Rocket at space world sa isang sangang-daan: tumatawag ang mga pandaigdigan na uso para sa mas mababang gastos at nadagdagan ang kaligtasan sa kapaligiran ng mga serbisyong puwang. Ang mga taga-disenyo ay kailangang mag-imbento ng mga bagong likido na nagtataguyod ng mga rocket engine (LPRE) gamit ang mga environmentally friendly fuel, palitan ang mamahaling, lubos na enerhiyang likido na hydrogen na may murang likidong likas na gas (LNG) na may nilalaman na methane na 90-88 porsyento. Ang gasolina na ito, kaakibat ng likidong oxygen, ginagawang posible na lumikha ng mga bagong mahusay at murang mga engine na may maximum na paggamit ng mayroon nang mga elemento ng disenyo, materyal, teknolohikal at backlog ng produksyon.
Ang LNG ay hindi nakakalason, at kapag sinunog sa oxygen, nabubuo ang singaw ng tubig at carbon dioxide. Hindi tulad ng petrolyo, na malawakang ginagamit sa rocketry, mabilis na sumingaw ang LNG na hindi sinasaktan ang kapaligiran.
Mga unang pagsubok
Ang temperatura ng pag-aapoy ng natural gas na may hangin at ang mas mababang limitasyon ng pagsabog na konsentrasyon nito ay mas mataas kaysa sa mga hydrogen at gasene vapors, samakatuwid, sa rehiyon ng mababang konsentrasyon, kung ihahambing sa iba pang mga fuel ng hydrocarbon, hindi ito masabog.
Sa pangkalahatan, ang pagpapatakbo ng LNG bilang isang rocket fuel ay hindi nangangailangan ng anumang karagdagang mga hakbang sa pag-iwas sa sunog at pagsabog na hindi pa nagamit dati.
Ang kakapalan ng LNG ay anim na beses kaysa sa likidong hydrogen, ngunit kalahati sa gasolina. Ang mas mababang density ay humahantong sa isang kaukulang pagtaas sa laki ng tangke ng LNG kumpara sa tangke ng petrolyo. Gayunpaman, isinasaalang-alang ang mas mataas na ratio ng oxidizer at pagkonsumo ng gasolina (humigit-kumulang na 3.5 hanggang 1 para sa likidong oxygen (LC) + LNG fuel at 2.7 hanggang 1 para sa ZhK + petrolyo fuel), ang kabuuang dami ng ZhK + fuel ang refueled LNG ay tumataas lamang ng 20 porsyento. Isinasaalang-alang ang epekto ng cryogenic hardening ng materyal, pati na rin ang posibilidad ng pagsasama-sama ng mga ilalim ng mga tank ng LC at LNG, ang bigat ng mga tanke ng gasolina ay medyo maliit.
At sa wakas, ang paggawa at transportasyon ng LNG ay matagal nang pinagkadalubhasaan.
Ang Design Bureau of Chemical Engineering (KB Khimmash) na pinangalanang pagkatapos ng AM Isaev sa Korolev, Rehiyon ng Moscow, ay nagsimulang magtrabaho (bilang ito ay umabot sa maraming taon dahil sa napakakaunting pondo) sa pagpapaunlad ng ZhK + LNG fuel noong 1994, kapag ang disenyo - ang mga pag-aaral sa disenyo at isang desisyon ay ginawa upang lumikha ng isang bagong makina gamit ang eskematiko at batayang istruktura ng mayroon nang oxygen-hydrogen na HPC1 na may isang tulak na 7.5 tf, matagumpay na pinatakbo bilang bahagi ng pang-itaas na yugto (Cryogenic Upper Stage) 12KRB ng paglunsad ng Indian na sasakyan na GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
Noong 1996, ang mga autonomous firing test ng isang gas generator na gumagamit ng likidong likido at natural gas habang ang mga sangkap ng gasolina ay isinasagawa, na pangunahin na naglalayong suriin ang pagsisimula at matatag na mga mode ng pagpapatakbo - 13 na pagsasama ang nagkumpirma ng kakayahang magamit ng gas generator at binigyan ang mga resulta na ginamit sa pagpapaunlad ng mga generator ng pagbawi ng gas na tumatakbo sa bukas at saradong mga iskema.
