
- thu được các dữ liệu thực nghiệm cần thiết để hoàn thiện phương pháp tính toán làm mát buồng đốt khi sử dụng LNG làm chất làm mát;
- động lực học của lối ra đường làm mát của buồng đốt đến chế độ nhiệt ổn định đã được nghiên cứu;
-Khẳng định tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật để đảm bảo việc khởi động, kiểm soát, điều tiết và những thứ khác, có tính đến các đặc tính của LNG;
- C5.86 đang được phát triển với lực đẩy 7,5 tf có thể được sử dụng (một mình hoặc kết hợp) làm động cơ duy trì trong các giai đoạn trên nâng cao và các giai đoạn trên của phương tiện phóng;
-Kết quả dương tính của các thử nghiệm cháy đã khẳng định tính khả thi của các thí nghiệm tiếp theo về việc tạo ra động cơ chạy bằng nhiên liệu ZhK + LNG.
Trong lần thử lửa tiếp theo vào năm 2011, động cơ đã được bật hai lần. Trước lần tắt máy đầu tiên, động cơ đã chạy trong 162 giây. Ở lần khởi động thứ hai, được thực hiện để xác nhận sự không hình thành pha rắn trong đường dẫn khí và than cốc lắng đọng trong đường dẫn chất lỏng, thời gian hoạt động kỷ lục của động cơ có kích thước này với một lần khởi động duy nhất đã đạt được - 2007 giây, và khả năng điều chỉnh lực đẩy cũng đã được xác nhận. Thử nghiệm đã bị kết thúc do sự phát triển của các thành phần nhiên liệu. Tổng thời gian hoạt động của phiên bản động cơ này là 3389 giây (bốn bao gồm). Việc kiểm tra được thực hiện đã xác nhận rằng không có sự hình thành của pha rắn và than cốc trong ống dẫn động cơ.
Tổ hợp các công trình tính toán-lý thuyết và thực nghiệm với C5.86 số 2 đã khẳng định:
- khả năng cơ bản để tạo ra một động cơ có kích thước yêu cầu trên cặp nhiên liệu của các thành phần "LC + LNG" với quá trình đốt cháy khí của máy phát khử, đảm bảo duy trì các đặc tính ổn định và thực tế không có pha rắn trong đường dẫn khí và than cốc lắng đọng trong đường dẫn chất lỏng của động cơ;
- khả năng khởi động và dừng động cơ nhiều lần;
- khả năng hoạt động lâu dài của động cơ;
- tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật đã được thông qua để đảm bảo nhiều hoạt động khởi động, kiểm soát, điều tiết, có tính đến các đặc tính của LNG và bảo vệ khẩn cấp;
-Khả năng của SIC RCP đứng để thử nghiệm lâu dài.
Ngoài ra, cùng với Trung tâm Nghiên cứu của RCP, một công nghệ đã được phát triển để vận chuyển, tiếp nhiên liệu và kiểm soát nhiệt độ của khối lượng lớn LNG và các giải pháp công nghệ đã được phát triển để áp dụng thực tế cho quy trình tiếp nhiên liệu cho các sản phẩm bay.
LNG - con đường dẫn đến các chuyến bay có thể tái sử dụng
Do các thành phần và cụm lắp ráp của động cơ trình diễn C5.86 số 2 không được tối ưu hóa với số lượng thích hợp do kinh phí hạn hẹp nên không thể giải quyết đầy đủ một số nhiệm vụ, bao gồm:
làm rõ các đặc tính nhiệt lý của LNG như một chất làm mát;
thu thập dữ liệu bổ sung để kiểm tra sự hội tụ của các đặc tính của các tổ máy chính trong mô phỏng trên nước và làm việc trên LNG;
thực nghiệm xác minh ảnh hưởng có thể có của thành phần khí tự nhiên đến các đặc tính của các tổ máy chính, bao gồm cả đường dẫn làm mát của buồng đốt và bộ tạo khí;
xác định các đặc tính LRE trong một loạt các chế độ hoạt động và các thông số chính cho cả một lần và nhiều lần;
tối ưu hóa các quy trình động khi khởi động.
