Il carburante per i fornelli è altamente efficiente per i motori a razzo
Razzo e mondo spaziale a un bivio: le tendenze globali richiedono costi inferiori e una maggiore sicurezza ambientale dei servizi spaziali. I progettisti devono inventare nuovi motori a razzo a propellente liquido (LPRE) utilizzando combustibili ecocompatibili, sostituendo l'idrogeno liquido costoso e ad alta intensità energetica con gas naturale liquefatto (GNL) a basso costo con un contenuto di metano del 90-98%. Questo carburante, accoppiato all'ossigeno liquido, permette di realizzare nuovi motori altamente efficienti ed economici con il massimo utilizzo di elementi già esistenti di design, materiale, arretrato tecnologico e produttivo.
Il GNL non è tossico e quando viene bruciato in ossigeno, si formano vapore acqueo e anidride carbonica. A differenza del cherosene, ampiamente utilizzato nei razzi, le fuoriuscite di GNL evaporano rapidamente senza danneggiare l'ambiente.
Primi test
La temperatura di accensione del gas naturale con l'aria e il limite inferiore della sua concentrazione esplosiva sono superiori a quelli dell'idrogeno e dei vapori di cherosene, quindi, nella regione delle basse concentrazioni, rispetto ad altri combustibili idrocarburici, è meno esplosivo.
In generale, il funzionamento del GNL come combustibile per missili non richiede ulteriori misure di prevenzione di incendi ed esplosioni che non siano state utilizzate in precedenza.
La densità del GNL è sei volte quella dell'idrogeno liquido, ma la metà di quella del cherosene. La minore densità porta ad un corrispondente aumento delle dimensioni del serbatoio di GNL rispetto al serbatoio di kerosene. Tuttavia, tenendo conto del rapporto più elevato tra ossidante e consumo di carburante (è circa 3,5 a 1 per il carburante ossigeno liquido (LC) + GNL e 2,7 a 1 per il carburante ZhK + cherosene), il volume totale del carburante ZhK + il GNL rifornito aumenta solo del 20 percento. Tenendo conto dell'effetto dell'indurimento criogenico del materiale, nonché della possibilità di combinare i fondi dei serbatoi LC e GNL, il peso dei serbatoi di carburante sarà relativamente piccolo.
E infine, la produzione e il trasporto di GNL sono stati a lungo controllati.
Il Design Bureau of Chemical Engineering (KB Khimmash) intitolato ad AM Isaev a Korolev, nella regione di Mosca, ha iniziato a lavorare (come si è scoperto, che si è protratto per anni a causa di finanziamenti molto scarsi) sullo sviluppo del carburante ZhK + LNG nel 1994, quando sono stati presi gli studi di progettazione e progettazione e si è deciso di creare un nuovo motore utilizzando la base schematica e strutturale dell'HPC1 ossigeno-idrogeno esistente con una spinta di 7,5 tf, operato con successo come parte dello stadio superiore (Cryogenic Upper Stage) 12KRB del lanciatore indiano GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
Nel 1996 sono stati eseguiti test di accensione autonomi di un generatore di gas utilizzando liquido liquido e gas naturale come componenti del carburante, che erano principalmente finalizzati al controllo dell'avvio e delle modalità di funzionamento stabile - 13 inclusioni hanno confermato l'operabilità del generatore di gas e hanno dato il risultati che sono stati utilizzati nello sviluppo di generatori di gas di recupero operanti su schemi aperti e chiusi.
Nell'agosto-settembre 1997, il Khimmash Design Bureau ha condotto prove antincendio dell'unità di sterzo del motore KVD1 (utilizzando anche gas naturale anziché idrogeno), in cui una camera deviata su due piani con un angolo di ± 39,5 gradi è stata combinata in un struttura unica (spinta - 200 kgf, pressione camera - 40 kg / cm2), valvole di avviamento e arresto, sistema di accensione pirotecnica e azionamenti elettrici - un'unità di sterzo KVD1 standard ha superato sei avviamenti con un tempo di funzionamento totale di oltre 450 secondi e una camera pressione nell'intervallo 42-36 kg / cm2. I risultati del test hanno confermato la possibilità di creare una piccola camera utilizzando il gas naturale come refrigerante.
