Der Treibstoff für den Herd ist für Raketentriebwerke hocheffizient
Raketen- und Weltraumwelt am Scheideweg: Globale Trends verlangen nach niedrigeren Kosten und erhöhter Umweltsicherheit von Raumfahrtdiensten. Designer müssen neue Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke (LPRE) erfinden, die umweltfreundliche Treibstoffe verwenden und teuren, sehr energieintensiven Flüssigwasserstoff durch billiges Flüssigerdgas (LNG) mit einem Methangehalt von 90–98 Prozent ersetzen. Dieser Kraftstoff, gekoppelt mit flüssigem Sauerstoff, ermöglicht es, neue hocheffiziente und kostengünstige Motoren unter maximaler Nutzung bereits vorhandener Elemente in Design, Material, Technologie und Produktion zu schaffen.
LNG ist ungiftig und bei der Verbrennung in Sauerstoff entstehen Wasserdampf und Kohlendioxid. Im Gegensatz zu Kerosin, das in der Raketentechnik weit verbreitet ist, verdunstet LNG schnell, ohne die Umwelt zu schädigen.
Erste Tests
Die Zündtemperatur von Erdgas mit Luft und die untere Grenze seiner explosiven Konzentration sind höher als die von Wasserstoff- und Kerosindämpfen, daher ist es im Bereich niedriger Konzentrationen im Vergleich zu anderen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen weniger explosiv.
Generell erfordert der Betrieb von LNG als Raketentreibstoff keine zusätzlichen, bisher nicht eingesetzten Brand- und Explosionsschutzmaßnahmen.
Die Dichte von LNG ist sechsmal höher als die von flüssigem Wasserstoff, aber halb so groß wie die von Kerosin. Die geringere Dichte führt zu einer entsprechenden Vergrößerung des LNG-Tanks im Vergleich zum Kerosintank. Berücksichtigt man jedoch das höhere Verhältnis von Oxidationsmittel und Brennstoffverbrauch (es beträgt ungefähr 3,5 zu 1 für Flüssigsauerstoff (LC) + LNG-Brennstoff und 2,7 zu 1 für ZhK + Kerosinbrennstoff), das Gesamtvolumen von ZhK + Brennstoff betanktes LNG nur um 20 Prozent zunimmt. Unter Berücksichtigung des Effekts der kryogenen Aushärtung des Materials sowie der Möglichkeit, die Böden von LC- und LNG-Tanks zu kombinieren, wird die Gewichtung der Kraftstofftanks relativ gering sein.
Und schließlich ist die Herstellung und der Transport von LNG längst beherrscht.
Das nach AM Isaev benannte Design Bureau of Chemical Engineering (KB Khimmash) in Korolev, Region Moskau, begann 1994 mit der Entwicklung von ZhK + LNG-Kraftstoff, als die Design-Design-Studien und die Entscheidung getroffen wurden, ein neues Triebwerk zu schaffen, das die schematische und strukturelle Basis des bestehenden Sauerstoff-Wasserstoff-HPC1 mit einem Schub von 7,5 tf verwendet, der erfolgreich als Teil der Oberstufe (Cryogenic Upper Stage) betrieben wird 12KRB der indischen Trägerrakete GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
1996 wurden autonome Zündungstests eines Gasgenerators mit flüssiger Flüssigkeit und Erdgas als Brennstoffkomponenten durchgeführt, die hauptsächlich darauf abzielten, den Start und die stabilen Betriebsmodi zu überprüfen - 13 Einschlüsse bestätigten die Funktionsfähigkeit des Gasgenerators und gaben die Ergebnisse, die bei der Entwicklung von Rückgewinnungsgasgeneratoren verwendet wurden, die nach offenen und geschlossenen Systemen betrieben werden.
Im August-September 1997 führte das Khimmash Design Bureau Brandtests der Lenkeinheit des KVD1-Motors (ebenfalls mit Erdgas anstelle von Wasserstoff) durch, bei denen eine in zwei Ebenen in einem Winkel von ± 39,5 Grad ausgelenkte Kammer in a. kombiniert wurde Einzelstruktur (Schubkraft - 200 kgf, Kammerdruck - 40 kg / cm2), Start- und Stoppventile, pyrotechnisches Zündsystem und elektrische Antriebe - eine Standard-KVD1-Lenkeinheit bestand sechs Starts mit einer Gesamtbetriebszeit von mehr als 450 Sekunden und einer Kammer Druck im Bereich von 42–36 kg / cm2. Die Testergebnisse bestätigten die Möglichkeit, eine kleine Kammer mit Erdgas als Kühlmittel zu erstellen.
