Bota e raketave dhe hapësirës në një udhëkryq: tendencat globale kërkojnë kosto më të ulëta dhe rritje të sigurisë mjedisore të shërbimeve hapësinore. Projektuesit duhet të shpikin motorë të rinj raketë me lëndë djegëse të lëngëta (LPRE) duke përdorur lëndë djegëse miqësore me mjedisin, duke zëvendësuar hidrogjenin e lëngshëm të shtrenjtë, me shumë energji, me gaz natyror të lëngshëm të lirë (LNG) me një përmbajtje metani prej 90-98 përqind. Ky karburant, i shoqëruar me oksigjen të lëngshëm, bën të mundur krijimin e motorëve të rinj shumë efikas dhe të lirë me përdorimin maksimal të elementeve tashmë ekzistues të projektimit, materialit, teknologjisë dhe prodhimit të mbetur.
LNG nuk është toksike, dhe kur digjet në oksigjen, krijohen avujt e ujit dhe dioksidi i karbonit. Ndryshe nga vajguri, i cili përdoret gjerësisht në raketa, derdhjet e LNG -së avullojnë shpejt pa dëmtuar mjedisin.
Testet e para
Temperatura e ndezjes së gazit natyror me ajrin dhe kufiri i poshtëm i përqendrimit të tij shpërthyes janë më të larta se ato të avujve të hidrogjenit dhe vajgurit; prandaj, në rajonin e përqendrimeve të ulëta, në krahasim me karburantet e tjerë hidrokarbure, është më pak shpërthyes.
Në përgjithësi, funksionimi i LNG si lëndë djegëse e raketave nuk kërkon ndonjë masë shtesë të parandalimit të zjarrit dhe shpërthimit që nuk janë përdorur më parë.
Dendësia e LNG është gjashtë herë ajo e hidrogjenit të lëngshëm, por gjysma e vajgurit. Dendësia më e ulët çon në një rritje përkatëse të madhësisë së rezervuarit LNG në krahasim me rezervuarin e vajgurit. Sidoqoftë, duke marrë parasysh raportin më të lartë të oksiduesit dhe konsumit të karburantit (është afërsisht 3.5 me 1 për oksigjenin e lëngshëm (LC) + karburant LNG dhe 2.7 me 1 për karburantin e vajgurit ZhK +), vëllimi i përgjithshëm i karburantit ZhK + LNG e karburantuar rritet vetëm me 20 përqind. Duke marrë parasysh efektin e ngurtësimit kriogjenik të materialit, si dhe mundësinë e kombinimit të fundeve të rezervuarëve LC dhe LNG, pesha e rezervuarëve të karburantit do të jetë relativisht e vogël.
Dhe së fundi, prodhimi dhe transporti i LNG është zotëruar prej kohësh.
Byroja e Dizajnit të Inxhinierisë Kimike (KB Khimmash) e quajtur pas AM Isaev në Korolev, Rajoni i Moskës, filloi punën (siç doli, duke u shtrirë për vite me radhë për shkak të fondeve shumë të pakta) në zhvillimin e karburantit ZhK + LNG në 1994, kur studimet e projektimit - të projektimit dhe u mor një vendim për krijimin e një motori të ri duke përdorur bazën skematike dhe strukturore të oksigjen -hidrogjenit ekzistues HPC1 me një shtytje prej 7.5 tf, e operuar me sukses si pjesë e fazës së sipërme (Faza e Epërme Kriogjenike) 12KRB e automjetit të lëshimit indian GSLV MkI (Automjeti Gjeosinkron i Satelitit).
Në 1996, u kryen teste autonome të ndezjes së një gjeneratori gazi duke përdorur lëng të lëngshëm dhe gaz natyror si përbërës të karburantit, të cilat kishin për qëllim kryesisht kontrollimin e mënyrave të fillimit dhe të qëndrueshëm të funksionimit - 13 përfshirje konfirmuan funksionueshmërinë e gjeneratorit të gazit dhe i dhanë rezultatet që u përdorën në zhvillimin e gjeneratorëve të gazit të rimëkëmbjes që veprojnë në skema të hapura dhe të mbyllura.
Në gusht-shtator 1997, Byroja e Dizajnit Khimmash kreu teste zjarri të njësisë drejtuese të motorit KVD1 (gjithashtu duke përdorur gaz natyror në vend të hidrogjenit), në të cilin një dhomë e devijuar në dy aeroplanë në një kënd prej.5 39.5 gradë u kombinua në një strukturë e vetme (shtytja - 200 kgf, presioni i dhomës - 40 kg / cm2), valvulat e ndezjes dhe ndalimit, sistemi i ndezjes piroteknike dhe drejtuesit elektrikë - një njësi standarde drejtuese KVD1 kaloi gjashtë nisje me një kohë funksionimi totale prej më shumë se 450 sekonda dhe një dhomë presion në intervalin 42–36 kg / cm2. Rezultatet e testit konfirmuan mundësinë e krijimit të një dhome të vogël duke përdorur gaz natyror si ftohës.