Nell'agosto 1997, KB Khimmash ha iniziato i test di accensione di un motore a circuito chiuso a grandezza naturale con una spinta di 7,5 tf su carburante ZhK + GNL. La base per la fabbricazione era un motore KVD1 modificato di un circuito chiuso con postcombustione del gas del generatore di gas riducente e raffreddamento della camera con carburante.
La pompa ossidante standard KVD1 è stata modificata: il diametro della girante della pompa è stato aumentato per garantire il rapporto richiesto tra le teste della pompa dell'ossidante e del carburante. Inoltre, è stata corretta la messa a punto idraulica delle linee del motore per garantire il rapporto calcolato dei componenti.
L'uso del motore prototipo, che aveva precedentemente superato il ciclo di test di accensione su LCD + combustibile a idrogeno liquido, ha fornito la massima riduzione dei costi di ricerca.
I test a freddo hanno permesso di elaborare il metodo di preparazione del motore e della postazione per il lavoro a caldo in termini di garanzia dei parametri richiesti di GNL nei serbatoi da banco, raffreddamento delle linee dell'ossidatore e del carburante a temperature che garantiscono un funzionamento affidabile delle pompe durante il periodo di avviamento e avviamento del motore stabile e stabile.
Il primo test antincendio del motore ebbe luogo il 22 agosto 1997 presso lo stand dell'impresa, che oggi si chiama Scientific Test Center of the Rocket and Space Industry (SRC RCP). Nella pratica di KB Khimmash, questi test sono stati la prima esperienza di utilizzo del GNL come carburante per un motore a circuito chiuso a grandezza naturale.
L'obiettivo del test era ottenere un risultato positivo grazie a una certa riduzione dei parametri e all'agevolazione delle condizioni di funzionamento del motore.
Il controllo del raggiungimento della modalità e del funzionamento in modalità è stato effettuato utilizzando i controller dell'acceleratore e il rapporto tra il consumo di componenti del carburante utilizzando gli algoritmi HPC1, tenendo conto dell'interazione dei canali di controllo.
Il programma della prima prova di accensione del motore a circuito chiuso è stato completato in pieno. Il motore ha funzionato per un tempo specificato, non ci sono stati commenti sulle condizioni della parte materiale.
I risultati dei test hanno confermato la fondamentale possibilità di utilizzare il GNL come carburante nelle unità di un motore ossigeno-idrogeno.
C'è molto gas, niente coca
Successivamente sono proseguite le prove con l'obiettivo di approfondire i processi legati all'utilizzo del GNL, verificando il funzionamento dei gruppi motore in condizioni applicative più ampie, e ottimizzando le soluzioni progettuali.
In totale, dal 1997 al 2005, si sono svolte cinque prove di accensione di due copie del motore KVD1, adattate per l'uso di carburante ZhK + GNL, della durata da 17 a 60 secondi, il contenuto di metano nel GNL - dall'89,3 al 99,5%.
Nel complesso, i risultati di questi test hanno permesso di determinare i principi di base dello sviluppo del motore e delle sue unità quando si utilizza il carburante "ZhK + GNL" e di procedere nel 2006 alla fase successiva di ricerca che coinvolge lo sviluppo, la produzione e collaudo del motore C5.86. La camera di combustione, il generatore di gas, il gruppo turbopompa e i regolatori di quest'ultimo sono strutturalmente e parametricamente realizzati appositamente per il funzionamento con combustibile ZhK + GNL.
Entro il 2009 sono stati effettuati due test antincendio dei motori C5.86 con una durata di 68 e 60 secondi con un contenuto di metano in GNL del 97, 9 e 97, 7 per cento.
Risultati positivi sono stati ottenuti all'avviamento e all'arresto del motore a propellente liquido, operando a regime stazionario in termini di spinta e rapporto tra i componenti del carburante (in accordo con le azioni di controllo). Ma uno dei compiti principali - la verifica sperimentale dell'assenza di accumulo di fase solida nel percorso di raffreddamento della camera (coke) e nel percorso del gas (fuliggine) con accensioni sufficientemente lunghe - non ha potuto essere eseguito a causa del volume limitato di serbatoi GNL da banco (la durata massima di accensione è stata di 68 secondi). Pertanto, nel 2010, è stata presa la decisione di attrezzare lo stand per condurre test di tiro con una durata di almeno 1000 secondi.