Để giải quyết những vấn đề này, Phòng thiết kế Khimmash đã chế tạo một động cơ S5.86A số 2A hiện đại hóa, bộ phận phản lực cánh quạt lần đầu tiên được trang bị một tuabin khởi động, một tuabin chính hiện đại hóa và một máy bơm nhiên liệu. Đường dẫn làm mát buồng đốt đã được hiện đại hóa và kim bướm ga tỷ lệ nhiên liệu đã được định hình lại.
Việc thử lửa của động cơ được thực hiện vào ngày 13/2013/94,6 (hàm lượng khí mêtan trong LNG là 1500%). Chương trình thử nghiệm bao gồm ba phần với tổng thời lượng 1300 giây (100 + 100 + 532). Khởi động và hoạt động của động cơ ở chế độ bình thường, tuy nhiên, ở giây thứ XNUMX, hệ thống bảo vệ khẩn cấp tạo ra lệnh tắt khẩn cấp. Nguyên nhân của vụ tai nạn là do một hạt kim loại lạ xâm nhập vào đường dẫn dòng chảy của bơm ôxy hóa.
Dù bị tai nạn nhưng C5.86A số 2A hoạt động trong thời gian khá dài. Lần đầu tiên, một động cơ được thiết kế để sử dụng như một phần của giai đoạn tên lửa đòi hỏi nhiều lần phóng đã được phóng theo kế hoạch đã thực hiện bằng cách sử dụng bộ tích áp có thể sạc lại trên tàu. Chế độ vận hành ổn định đạt được đối với một chế độ lực đẩy nhất định và tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu tối đa đã thực hiện trước đó. Dự trữ có thể có để tăng lực đẩy và tăng tỷ lệ tiêu thụ thành phần nhiên liệu được xác định.
Giờ đây, KB Khimmash đang hoàn thành việc sản xuất một bản sao mới của C5.86 để thử nghiệm nguồn tài nguyên tối đa có thể về thời gian hoạt động và số lượng tạp chất. Nó sẽ trở thành nguyên mẫu của một động cơ thực sự chạy bằng LK + LNG, sẽ mang lại chất lượng mới cho các giai đoạn trên của các phương tiện phóng và thổi hồn vào các hệ thống vận tải có thể tái sử dụng. Với sự giúp đỡ của họ, không gian sẽ trở nên dễ tiếp cận không chỉ đối với các nhà nghiên cứu và nhà phát minh, mà có lẽ, đơn giản là đối với khách du lịch.
Thế giới tên lửa và không gian đang ở ngã ba đường: xu hướng toàn cầu đòi hỏi phải giảm chi phí và tăng cường an toàn môi trường của các dịch vụ vũ trụ. Các nhà thiết kế phải phát minh ra động cơ tên lửa đẩy chất lỏng (LRE) mới sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường, thay thế hydro lỏng đắt tiền, cực kỳ tiêu tốn năng lượng bằng khí tự nhiên hóa lỏng giá rẻ (LNG) với hàm lượng mêtan từ 90-98%. Loại nhiên liệu này kết hợp với oxy lỏng có thể tạo ra động cơ mới hiệu quả cao và rẻ tiền với việc sử dụng tối đa các yếu tố tồn đọng về thiết kế, vật liệu, công nghệ và sản xuất hiện có.
LNG không độc, khi nó được đốt cháy trong oxy, hơi nước và carbon dioxide được hình thành. Không giống như dầu hỏa, được sử dụng rộng rãi trong công nghệ tên lửa, LNG tràn nhanh chóng bay hơi mà không gây hại cho môi trường.
Các bài kiểm tra đầu tiên
Nhiệt độ bốc cháy của khí thiên nhiên với không khí và giới hạn dưới của nồng độ nổ của nó cao hơn nhiệt độ cháy của hơi hydro và dầu hỏa, do đó, ở vùng có nồng độ thấp, so với các nhiên liệu hydrocacbon khác, nó ít nổ hơn.
Nhìn chung, hoạt động của LNG làm nhiên liệu cho tên lửa không yêu cầu thêm bất kỳ biện pháp phòng chống cháy nổ nào mà trước đây chưa được sử dụng.