Noong Agosto-Setyembre 1997, ang Khimmash Design Bureau ay nagsagawa ng mga pagsubok sa sunog ng steering unit ng KVD1 engine (gumagamit din ng natural gas sa halip na hydrogen), kung saan ang isang silid ay lumihis sa dalawang eroplano sa anggulo ng ± 39.5 degree ay pinagsama sa isang solong istraktura (tulak - 200 kgf, presyon ng kamara - 40 kg / cm2), pagsisimula at paghinto ng mga balbula, sistema ng pag-aapoy ng pyrotechnic at mga electric drive - isang pamantayang unit ng pagpipiloto ng KVD1 ang lumipas ng anim na nagsisimula sa isang kabuuang oras ng pagpapatakbo ng higit sa 450 segundo at isang silid presyon sa saklaw na 42-36 kg / cm2. Ang mga resulta sa pagsubok ay nakumpirma ang posibilidad ng paglikha ng isang maliit na silid na gumagamit ng natural gas bilang isang coolant.
Noong Agosto 1997, sinimulan ng KB Khimmash ang pagpapaputok ng mga pagsubok ng isang buong sukat na closed circuit engine na may thrust na 7.5 tf sa ZhK + LNG fuel. Ang batayan para sa paggawa ay isang binagong KVD1 engine ng isang closed circuit na may afterburning ng pagbawas ng gas generator gas at paglamig ng silid na may gasolina.
Ang pamantayan ng oxidizer pump KVD1 ay binago: ang diameter ng pump impeller ay nadagdagan upang matiyak ang kinakailangang ratio ng mga oxidizer at fuel pump head. Gayundin, ang haydroliko na pag-tune ng mga linya ng engine ay naitama upang matiyak ang kinakalkula na ratio ng mga bahagi.
Ang paggamit ng prototype engine, na dating nakapasa sa siklo ng mga pagsubok sa pagpapaputok sa LCD + likidong hydrogen fuel, na nagbigay ng maximum na pagbawas sa mga gastos sa pagsasaliksik.
Ginawang posible ng mga malamig na pagsubok na mag-ehersisyo ang pamamaraan ng paghahanda ng makina at ang paninindigan para sa mainit na trabaho sa mga tuntunin ng pagtiyak sa kinakailangang mga parameter ng LNG sa mga tanke ng bangko, paglamig ng oxidizer at mga linya ng gasolina sa mga temperatura na ginagarantiyahan ang maaasahang pagpapatakbo ng mga sapatos na pangbabae sa panahon ng pagsisimula ng panahon at matatag at matatag na pagsisimula ng engine.
Ang unang pagsubok sa sunog ng makina ay naganap noong Agosto 22, 1997 sa kinatatayuan ng negosyo, na ngayon ay tinatawag na Scientific Test Center ng Rocket and Space Industry (SRC RCP). Sa pagsasagawa ng KB Khimmash, ang mga pagsubok na ito ay ang unang karanasan ng paggamit ng LNG bilang isang fuel para sa isang buong sukat na closed-circuit engine.
Ang layunin ng pagsubok ay upang makakuha ng isang matagumpay na resulta dahil sa ilang pagbawas sa mga parameter at kadali ng mga kondisyon ng operating ng engine.
Ang kontrol ng pag-abot sa mode at pagpapatakbo sa mode ay isinasagawa gamit ang mga throttle Controller at ang ratio ng pagkonsumo ng mga sangkap ng fuel gamit ang mga algorithm ng HPC1, isinasaalang-alang ang pakikipag-ugnay ng mga control channel.
Ang programa ng unang pagsubok sa pagpapaputok ng closed circuit engine ay nakumpleto nang buo. Tumakbo ang engine para sa isang tinukoy na oras, walang mga puna sa kondisyon ng materyal na bahagi.
Ang mga resulta sa pagsubok ay nakumpirma ang pangunahing posibilidad ng paggamit ng LNG bilang fuel sa mga yunit ng isang oxygen-hydrogen engine.