Im August 1997 begann KB Khimmash mit Zündversuchen eines Vollmotors mit geschlossenem Kreislauf mit einer Schubkraft von 7,5 tf auf ZhK + LNG-Treibstoff. Grundlage für die Herstellung war ein modifizierter KVD1-Motor mit geschlossenem Kreislauf mit Nachverbrennung des Reduktionsgases des Generatorgases und Kühlung der Kammer mit Kraftstoff.
Die Standard-Oxidatorpumpe KVD1 wurde modifiziert: Der Durchmesser des Pumpenlaufrads wurde vergrößert, um das erforderliche Verhältnis von Oxidator- und Kraftstoffpumpenköpfen zu gewährleisten. Auch die hydraulische Abstimmung der Motorleitungen wurde korrigiert, um das berechnete Verhältnis der Komponenten sicherzustellen.
Die Verwendung des Prototypenmotors, der zuvor den Zyklus der Zündungstests mit LCD + Flüssigwasserstoff-Kraftstoff bestanden hatte, ermöglichte die maximale Reduzierung der Forschungskosten.
Kalte Tests ermöglichten es, die Methode zur Vorbereitung des Motors und des Ständers für Heißarbeiten zu erarbeiten, um die erforderlichen Parameter von LNG in Labortanks sicherzustellen, die Oxidationsmittel- und Kraftstoffleitungen auf Temperaturen abzukühlen, die einen zuverlässigen Betrieb der Pumpen während der Startzeit und stabiler und stabiler Motorstart.
Der erste Brandtest des Triebwerks fand am 22. August 1997 auf dem Stand des Unternehmens statt, das heute Scientific Test Center of the Rocket and Space Industry (SRC RCP) heißt. In der Praxis von KB Khimmash waren diese Tests die ersten Erfahrungen mit der Verwendung von LNG als Kraftstoff für einen Vollmotor mit geschlossenem Kreislauf.
Das Ziel des Tests war es, ein erfolgreiches Ergebnis aufgrund einer gewissen Reduzierung der Parameter und einer Erleichterung der Motorbetriebsbedingungen zu erzielen.
Die Steuerung des Erreichens des Modus und des Betriebs im Modus erfolgte mit Drosselklappenreglern und das Verhältnis des Verbrauchs von Kraftstoffkomponenten mit den HPC1-Algorithmen unter Berücksichtigung des Zusammenspiels der Steuerkanäle.
Das Programm des ersten Zündversuchs des Kreislaufmotors wurde vollständig abgeschlossen. Der Motor lief eine bestimmte Zeit, es gab keine Kommentare zum Zustand des Materialteils.
Die Testergebnisse bestätigten die grundsätzliche Möglichkeit, LNG als Kraftstoff in den Aggregaten eines Sauerstoff-Wasserstoff-Motors einzusetzen.
Es gibt viel Gas - kein Cola
Anschließend wurden die Tests mit dem Ziel fortgesetzt, die mit der Verwendung von LNG verbundenen Prozesse eingehender zu untersuchen, den Betrieb von Triebwerkseinheiten unter breiteren Anwendungsbedingungen zu überprüfen und konstruktive Lösungen zu optimieren.
Insgesamt fanden von 1997 bis 2005 fünf Zündversuche von zwei Kopien des KVD1-Motors, angepasst für die Verwendung von ZhK + LNG-Kraftstoff, mit einer Dauer von 17 bis 60 Sekunden, dem Methangehalt in LNG - von 89,3 bis 99,5 Prozent, statt.
Insgesamt ermöglichten die Ergebnisse dieser Tests, die Grundprinzipien der Entwicklung des Motors und seiner Aggregate bei der Verwendung des Kraftstoffs „ZhK + LNG“zu bestimmen und 2006 in die nächste Forschungsstufe der Entwicklung, Herstellung und Herstellung überzugehen und Testen des C5.86-Motors. Die Brennkammer, der Gasgenerator, die Turbopumpeneinheit und deren Regler sind strukturell und parametrisch speziell für den Betrieb mit ZhK + LNG-Kraftstoff ausgelegt.
Bis 2009 wurden zwei Brandtests der C5.86-Triebwerke mit einer Dauer von 68 und 60 Sekunden mit einem Methangehalt in LNG von 97, 9 und 97, 7 Prozent durchgeführt.