Tỷ trọng của LNG cao gấp sáu lần so với hydro lỏng, nhưng một nửa so với dầu hỏa. Mật độ thấp hơn dẫn đến kích thước của bể chứa LNG tăng tương ứng so với bể chứa dầu hỏa. Tuy nhiên, nếu tính đến tỷ lệ chất ôxy hóa và mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn (khoảng 3,5-1 đối với ôxy lỏng (LC) + nhiên liệu LNG và 2,7-1 đối với nhiên liệu LOC + dầu hỏa), tổng khối lượng nhiên liệu được nạp LNG ”chỉ tăng 20 Có tính đến ảnh hưởng của việc đông cứng vật liệu, cũng như khả năng kết hợp đáy của các bồn chứa LNG và LNG, trọng lượng của các bồn chứa nhiên liệu sẽ tương đối nhỏ.
Và, cuối cùng, việc sản xuất và vận chuyển LNG từ lâu đã được làm chủ.
Cục Thiết kế Kỹ thuật Hóa học (KB Khimmash) được đặt theo tên của A. M. Isaev ở Korolev, gần Moscow, đã bắt đầu công việc (hóa ra là kéo dài nhiều năm do kinh phí rất khan hiếm) để phát triển nhiên liệu ZhK + LNG vào năm 1994, khi thiết kế - thiết kế. nghiên cứu và quyết định tạo ra một động cơ mới sử dụng sơ đồ và cơ sở cấu trúc của oxy-hydro HPC1 hiện có với lực đẩy 7,5 tf, vận hành thành công như một phần của giai đoạn trên (Cryogenic Upper Stage) 12KRB của phương tiện phóng Ấn Độ GSLV MkI (Phương tiện phóng vệ tinh không đồng bộ địa lý)).
Vào năm 1996, các thử nghiệm cháy tự động của máy phát khí trên LC và khí tự nhiên làm thành phần nhiên liệu đã được thực hiện, chủ yếu nhằm mục đích kiểm tra các chế độ khởi động và hoạt động ổn định - 13 bao gồm xác nhận khả năng hoạt động của máy phát khí và đưa ra kết quả đã được sử dụng trong sự phát triển của máy phát điện khí khử hoạt động trong mạch hở và mạch kín.
Vào tháng 1997 đến tháng 1 năm 39,5, Phòng thiết kế Khimmash đã tiến hành thử lửa khối lái của động cơ KVD200 (cũng sử dụng khí tự nhiên thay vì hydro), trong đó một khoang bị lệch theo hai mặt phẳng một góc ± 40 độ (lực đẩy - 2 kgf ) được kết hợp trong một thiết kế duy nhất, áp suất trong buồng - 1 kg / cm450), van khởi động và dừng, hệ thống đánh lửa pháo hoa và truyền động điện - một đơn vị lái KVD42 tiêu chuẩn đã trải qua sáu lớp phủ với tổng thời gian hoạt động hơn 36 giây và áp suất trong buồng trong khoảng 2–XNUMX kg / cmXNUMX. Kết quả thử nghiệm khẳng định khả năng tạo ra một buồng nhỏ sử dụng khí tự nhiên làm chất làm mát.
Vào tháng 1997 năm 7,5, Phòng thiết kế Khimmash bắt đầu thử nghiệm một động cơ mạch kín kích thước đầy đủ với lực đẩy 1 tf sử dụng nhiên liệu ZhK + LNG. Cơ sở cho việc chế tạo là một động cơ KVDXNUMX mạch kín đã được cải tiến với việc đốt cháy khí của máy tạo khí khử và làm mát buồng bằng nhiên liệu.
Bơm oxy hóa tiêu chuẩn KVD1 đã được sửa đổi: đường kính của cánh bơm đã được tăng lên để cung cấp tỷ lệ áp suất cần thiết của bơm oxy hóa và nhiên liệu. Ngoài ra, việc điều chỉnh thủy lực của các dòng động cơ đã được điều chỉnh để đảm bảo tỷ lệ tính toán của các thành phần.
Việc sử dụng động cơ nguyên mẫu, trước đó đã vượt qua một chu kỳ thử nghiệm lửa trên nhiên liệu "LC + hydro lỏng", đảm bảo giảm tối đa chi phí của nghiên cứu.
Các thử nghiệm lạnh giúp tìm ra phương pháp chuẩn bị động cơ và chế độ làm việc nóng trong điều kiện đảm bảo các thông số yêu cầu của LNG trong các bồn chứa đứng, làm mát chất oxy hóa và đường nhiên liệu đến nhiệt độ đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của máy bơm trong quá trình thời kỳ khởi động và khởi động động cơ ổn định và bền bỉ.