Come nuovo posto di lavoro, il banco di prova NRC RCP è stato utilizzato per testare i motori a razzo a propellente liquido ossigeno-idrogeno, che ha capacità del volume corrispondente. In preparazione alla prova si è tenuto conto della significativa esperienza maturata in precedenza durante le sette prove antincendio. Nel periodo da giugno a settembre 2010 sono stati affinati i sistemi da banco di idrogeno liquido per l'utilizzo di GNL, è stato installato il motore C5.86 n. 2 al banco, prove complete dei sistemi di misurazione, controllo, protezione di emergenza e sono state eseguite la regolazione del rapporto tra consumo di carburante e pressione nella camera di combustione.
I serbatoi da banco sono stati riempiti con carburante dal serbatoio di trasporto dell'autocisterna di rifornimento (volume - 56,4 m3 con un rifornimento di 16 tonnellate) utilizzando un'unità di rifornimento di GNL, inclusi uno scambiatore di calore, filtri, valvole di intercettazione e strumenti di misurazione. Terminato il riempimento dei serbatoi, le linee di banco per l'alimentazione dei componenti del carburante al motore sono state raffreddate e riempite.
Il motore si è avviato e ha funzionato normalmente. I cambiamenti nel regime sono avvenuti in accordo con le influenze del sistema di controllo. Da 1100 secondi, la temperatura del gas del generatore di gas è aumentata costantemente, a seguito della quale è stata presa la decisione di spegnere il motore. L'arresto è avvenuto a comando a 1160 secondi senza alcun commento. La ragione dell'aumento della temperatura è stata la perdita del collettore di uscita del percorso di raffreddamento della camera di combustione che si è verificata durante il test: una crepa nel cordone di saldatura dell'ugello di processo ostruito installato sul collettore.
L'analisi dei risultati della prova antincendio condotta ha permesso di concludere:
- nel processo di funzionamento, i parametri del motore erano stabili in modalità con varie combinazioni del rapporto tra il consumo di componenti del carburante (2,42 a 1 - 3,03 a 1) e spinta (6311 - 7340 kgf);
-confermata l'assenza di formazioni di fase solida nel percorso del gas e l'assenza di depositi di coke nel percorso del liquido del motore;
- sono stati ottenuti i dati sperimentali necessari per affinare il metodo di calcolo per il raffreddamento della camera di combustione quando si utilizza il GNL come refrigeratore;
- è stata studiata la dinamica dell'uscita del canale di raffreddamento della camera di combustione al regime termico stazionario;
-ha confermato la correttezza delle soluzioni tecniche per garantire l'avviamento, il controllo, la regolazione e altro, tenendo conto delle peculiarità del GNL;
-il C5.86 sviluppato con una spinta di 7,5 tf può essere utilizzato (da solo o in combinazione) come motore di propulsione in promettenti stadi superiori e stadi superiori di veicoli di lancio;
- i risultati positivi dei test di accensione hanno confermato la fattibilità di ulteriori esperimenti per creare un motore funzionante con carburante ZhK + GNL.
Al successivo test antincendio nel 2011, il motore è stato acceso due volte. Prima del primo arresto, il motore ha funzionato per 162 secondi. Al secondo avviamento, effettuato per confermare l'assenza di formazione di fase solida nel percorso del gas e depositi di coke nel percorso del liquido, è stata raggiunta una durata record di funzionamento di un motore di queste dimensioni con un solo avviamento - 2007 secondi, così come è stata confermata la possibilità di strozzamento della spinta. Il test è stato interrotto a causa dell'esaurimento dei componenti del carburante. Il tempo di funzionamento totale di questa istanza del motore è stato di 3389 secondi (quattro avviamenti). Il rilevamento dei difetti eseguito ha confermato l'assenza di fase solida e formazione di coke nei percorsi del motore.