Positive Ergebnisse wurden beim Starten und Stoppen des Flüssigtreibstofftriebwerks erzielt, das im stationären Zustand in Bezug auf Schub und das Verhältnis der Kraftstoffkomponenten (gemäß den Steueraktionen) betrieben wurde. Aber eine der Hauptaufgaben - der experimentelle Nachweis der Festphasenansammlung im Kühlpfad der Kammer (Koks) und im Gaspfad (Ruß) mit ausreichend langen Einschaltzeiten - konnte aufgrund des begrenzten Volumens nicht durchgeführt werden von Bench-LNG-Tanks (die maximale Einschaltdauer betrug 68 Sekunden). Daher wurde 2010 beschlossen, den Stand für die Durchführung von Brennversuchen mit einer Dauer von mindestens 1000 Sekunden auszustatten.
Als neuer Arbeitsplatz wurde der NRC RCP-Prüfstand für die Prüfung von Sauerstoff-Wasserstoff-Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken mit Kapazitäten des entsprechenden Volumens verwendet. In Vorbereitung auf die Prüfung wurden die bedeutenden Erfahrungen aus den sieben Brandversuchen berücksichtigt. Im Zeitraum Juni bis September 2010 wurden die Prüfstandssysteme von Flüssigwasserstoff für den Einsatz von LNG weiterentwickelt, der C5.86-Motor Nr. 2 auf dem Prüfstand installiert, umfangreiche Tests der Mess-, Regel-, Notfallschutzsysteme und Regelung des Verhältnisses von Kraftstoffverbrauch und Druck im Brennraum durchgeführt.
Die Benchtanks wurden mit Kraftstoff aus dem Transporttank des Tankwagens (Volumen - 56,4 m3 bei einer Betankung von 16 Tonnen) mittels einer LNG-Betankungsanlage inklusive Wärmetauscher, Filter, Absperrventile und Messgeräte befüllt. Nach dem Befüllen der Tanks wurden die Tischleitungen zur Versorgung des Motors mit Kraftstoffkomponenten abgekühlt und befüllt.
Der Motor sprang an und lief normal. Die Änderungen des Regimes erfolgten entsprechend den Einflüssen des Kontrollsystems. Ab 1100 Sekunden stieg die Temperatur des Gasgeneratorgases ständig an, wodurch entschieden wurde, den Motor abzustellen. Die Abschaltung erfolgte auf Kommando um 1160 Sekunden ohne Bemerkungen. Grund für den Temperaturanstieg war die während des Tests entstandene Undichtigkeit des Auslasskrümmers der Brennkammerkühlstrecke – ein Riss in der Schweißnaht der am Krümmer montierten verstopften Prozessdüse.
Die Analyse der Ergebnisse des durchgeführten Brandtests ließ den Schluss zu:
- während des Betriebs waren die Motorparameter in Modi mit verschiedenen Kombinationen des Verhältnisses des Verbrauchs von Kraftstoffkomponenten (2,42 zu 1 - 3,03 zu 1) und Schub (6311 - 7340 kgf) stabil;
-bestätigt das Fehlen von Festphasenbildungen im Gasweg und das Fehlen von Koksablagerungen im Flüssigkeitsweg des Motors;
- die notwendigen experimentellen Daten wurden gewonnen, um das Berechnungsverfahren für die Kühlung der Brennkammer bei Verwendung von LNG als Kühler zu verfeinern;
- die Dynamik des Austritts des Kühlkanals der Brennkammer in den stationären thermischen Bereich wurde untersucht;
-bestätigt die Richtigkeit der technischen Lösungen, um die Inbetriebnahme, Kontrolle, Regulierung und andere Dinge unter Berücksichtigung der Besonderheiten von LNG zu gewährleisten;
- entwickelter C5.86 mit einem Schub von 7,5 tf kann (allein oder in Kombination) als Antriebsmotor in vielversprechenden Oberstufen und Oberstufen von Trägerraketen eingesetzt werden;
- Die positiven Ergebnisse der Zündungstests bestätigten die Durchführbarkeit weiterer Experimente zur Schaffung eines mit ZhK + LNG-Kraftstoff betriebenen Motors.
Beim nächsten Brandtest 2011 wurde der Motor zweimal eingeschaltet. Vor der ersten Abschaltung lief der Motor 162 Sekunden lang. Beim zweiten Anlauf, der durchgeführt wurde, um das Fehlen von Festphasenbildung im Gasweg und Koksablagerungen im Flüssigkeitsweg zu bestätigen, wurde eine Rekordbetriebsdauer eines Motors dieser Dimension mit einem einzigen Start erreicht - 2007 Sekunden, sowie die Möglichkeit einer Schubdrosselung wurde bestätigt. Der Test wurde aufgrund der Erschöpfung der Kraftstoffkomponenten abgebrochen. Die Gesamtbetriebszeit dieser Triebwerksinstanz betrug 3389 Sekunden (vier Starts). Die durchgeführte Fehlererkennung bestätigte das Fehlen von Festphasen- und Koksbildung in den Motorpfaden.