Maraming gas - walang coke
Kasunod nito, ang mga pagsubok ay nagpatuloy sa layunin ng isang mas malalim na pag-aaral ng mga proseso na nauugnay sa paggamit ng LNG, pagsuri sa pagpapatakbo ng mga yunit ng engine sa mas malawak na mga kondisyon ng aplikasyon, at pag-optimize ng mga solusyon sa disenyo.
Sa kabuuan, mula 1997 hanggang 2005, limang pagsubok sa pagpapaputok ng dalawang kopya ng KVD1 engine, na inangkop para sa paggamit ng ZhK + LNG fuel, na tumatagal mula 17 hanggang 60 segundo, ang nilalaman ng methane sa LNG - mula 89.3 hanggang 99.5 porsyento, ay naganap.
Sa kabuuan, ang mga resulta ng mga pagsubok na ito ay ginagawang posible upang matukoy ang pangunahing mga prinsipyo ng pag-unlad ng engine at mga yunit nito kapag gumagamit ng fuel na "ZhK + LNG" at upang magpatuloy noong 2006 sa susunod na yugto ng pagsasaliksik na kinasasangkutan ng pagbuo, paggawa at pagsubok ng C5.86 engine. Ang silid ng pagkasunog, generator ng gas, yunit ng turbopump at mga regulator ng huli ay istruktura at parametrikal na ginawa para sa pagpapatakbo ng ZhK + LNG fuel.
Pagsapit ng 2009, dalawang pagsubok sa sunog ng mga makina ng C5.86 na may tagal na 68 at 60 segundo ay natupad na may nilalaman na methane sa LNG na 97, 9 at 97, 7 porsyento.
Ang mga positibong resulta ay nakuha sa pagsisimula at pagtigil sa likidong-propellant engine, na tumatakbo sa mga mode na matatag na estado sa mga tuntunin ng thrust at ang ratio ng mga sangkap ng gasolina (alinsunod sa mga pagkilos na kontrol). Ngunit ang isa sa mga pangunahing gawain - ang pang-eksperimentong pagpapatunay ng kawalan ng solidong akumulasyon ng phase sa paglamig na landas ng silid (coke) at sa gas path (uling) na may sapat na mahabang pag-on - ay hindi maisagawa dahil sa limitadong dami ng bench LNG tank (ang maximum na tagal ng turn-on ay 68 segundo). Samakatuwid, noong 2010, isang desisyon ang ginawa upang bigyan ng kasangkapan ang paninindigan para sa pagsasagawa ng mga pagsubok sa pagpapaputok na may tagal na hindi bababa sa 1000 segundo.
Bilang isang bagong lugar ng trabaho, ang bench test ng NRC RCP ay ginamit para sa pagsubok ng oxygen-hydrogen liquid-propellant rocket engine, na may mga capacities ng kaukulang dami. Bilang paghahanda para sa pagsubok, isinasaalang-alang ang makabuluhang karanasan na nakakuha ng mas maaga sa pitong pagsubok sa sunog. Sa panahon mula Hunyo hanggang Setyembre 2010, ang mga bench system ng likidong hydrogen ay pino para sa paggamit ng LNG, ang C5.86 engine No. 2 ay na-install sa bench, komprehensibong pagsusuri ng pagsukat, kontrol, mga emergency protection system, at isinagawa ang regulasyon ng ratio ng pagkonsumo ng gasolina at presyon sa silid ng pagkasunog.
Ang mga tanke ng bench ay puno ng gasolina mula sa tanke ng transportasyon ng refueling tanker (dami - 56.4 m3 na may refueling na 16 tonelada) gamit ang isang LNG refueling unit, kabilang ang isang heat exchanger, filter, shut-off valve, at mga instrumento sa pagsukat. Matapos makumpleto ang pagpuno ng mga tanke, ang mga linya ng bench para sa pagbibigay ng mga sangkap ng fuel sa engine ay pinalamig at pinunan.