Në gusht 1997, KB Khimmash filloi testimet e një motori të qarkut të mbyllur me madhësi të plotë me një goditje prej 7.5 tf në karburantin ZhK + LNG. Baza për prodhimin ishte një motor KVD1 i modifikuar i një qarku të mbyllur me djegien e gazit zvogëlues të gjeneratorit të gazit dhe ftohjen e dhomës me karburant.
Pompa standarde e oksiduesit KVD1 u modifikua: diametri i shtytësit të pompës u rrit për të siguruar raportin e kërkuar të kokat e oksiduesit dhe pompës së karburantit. Gjithashtu, akordimi hidraulik i linjave të motorit u korrigjua për të siguruar raportin e llogaritur të përbërësve.
Përdorimi i motorit prototip, i cili më parë kishte kaluar ciklin e testeve të ndezjes në karburantin e lëngshëm të hidrogjenit LCD, siguroi uljen maksimale të kostove të kërkimit.
Testet e ftohta bënë të mundur përpunimin e metodës së përgatitjes së motorit dhe stendës për punë të nxehtë në drejtim të sigurimit të parametrave të kërkuar të LNG në rezervuarët e stolit, ftohjen e oksiduesit dhe linjat e karburantit në temperatura që garantojnë funksionimin e besueshëm të pompave gjatë periudha e fillimit dhe fillimi i qëndrueshëm dhe i qëndrueshëm i motorit.
Testi i parë i zjarrit i motorit u zhvillua në 22 gusht 1997 në stendën e ndërmarrjes, e cila sot quhet Qendra e Testit Shkencor të Industrisë së Raketave dhe Hapësirës (SRC RCP). Në praktikën e KB Khimmash, këto teste ishin përvoja e parë e përdorimit të LNG si lëndë djegëse për një motor me qark të mbyllur me madhësi të plotë.
Qëllimi i testit ishte të merrte një rezultat të suksesshëm për shkak të një pakësimi të parametrave dhe lehtësimit të kushteve të funksionimit të motorit.
Kontrolli i arritjes së modalitetit dhe funksionimit në modalitet u krye duke përdorur kontrollues mbytje dhe raportin e konsumit të përbërësve të karburantit duke përdorur algoritmet HPC1, duke marrë parasysh ndërveprimin e kanaleve të kontrollit.
Programi i provës së parë të qitjes së motorit me qark të mbyllur u përfundua plotësisht. Motori funksionoi për një kohë të caktuar, nuk kishte komente për gjendjen e pjesës materiale.
Rezultatet e testit konfirmuan mundësinë themelore të përdorimit të LNG si lëndë djegëse në njësitë e një motori oksigjen-hidrogjen.
Ka shumë gaz - pa koks
Më pas, testet vazhduan me qëllim të një studimi më të thelluar të proceseve që lidhen me përdorimin e LNG, kontrollimin e funksionimit të njësive të motorit në kushte më të gjera aplikimi dhe optimizimin e zgjidhjeve të projektimit.
Në total, nga 1997 deri në 2005, u bënë pesë teste të ndezjes së dy kopjeve të motorit KVD1, të përshtatur për përdorimin e karburantit ZhK + LNG, që zgjasin nga 17 në 60 sekonda, përmbajtja e metanit në LNG - nga 89.3 në 99.5 përqind. Me
Në përgjithësi, rezultatet e këtyre testeve bënë të mundur përcaktimin e parimeve themelore të zhvillimit të motorit dhe njësive të tij kur përdorni karburantin "ZhK + LNG" dhe për të vazhduar në 2006 në fazën tjetër të kërkimit që përfshin zhvillimin, prodhimin dhe testimin e motorit C5.86. Dhoma e djegies, gjeneratori i gazit, njësia turbopump dhe rregullatorët e këtyre të fundit janë bërë në mënyrë strukturore dhe parametrike posaçërisht për funksionimin në karburantin ZhK + LNG.
Deri në vitin 2009, dy teste zjarri të motorëve C5.86 me një kohëzgjatje prej 68 dhe 60 sekonda u kryen me një përmbajtje metani në LNG prej 97, 9 dhe 97, 7 përqind.