Cuộc thử lửa đầu tiên của động cơ diễn ra vào ngày 22 tháng 1997 năm XNUMX tại chân đế của xí nghiệp, mà ngày nay được gọi là Trung tâm Nghiên cứu và Thử nghiệm của Công nghiệp Tên lửa và Vũ trụ (SIC RCP). Theo thực tiễn của Phòng thiết kế Khimmash, những thử nghiệm này là trải nghiệm đầu tiên về việc sử dụng LNG làm nhiên liệu cho động cơ mạch kín kích thước đầy đủ.
Mục tiêu của thử nghiệm là thu được kết quả thành công do giảm một số thông số và để động cơ vận hành thuận lợi.
Việc kiểm soát đầu ra đối với chế độ và hoạt động trong chế độ được thực hiện bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh lực đẩy và tỷ lệ tiêu thụ các thành phần nhiên liệu bằng cách sử dụng các thuật toán HPC1, có tính đến ảnh hưởng lẫn nhau của các kênh điều khiển.
Chương trình bắn thử động cơ mạch kín đầu tiên đã được hoàn thành toàn bộ. Động cơ hoạt động trong thời gian quy định, không có nhận xét nào về trạng thái của bộ phận vật liệu.
Kết quả thử nghiệm đã xác nhận khả năng cơ bản của việc sử dụng LNG làm nhiên liệu trong các đơn vị động cơ oxy-hydro.
Nhiều khí - không có than cốc
Sau đó, các bài kiểm tra được tiếp tục với mục đích nghiên cứu sâu hơn về các quy trình liên quan đến việc sử dụng LNG, kiểm tra hoạt động của các đơn vị động cơ trong các điều kiện ứng dụng rộng rãi hơn và tối ưu hóa các giải pháp thiết kế.
Tổng cộng, từ năm 1997 đến 2005, năm cuộc thử lửa của hai bản sao của động cơ KVD1, được điều chỉnh để sử dụng nhiên liệu ZhK + LNG, đã diễn ra, kéo dài từ 17 đến 60 giây, hàm lượng mêtan trong LNG từ 89,3 đến 99,5 phần trăm.
Nhìn chung, kết quả của các thử nghiệm này giúp xác định các nguyên tắc cơ bản để phát triển động cơ và các tổ máy sử dụng nhiên liệu ZhK + CNG và chuyển sang giai đoạn nghiên cứu tiếp theo vào năm 2006, bao gồm phát triển, chế tạo và thử nghiệm. của động cơ C5.86. Buồng đốt, bộ tạo khí, bộ phận phản lực tuốc bin và các bộ điều khiển của buồng đốt sau được chế tạo theo cấu trúc và tham số đặc biệt để vận hành trên nhiên liệu "LC + LNG".
Đến năm 2009, hai cuộc thử lửa của động cơ C5.86 đã được thực hiện với thời lượng 68 và 60 giây với hàm lượng mêtan trong LNG là 97,9 và 97,7 phần trăm.
Kết quả tích cực thu được khi khởi động và tắt LRE, hoạt động trong điều kiện trạng thái ổn định về lực đẩy và tỷ lệ thành phần nhiên liệu (phù hợp với các hành động điều khiển). Nhưng một trong những nhiệm vụ chính - xác minh thực nghiệm về sự không tích tụ pha rắn trong đường dẫn làm mát buồng (than cốc) và trong đường dẫn khí (bồ hóng) khi bật đủ thời gian - không thể thực hiện được do khối lượng hạn chế của tủ LNG xe tăng (thời gian chuyển đổi tối đa là 68 giây).). Vì vậy, vào năm 2010, người ta đã quyết định trang bị giá đỡ cho các cuộc thử lửa với thời lượng ít nhất 1000 giây.
Là nơi làm việc mới, người ta đã sử dụng trụ sở của Trung tâm Nghiên cứu của Đảng Cộng sản Nga để thử nghiệm động cơ tên lửa đẩy chất lỏng oxy-hydro, có các thùng chứa có thể tích thích hợp. Để chuẩn bị cho cuộc thử nghiệm, kinh nghiệm đáng kể đã được tính đến, vốn đã có được trước đó trong bảy lần thử nghiệm bắn. Trong giai đoạn từ tháng 2010 đến tháng 5.86 năm 2, các hệ thống hydro lỏng trên bàn được hoàn thiện để sử dụng LNG, động cơ CXNUMX số XNUMX được lắp đặt trên băng, kiểm tra toàn diện các hệ thống đo lường, điều khiển, bảo vệ khẩn cấp, quy định tỷ lệ của thành phần nhiên liệu và áp suất trong buồng đốt được thực hiện.