Ang makina ay nagsimula at tumakbo nang normal. Ang mga pagbabago sa rehimen ay naganap alinsunod sa mga impluwensya ng control system. Mula sa 1100 segundo, ang temperatura ng gas generator gas ay patuloy na tumaas, bilang isang resulta kung saan napagpasyahan na ihinto ang makina. Ang pag-shutdown ay naganap sa utos sa 1160 segundo nang walang anumang pagsabi. Ang dahilan para sa pagtaas ng temperatura ay ang pagtulo ng outlet ng sariwang bahagi ng paglamig ng silid ng pagkasunog na lumitaw sa panahon ng pagsubok - isang basag sa hinang seam ng naka-plug na proseso ng nguso ng gripo na naka-install sa sari-sari.
Ang pagtatasa ng mga resulta ng isinasagawa na pagsubok sa sunog ay naging posible upang magtapos:
- sa proseso ng pagpapatakbo, ang mga parameter ng engine ay matatag sa mga mode na may iba't ibang mga kumbinasyon ng ratio ng pagkonsumo ng mga sangkap ng fuel (2.42 hanggang 1 - 3.03 hanggang 1) at thrust (6311 - 7340 kgf);
-Nakumpirma ang kawalan ng solidong pagbuo ng phase sa landas ng gas at kawalan ng mga deposito ng coke sa likidong landas ng makina;
- ang kinakailangang pang-eksperimentong data ay nakuha upang pinuhin ang pamamaraan ng pagkalkula para sa paglamig ng silid ng pagkasunog kapag gumagamit ng LNG bilang isang palamig;
- ang dynamics ng exit ng channel ng paglamig ng silid ng pagkasunog sa steady-state thermal rehimen ay pinag-aralan;
Kinumpirma ang kawastuhan ng mga teknikal na solusyon upang matiyak ang pagsisimula, kontrol, regulasyon at iba pang mga bagay, isinasaalang-alang ang mga kakaibang uri ng LNG;
-naunlad na C5.86 na may isang tulak na 7.5 tf ay maaaring gamitin (mag-isa o sa kombinasyon) bilang isang propulsyon engine sa nangangako sa itaas na yugto at itaas na yugto ng paglunsad ng mga sasakyan;
- ang mga positibong resulta ng mga pagsubok sa pagpapaputok ay nakumpirma ang pagiging posible ng karagdagang mga eksperimento upang lumikha ng isang engine na tumatakbo sa ZhK + LNG fuel.
Sa susunod na pagsubok sa sunog noong 2011, dalawang beses na nakabukas ang makina. Bago ang unang pag-shutdown, ang engine ay tumakbo nang 162 segundo. Sa pangalawang pagsisimula, natupad upang kumpirmahin ang kawalan ng solidong pagbuo ng phase sa landas ng gas at mga deposito ng coke sa likidong landas, isang talaang tagal ng pagpapatakbo ng isang makina ng sukat na ito na may isang solong pagsisimula - 2007 segundo ay nakamit, pati na rin ang posibilidad ng thrust throttling ay nakumpirma. Ang pagsubok ay hindi na ipinagpatuloy dahil sa pag-ubos ng mga sangkap ng gasolina. Ang kabuuang oras ng pagpapatakbo ng halimbawa ng engine na ito ay 3389 segundo (apat na pagsisimula). Ang ginawang pagtuklas ng pagkukulang ay nakumpirma ang kawalan ng solid phase at pagbuo ng coke sa mga daanan ng engine.
Ang isang hanay ng teoretikal at pang-eksperimentong gawain sa C5.86 No. 2 ay nakumpirma:
- ang pangunahing posibilidad ng paglikha ng isang engine ng kinakailangang sukat sa pares ng fuel ng mga sangkap na "ZhK + LNG" na may afterburning ng pagbawas ng generator gas, na tinitiyak ang pagpapanatili ng matatag na mga katangian at ang praktikal na kawalan ng isang solidong bahagi sa mga landas ng gas at deposito ng coke sa mga likidong landas ng makina;
-ang posibilidad ng maraming pagsisimula at pagpapahinto ng makina;
-ang posibilidad ng pangmatagalang pagpapatakbo ng engine;
-ang kawastuhan ng mga pinagtibay na teknikal na solusyon upang matiyak ang maraming pagsisimula, kontrol, regulasyon, isinasaalang-alang ang mga tampok ng LNG at proteksyon sa emerhensiya;
-Mga kakayahan ng NIC RCP tumayo para sa mga pangmatagalang pagsusuri.