Rezultatet pozitive u morën në fillimin dhe ndalimin e motorit me lëndë djegëse të lëngshme, duke punuar në gjendje të qëndrueshme në drejtim të shtytjes dhe raportit të përbërësve të karburantit (në përputhje me veprimet e kontrollit). Por një nga detyrat kryesore - verifikimi eksperimental i mungesës së akumulimit të fazës së ngurtë në rrugën e ftohjes së dhomës (koks) dhe në rrugën e gazit (blozë) me ndezje mjaft të gjatë - nuk mund të kryhej për shkak të vëllimit të kufizuar të rezervuarëve LNG të stolit (kohëzgjatja maksimale e ndezjes ishte 68 sekonda). Prandaj, në vitin 2010, u mor një vendim për të pajisur stendën për kryerjen e testeve të qitjes me një kohëzgjatje prej të paktën 1000 sekonda.
Si një vend pune i ri, paneli i provës NRC RCP u përdor për testimin e motorëve të raketave të oksigjenit-hidrogjenit të lëngshëm, i cili ka kapacitete të vëllimit përkatës. Në përgatitje për testin, u mor parasysh përvoja e rëndësishme e fituar më parë gjatë shtatë testeve të zjarrit. Në periudhën nga qershori deri në shtator 2010, sistemet e stolit të hidrogjenit të lëngshëm u rafinuan për përdorimin e LNG, motori C5.86 Nr. 2 u instalua në stol, teste gjithëpërfshirëse të matjes, kontrollit, sistemeve të mbrojtjes emergjente dhe u rregullua raporti i konsumit të karburantit dhe presionit në dhomën e djegies.
Rezervuarët e stolit u mbushën me karburant nga rezervuari i transportit të cisternës së karburantit (vëllimi - 56.4 m3 me një karburant prej 16 ton) duke përdorur një njësi të karburantit LNG, duke përfshirë një shkëmbyes nxehtësie, filtra, valvola mbyllës dhe instrumente matëse. Pasi përfundoi mbushja e rezervuarëve, linjat e stolit për furnizimin e përbërësve të karburantit në motor u ftohën dhe u mbushën.
Motori u ndez dhe funksionoi normalisht. Ndryshimet në regjim ndodhën në përputhje me ndikimet e sistemit të kontrollit. Nga 1100 sekonda, temperatura e gazit të gjeneratorit të gazit u rrit vazhdimisht, si rezultat i së cilës u mor një vendim për të ndaluar motorin. Mbyllja u bë me komandë në 1160 sekonda pa asnjë vërejtje. Arsyeja për rritjen e temperaturës ishte rrjedhja e shumëfishtë e daljes së rrugës së ftohjes së dhomës së djegies që u shfaq gjatë provës - një çarje në shtresën e saldimit të hundës së procesit të mbyllur të instaluar në kolektor.
Analiza e rezultateve të testit të kryer të zjarrit bëri të mundur përfundimin:
- në procesin e funksionimit, parametrat e motorit ishin të qëndrueshëm në mënyra me kombinime të ndryshme të raportit të konsumit të përbërësve të karburantit (2.42 në 1 - 3.03 në 1) dhe shtytjes (6311 - 7340 kgf);
-konfirmoi mungesën e formacioneve të fazës së ngurtë në rrugën e gazit dhe mungesën e depozitimeve të koksit në shtegun e lëngshëm të motorit;
- të dhënat e nevojshme eksperimentale janë marrë për të përsosur metodën e llogaritjes për ftohjen e dhomës së djegies kur përdorni LNG si ftohës;
- është studiuar dinamika e daljes së kanalit ftohës të dhomës së djegies në regjimin termik të gjendjes së qëndrueshme;
-konfirmoi korrektësinë e zgjidhjeve teknike për të siguruar fillimin, kontrollin, rregullimin dhe gjëra të tjera, duke marrë parasysh veçoritë e GNL;
-C5.86 i zhvilluar me një shtytje prej 7.5 tf mund të përdoret (vetëm ose në kombinim) si një motor shtytës në etapat premtuese të sipërme dhe fazat e sipërme të automjeteve të lëshimit;
- rezultatet pozitive të testeve të qitjes konfirmuan mundësinë e eksperimenteve të mëtejshme për të krijuar një motor që funksionon me karburant ZhK + LNG.
Në provën tjetër të zjarrit në 2011, motori u ndez dy herë. Para mbylljes së parë, motori funksionoi për 162 sekonda. Në fillimin e dytë, të kryer për të konfirmuar mungesën e formimit të fazës së ngurtë në rrugën e gazit dhe depozitat e koksit në rrugën e lëngshme, u arrit një kohëzgjatje rekord e funksionimit të një motori të këtij dimensioni me një fillim të vetëm - 2007 sekonda, si dhe u konfirmua mundësia e goditjes me shtytje. Testi u ndërpre për shkak të shterimit të përbërësve të karburantit. Koha totale e funksionimit të këtij motori ishte 3389 sekonda (katër nisje). Zbulimi i metave të kryera konfirmoi mungesën e formimit të fazës solide dhe koksit në shtigjet e motorit.