Các thùng thử nghiệm được đổ đầy nhiên liệu từ thùng vận chuyển của tàu chở dầu (thể tích - 56,4 m3 với 16 tấn tiếp nhiên liệu) sử dụng bộ nạp LNG, bao gồm bộ trao đổi nhiệt, bộ lọc, van và dụng cụ đo lường. Sau khi hoàn thành việc đổ đầy các thùng chứa, các đường băng để cung cấp các thành phần nhiên liệu cho động cơ được làm mát và đổ đầy.
Động cơ nổ máy và chạy bình thường. Các thay đổi chế độ xảy ra phù hợp với ảnh hưởng của hệ thống kiểm soát. Bắt đầu từ 1100 giây, nhiệt độ của khí tạo khí không ngừng tăng lên, do đó quyết định dừng động cơ được đưa ra. Việc tắt máy diễn ra theo lệnh ở giây thứ 1160 mà không có bình luận. Lý do cho sự gia tăng nhiệt độ là sự rò rỉ của ống góp đầu ra của đường dẫn làm mát buồng đốt xảy ra trong quá trình thử nghiệm - một vết nứt trên mối hàn của một phụ kiện quy trình được cắm trên ống góp.
Phân tích các kết quả của cuộc kiểm tra lửa có thể đưa ra kết luận:
- Trong quá trình vận hành, các thông số động cơ ổn định ở các chế độ với nhiều tổ hợp tỷ lệ giữa tiêu hao các thành phần nhiên liệu (2,42 - 1 - 3,03 - 1) và lực đẩy (6311 - 7340 kgf);
- xác nhận sự vắng mặt của pha rắn trong đường dẫn khí và không có cặn than cốc trong đường dẫn chất lỏng của động cơ;
- thu được các dữ liệu thực nghiệm cần thiết để hoàn thiện phương pháp tính toán làm mát buồng đốt khi sử dụng LNG làm chất làm mát;
- động lực học của lối ra đường làm mát của buồng đốt đến chế độ nhiệt ổn định đã được nghiên cứu;
-Khẳng định tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật để đảm bảo việc khởi động, kiểm soát, điều tiết và những thứ khác, có tính đến các đặc tính của LNG;
- C5.86 đang được phát triển với lực đẩy 7,5 tf có thể được sử dụng (một mình hoặc kết hợp) làm động cơ duy trì trong các giai đoạn trên nâng cao và các giai đoạn trên của phương tiện phóng;
-Kết quả dương tính của các thử nghiệm cháy đã khẳng định tính khả thi của các thí nghiệm tiếp theo về việc tạo ra động cơ chạy bằng nhiên liệu ZhK + LNG.
Trong lần thử lửa tiếp theo vào năm 2011, động cơ đã được bật hai lần. Trước lần tắt máy đầu tiên, động cơ đã chạy trong 162 giây. Ở lần khởi động thứ hai, được thực hiện để xác nhận sự không hình thành pha rắn trong đường dẫn khí và than cốc lắng đọng trong đường dẫn chất lỏng, thời gian hoạt động kỷ lục của động cơ có kích thước này với một lần khởi động duy nhất đã đạt được - 2007 giây, và khả năng điều chỉnh lực đẩy cũng đã được xác nhận. Thử nghiệm đã bị kết thúc do sự phát triển của các thành phần nhiên liệu. Tổng thời gian hoạt động của phiên bản động cơ này là 3389 giây (bốn bao gồm). Việc kiểm tra được thực hiện đã xác nhận rằng không có sự hình thành của pha rắn và than cốc trong ống dẫn động cơ.