Una serie di lavori teorici e sperimentali con C5.86 n. 2 ha confermato:
- la fondamentale possibilità di realizzare un motore della dimensione richiesta sulla coppia di combustibili dei componenti "ZhK + GNL" con la postcombustione del gas generatore riducente, che assicuri il mantenimento delle caratteristiche stabili e la pratica assenza di fase solida nel percorsi del gas e depositi di coke nei percorsi del liquido del motore;
-la possibilità di avviamenti e arresti multipli del motore;
-la possibilità di funzionamento a lungo termine del motore;
-la correttezza delle soluzioni tecniche adottate per garantire molteplici avviamenti, controlli, regolazioni, tenendo conto delle caratteristiche del GNL e della protezione in emergenza;
-Le funzionalità del NIC RCP stanno per test a lungo termine.
Inoltre, in collaborazione con NRC RCP, è stata sviluppata una tecnologia per il trasporto, il rifornimento e la termostatazione di grandi masse di GNL e sono state sviluppate soluzioni tecnologiche praticamente applicabili per la procedura di rifornimento dei prodotti di volo.
GNL: la strada per i voli riutilizzabili
A causa del fatto che i componenti e gli assiemi del motore dimostratore C5.86 n. 2 a causa dei finanziamenti limitati non sono stati ottimizzati nella misura adeguata, non è stato possibile risolvere completamente una serie di problemi, tra cui:
chiarimento delle proprietà termofisiche del GNL come refrigerante;
ottenere dati aggiuntivi per verificare la convergenza delle caratteristiche delle unità principali durante la simulazione sull'acqua e l'esercizio a GNL;
verifica sperimentale della possibile influenza della composizione del gas naturale sulle caratteristiche delle unità principali, inclusi i percorsi di raffreddamento della camera di combustione e del generatore di gas;
determinazione delle caratteristiche dei motori a razzo a propellente liquido in una più ampia gamma di cambiamenti nelle modalità operative e nei parametri di base sia con avviamenti singoli che multipli;
ottimizzazione dei processi dinamici all'avvio.
Per risolvere questi problemi, KB Khimmash ha prodotto un motore C5.86A n. 2A aggiornato, la cui unità turbopompa è stata per la prima volta dotata di una turbina di avviamento, una turbina principale aggiornata e una pompa del carburante. Il percorso di raffreddamento della camera di combustione è stato modernizzato e lo spillo della valvola a farfalla del rapporto del carburante è stato ridisegnato.
Il 13 settembre 2013 è stato effettuato un test antincendio del motore (contenuto di metano nel GNL - 94,6%). Il programma di test prevedeva tre interruttori con una durata totale di 1500 secondi (1300 + 100 + 100). L'avvio e il funzionamento del motore nella modalità sono proceduti normalmente, ma a 532 secondi il sistema di protezione di emergenza ha generato un comando di arresto di emergenza. La causa dell'incidente è stata l'ingresso di una particella metallica estranea nel percorso del flusso della pompa dell'ossidante.
Nonostante l'incidente, C5.86A n. 2A ha funzionato per molto tempo. Per la prima volta è stato lanciato un motore, destinato all'uso come parte di uno stadio a razzo, che richiede più avviamenti, secondo lo schema implementato utilizzando un accumulatore di pressione ricaricabile a bordo. È stata ottenuta una modalità operativa stabile per una data modalità di spinta e il massimo del rapporto precedentemente realizzato del consumo dei componenti del carburante. Sono state determinate le possibili riserve per aumentare la spinta e aumentare il rapporto tra il consumo di componenti del carburante.
Ora KB Khimmash sta completando la produzione di una nuova copia di C5.86 per testare la massima risorsa possibile in termini di tempo di funzionamento e numero di avviamenti. Dovrebbe diventare un prototipo di un vero motore a combustibile ZhK + GNL, che darà una nuova qualità agli stadi superiori dei veicoli di lancio e darà vita a sistemi di trasporto riutilizzabili. Con il loro aiuto, lo spazio sarà disponibile non solo per ricercatori e inventori, ma, forse, solo per i viaggiatori.