Një grup punimesh teorike dhe eksperimentale me C5.86 Nr.2 konfirmuar:
- mundësia themelore e krijimit të një motori të dimensionit të kërkuar në çiftin e karburantit të përbërësve "ZhK + LNG" me djegien e mëvonshme të gazit të gjeneratorit reduktues, i cili siguron ruajtjen e karakteristikave të qëndrueshme dhe mungesën praktike të një faze të ngurtë në shtigjet e gazit dhe depozitat e koksit në shtigjet e lëngshme të motorit;
-mundësia e ndezjes dhe ndalimit të shumëfishtë të motorit;
-mundësia e funksionimit afatgjatë të motorit;
-korrektësia e zgjidhjeve teknike të miratuara për të siguruar fillimin, kontrollin, rregullimin e shumëfishtë, duke marrë parasysh veçoritë e LNG dhe mbrojtjen emergjente;
-Aftësitë e NIC RCP qëndrojnë për teste afatgjata.
Gjithashtu, në bashkëpunim me NRC RCP, është zhvilluar një teknologji për transportin, karburantin dhe termostatimin e masave të mëdha të LNG dhe janë zhvilluar zgjidhje teknologjike që janë praktikisht të zbatueshme për procedurën e karburantit të produkteve të fluturimit.
LNG - rruga drejt fluturimeve të ripërdorshme
Për shkak të faktit se përbërësit dhe montimet e motorit demonstrues C5.86 Nr.2 për shkak të financimit të kufizuar nuk ishin optimizuar në masën e duhur, nuk ishte e mundur të zgjidheshin plotësisht një numër problemesh, duke përfshirë:
sqarimi i vetive termofizike të LNG si ftohës;
marrja e të dhënave shtesë për të kontrolluar konvergjencën e karakteristikave të njësive kryesore kur simuloni në ujë dhe punoni në GNL;
verifikimi eksperimental i ndikimit të mundshëm të përbërjes së gazit natyror në karakteristikat e njësive kryesore, përfshirë rrugët e ftohjes së dhomës së djegies dhe gjeneratorit të gazit;
përcaktimi i karakteristikave të motorëve të raketave me lëndë djegëse të lëngëta në një gamë më të gjerë ndryshimesh në mënyrat e funksionimit dhe parametrat bazë, si me nisje të vetme ashtu edhe të shumëfishta;
optimizimi i proceseve dinamike gjatë fillimit.
Për të zgjidhur këto probleme, KB Khimmash prodhoi një motor të azhurnuar C5.86A Nr. 2A, njësia e pompës turbo e së cilës ishte për herë të parë e pajisur me një turbinë fillestare, një turbinë kryesore të azhurnuar dhe një pompë karburanti. Rruga e ftohjes së dhomës së djegies është modernizuar dhe gjilpëra e gazit të raportit të karburantit është ridizajnuar.
Një test zjarri i motorit u krye më 13 shtator 2013 (përmbajtja e metanit në GNL - 94.6%). Programi i testimit siguroi tre ndërprerës me një kohëzgjatje totale prej 1500 sekondash (1300 + 100 + 100). Fillimi dhe funksionimi i motorit në gjendje vazhdoi normalisht, por në 532 sekonda sistemi i mbrojtjes emergjente krijoi një komandë të fikjes së urgjencës. Shkaku i aksidentit ishte hyrja e një grimce metalike të huaj në rrugën e rrjedhës së pompës oksiduese.
Pavarësisht nga aksidenti, C5.86A Nr. 2A punoi për një kohë mjaft të gjatë. Për herë të parë, u lëshua një motor, i destinuar për t'u përdorur si pjesë e një faze rakete, e cila kërkon fillimin e shumëfishtë, sipas skemës së zbatuar duke përdorur një akumulator presioni të rimbushshëm në bord. Një mënyrë e qëndrueshme e funksionimit u mor për një mënyrë shtytjeje të dhënë dhe maksimumin e raportit të realizuar më parë të konsumit të përbërësve të karburantit. Rezervat e mundshme për rritjen e shtytjes dhe rritjen e raportit të konsumit të përbërësve të karburantit janë përcaktuar.
Tani KB Khimmash po përfundon prodhimin e një kopjeje të re të C5.86 për testimin e burimit maksimal të mundshëm përsa i përket kohës së funksionimit dhe numrit të fillimeve. Duhet të bëhet një prototip i një motori të vërtetë në karburantin ZhK + LNG, i cili do t'i japë një cilësi të re fazave të sipërme të automjeteve të lëshimit dhe do t'i japë jetë sistemeve të transportit të ripërdorshëm. Me ndihmën e tyre, hapësira do të bëhet e disponueshme jo vetëm për studiuesit dhe shpikësit, por, ndoshta, vetëm për udhëtarët.