Tổ hợp các công trình tính toán-lý thuyết và thực nghiệm với C5.86 số 2 đã khẳng định:
- khả năng cơ bản để tạo ra một động cơ có kích thước yêu cầu trên cặp nhiên liệu của các thành phần "LC + LNG" với quá trình đốt cháy khí của máy phát khử, đảm bảo duy trì các đặc tính ổn định và thực tế không có pha rắn trong đường dẫn khí và than cốc lắng đọng trong đường dẫn chất lỏng của động cơ;
- khả năng khởi động và dừng động cơ nhiều lần;
- khả năng hoạt động lâu dài của động cơ;
- tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật đã được thông qua để đảm bảo nhiều hoạt động khởi động, kiểm soát, điều tiết, có tính đến các đặc tính của LNG và bảo vệ khẩn cấp;
-Khả năng của SIC RCP đứng để thử nghiệm lâu dài.
Ngoài ra, cùng với Trung tâm Nghiên cứu của RCP, một công nghệ đã được phát triển để vận chuyển, tiếp nhiên liệu và kiểm soát nhiệt độ của khối lượng lớn LNG và các giải pháp công nghệ đã được phát triển để áp dụng thực tế cho quy trình tiếp nhiên liệu cho các sản phẩm bay.
LNG - con đường dẫn đến các chuyến bay có thể tái sử dụng
Do các thành phần và cụm lắp ráp của động cơ trình diễn C5.86 số 2 không được tối ưu hóa với số lượng thích hợp do kinh phí hạn hẹp nên không thể giải quyết đầy đủ một số nhiệm vụ, bao gồm:
làm rõ các đặc tính nhiệt lý của LNG như một chất làm mát;
thu thập dữ liệu bổ sung để kiểm tra sự hội tụ của các đặc tính của các tổ máy chính trong mô phỏng trên nước và làm việc trên LNG;
thực nghiệm xác minh ảnh hưởng có thể có của thành phần khí tự nhiên đến các đặc tính của các tổ máy chính, bao gồm cả đường dẫn làm mát của buồng đốt và bộ tạo khí;
xác định các đặc tính LRE trong một loạt các chế độ hoạt động và các thông số chính cho cả một lần và nhiều lần;
tối ưu hóa các quy trình động khi khởi động.
Để giải quyết những vấn đề này, Phòng thiết kế Khimmash đã chế tạo một động cơ S5.86A số 2A hiện đại hóa, bộ phận phản lực cánh quạt lần đầu tiên được trang bị một tuabin khởi động, một tuabin chính hiện đại hóa và một máy bơm nhiên liệu. Đường dẫn làm mát buồng đốt đã được hiện đại hóa và kim bướm ga tỷ lệ nhiên liệu đã được định hình lại.
Việc thử lửa của động cơ được thực hiện vào ngày 13/2013/94,6 (hàm lượng khí mêtan trong LNG là 1500%). Chương trình thử nghiệm bao gồm ba phần với tổng thời lượng 1300 giây (100 + 100 + 532). Khởi động và hoạt động của động cơ ở chế độ bình thường, tuy nhiên, ở giây thứ XNUMX, hệ thống bảo vệ khẩn cấp tạo ra lệnh tắt khẩn cấp. Nguyên nhân của vụ tai nạn là do một hạt kim loại lạ xâm nhập vào đường dẫn dòng chảy của bơm ôxy hóa.
Dù bị tai nạn nhưng C5.86A số 2A hoạt động trong thời gian khá dài. Lần đầu tiên, một động cơ được thiết kế để sử dụng như một phần của giai đoạn tên lửa đòi hỏi nhiều lần phóng đã được phóng theo kế hoạch đã thực hiện bằng cách sử dụng bộ tích áp có thể sạc lại trên tàu. Chế độ vận hành ổn định đạt được đối với một chế độ lực đẩy nhất định và tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu tối đa đã thực hiện trước đó. Dự trữ có thể có để tăng lực đẩy và tăng tỷ lệ tiêu thụ thành phần nhiên liệu được xác định.
Giờ đây, KB Khimmash đang hoàn thành việc sản xuất một bản sao mới của C5.86 để thử nghiệm nguồn tài nguyên tối đa có thể về thời gian hoạt động và số lượng tạp chất. Nó sẽ trở thành nguyên mẫu của một động cơ thực sự chạy bằng LK + LNG, sẽ mang lại chất lượng mới cho các giai đoạn trên của các phương tiện phóng và thổi hồn vào các hệ thống vận tải có thể tái sử dụng. Với sự giúp đỡ của họ, không gian sẽ trở nên dễ tiếp cận không chỉ đối với các nhà nghiên cứu và nhà phát minh, mà có lẽ, đơn giản là đối với khách du lịch.
tin tức