Gayundin, sa pakikipagtulungan sa NRC RCP, isang teknolohiya para sa transportasyon, refueling at termostating ng maraming masa ng LNG ay binuo at ang mga teknolohikal na solusyon ay binuo na praktikal na nalalapat para sa pamamaraan para sa refueling mga produktong flight.
LNG - ang landas sa muling magagamit na mga flight
Dahil sa ang katunayan na ang mga bahagi at pagpupulong ng demonstrator engine C5.86 No. 2 dahil sa limitadong pagpopondo ay hindi na-optimize sa wastong lawak, hindi posible na ganap na malutas ang isang bilang ng mga problema, kabilang ang:
paglilinaw ng mga katangiang thermophysical ng LNG bilang isang coolant;
pagkuha ng karagdagang data upang suriin ang tagpo ng mga katangian ng mga pangunahing yunit kapag simulate sa tubig at operating sa LNG;
pang-eksperimentong pag-verify ng posibleng impluwensya ng komposisyon ng natural gas sa mga katangian ng pangunahing mga yunit, kabilang ang mga cool na landas ng silid ng pagkasunog at generator ng gas;
pagpapasiya ng mga katangian ng mga likido-propellant rocket engine sa isang mas malawak na hanay ng mga pagbabago sa mga operating mode at pangunahing mga parameter na parehong may solong at maraming mga pagsisimula;
pag-optimize ng mga dinamikong proseso sa pagsisimula.
Upang malutas ang mga problemang ito, gumawa ang KB Khimmash ng isang na-upgrade na C5.86A No. 2A engine, ang turbo pump unit na para sa kauna-unahang pagkakataon na nilagyan ng panimulang turbine, isang na-upgrade na pangunahing turbine at isang fuel pump. Ang path ng paglamig ng silid ng pagkasunog ay na-moderno at ang karayom ng throttle ng fuel ratio ay muling dinisenyo.
Ang isang pagsubok sa sunog ng makina ay isinagawa noong Setyembre 13, 2013 (nilalaman ng methane sa LNG - 94.6%). Ang programa ng pagsubok na ibinigay para sa tatlong mga switch na may kabuuang tagal ng 1500 segundo (1300 + 100 + 100). Ang pagsisimula at pagpapatakbo ng makina sa mode ay normal na nagpatuloy, ngunit sa 532 segundo ang sistema ng proteksyon sa emerhensiya ay nakabuo ng isang emergency shutdown command. Ang sanhi ng aksidente ay ang pagpasok ng isang banyagang metal na maliit na butil sa daloy ng daloy ng pump ng oxidizer.
Sa kabila ng aksidente, ang C5.86A No. 2A ay nagtrabaho nang mahabang panahon. Sa kauna-unahang pagkakataon, isang engine ang inilunsad, inilaan para magamit bilang bahagi ng isang rocket yugto, na nangangailangan ng maraming mga pagsisimula, ayon sa ipinatupad na pamamaraan gamit ang isang onboard rechargeable pressure accumulator. Ang isang matatag na operating mode ay nakuha para sa isang naibigay na mode ng thrust at ang maximum ng dating natanto na ratio ng pagkonsumo ng mga sangkap ng fuel. Ang mga posibleng reserba para sa pagpapalakas ng thrust at pagdaragdag ng ratio ng pagkonsumo ng mga sangkap ng fuel ay natukoy.
Ngayon ay kinukumpleto ng KB Khimmash ang paggawa ng isang bagong kopya ng C5.86 para sa pagsubok para sa maximum na posibleng mapagkukunan sa mga tuntunin ng oras ng pagpapatakbo at ang bilang ng mga pagsisimula. Dapat itong maging isang prototype ng isang tunay na makina sa ZhK + LNG fuel, na magbibigay ng isang bagong kalidad sa itaas na yugto ng paglunsad ng mga sasakyan at huminga ng buhay sa magagamit muli na mga sistema ng transportasyon. Sa kanilang tulong, ang puwang ay magagamit hindi lamang para sa mga mananaliksik at imbentor, ngunit, marahil, para lamang sa mga manlalakbay.