Eine Reihe von theoretischen und experimentellen Arbeiten mit C5.86 Nr. 2 bestätigte:
- die grundsätzliche Möglichkeit, auf dem Brennstoffpaar der Komponenten "ZhK + LNG" mit der Nachverbrennung des reduzierenden Generatorgases einen Motor der erforderlichen Dimension zu schaffen, der die Aufrechterhaltung stabiler Eigenschaften und das praktische Fehlen einer festen Phase in der. gewährleistet Gaswege und Koksablagerungen in den Flüssigkeitswegen des Motors;
-die Möglichkeit des mehrfachen Startens und Stoppens des Motors;
-die Möglichkeit des Langzeitbetriebs des Motors;
-die Richtigkeit der angenommenen technischen Lösungen, um eine mehrfache Inbetriebnahme, Kontrolle und Regulierung unter Berücksichtigung der Merkmale von LNG und Notfallschutz zu gewährleisten;
-Fähigkeiten des NIC RCP stehen für Langzeittests.
Außerdem wurde in Zusammenarbeit mit NRC RCP eine Technologie zum Transportieren, Betanken und Temperieren großer LNG-Massen entwickelt und technologische Lösungen entwickelt, die für das Verfahren zur Betankung von Flugprodukten praktisch anwendbar sind.
LNG - der Weg zu wiederverwendbaren Flügen
Da die Komponenten und Baugruppen des Demonstrator-Triebwerks C5.86 Nr. 2 aufgrund begrenzter Mittel nicht ausreichend optimiert wurden, konnten eine Reihe von Problemen nicht vollständig gelöst werden, darunter:
Klärung der thermophysikalischen Eigenschaften von LNG als Kühlmittel;
Erhalt zusätzlicher Daten, um die Konvergenz der Eigenschaften der Haupteinheiten bei der Simulation auf Wasser und beim Betrieb mit LNG zu überprüfen;
experimentelle Überprüfung des möglichen Einflusses der Erdgaszusammensetzung auf die Eigenschaften der Hauptaggregate, einschließlich der Kühlpfade der Brennkammer und des Gasgenerators;
Bestimmung der Eigenschaften von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken in einem größeren Bereich von Änderungen der Betriebsarten und Grundparameter sowohl bei Einfach- als auch bei Mehrfachstarts;
Optimierung dynamischer Prozesse beim Start.
Um diese Probleme zu lösen, fertigte KB Khimmash einen verbesserten C5.86A Nr. 2A-Motor, dessen Turbopumpeneinheit erstmals mit einer Startturbine, einer verbesserten Hauptturbine und einer Kraftstoffpumpe ausgestattet war. Der Kühlpfad der Brennkammer wurde modernisiert und die Drosselklappennadel für das Kraftstoffverhältnis neu gestaltet.
Am 13. September 2013 wurde ein Brandtest des Motors durchgeführt (Methangehalt in LNG - 94,6%). Das Testprogramm sah drei Schalter mit einer Gesamtdauer von 1500 Sekunden (1300 + 100 + 100) vor. Das Starten und der Betrieb des Motors im Modus verliefen normal, aber nach 532 Sekunden erzeugte das Notschutzsystem einen Notabschaltbefehl. Unfallursache war das Eindringen eines fremden Metallpartikels in den Strömungsweg der Oxidationsmittelpumpe.
Trotz des Unfalls arbeitete C5.86A Nr. 2A ziemlich lange. Erstmals wurde ein Triebwerk auf den Markt gebracht, das für den Einsatz als Teil einer Raketenstufe vorgesehen ist, die mehrere Starts erfordert, gemäß dem implementierten Schema unter Verwendung eines an Bord wiederaufladbaren Druckspeichers. Es wurde ein stabiler Betriebsmodus für einen gegebenen Schubmodus und das Maximum des zuvor realisierten Verhältnisses des Kraftstoffkomponentenverbrauchs erhalten. Mögliche Reserven zur Schuberhöhung und Erhöhung des Anteils des Kraftstoffkomponentenverbrauchs wurden ermittelt.
Jetzt schließt KB Khimmash die Herstellung einer neuen Kopie von C5.86 ab, um die maximal mögliche Ressource in Bezug auf Betriebszeit und Anzahl der Starts zu testen. Es sollte ein Prototyp eines echten Motors mit ZhK + LNG-Kraftstoff werden, der den oberen Stufen von Trägerraketen eine neue Qualität verleiht und wiederverwendbaren Transportsystemen Leben einhaucht. Mit ihrer Hilfe wird Raum nicht nur für Forscher und Erfinder, sondern möglicherweise nur für Reisende verfügbar.
