УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
ПРИ ДОБАВЛЕНИИ К ТОПЛИВУ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРИСАДОК

НПО Энергомаш: Владимир Чванов, Игорь Фатуев, Валерий Гапонов, Леонид Стернин

Из 54 успешных запусков ракет, осуществленных в мире в 2004 г., Российская Федерация произвела 23, что составляет 42,6 %: пока Россия является мировым лидером по обеспечению доставки полезных грузов на орбиту. Но… В основном нами используются старые ракеты - "Союз" (40 %) и "Протон" (35 %). Запас технических мероприятий по модернизации этих носителей-ветеранов практически иссяк. Проведение НИР и НИОКР, связанных с совершенствованием средств выведения в целом и двигателей в частности, требует огромных инвестиций. В НПО Энергомаш предложен новый малозатратный способ улучшения основных технических и энергомассовых характеристик эксплуатируемых ЖРД.

Общее состояние в сфере запусков космических аппаратов в ближний и дальний космос определяется интересами имеющих доступ в космическое пространство стран в области обороны, науки, экологии, метеорологии, спутниковой связи и др. Присутствие в космическом пространстве имеет стратегическое значение, поэтому неудивительно, что в последние годы появились новые страны, которые создали у себя космические отрасли промышленности и успешно развивают собственные космические программы. В первую очередь, это - Китай и Индия. Все более настойчивые попытки в этой области предпринимают Южная Корея, Япония, Бразилия, Израиль. Таким образом, мировой парк средств выведения растет. Вместе с тем, существенного увеличения общего количества запусков РН, эксперты не прогнозируют. Это во многом объясняется тем, что современные КА становятся все более долгоживущими, способными выполнять свои задачи в течение многих лет, а осуществление любой космической программы остается весьма дорогостоящим делом. К сожалению, пока не удается существенно снизить стоимость вывода на орбиту единицы массы полезного груза. Как отмечается в одной из публикаций "современное состояние мирового космического рынка характеризуется избытком предлагаемых РН при ограниченном спросе на пусковые услуги". В связи с этим среди подрядчиков усиливается конкурентная борьба за заказы на запуски КА. Одним из инструментов в этой борьбе является недорогая модернизация эксплуатируемых носителей с целью повышения их эффективности.

Энергомассовая эффективность ЖРД определяется уровнем его основных (тяга, удельный импульс) и габаритно-массовых параметров. Эти параметры, в свою очередь, определяют проектно-баллистические параметры и габаритно-массовые характеристики ракеты-носителя. Для повышения энергомассовых характеристик двигателя требуется повышать энергонапряженность его агрегатов, в том числе ТНА. Появляется противоречие: с одной стороны, повышение энергонапряженности необходимо для увеличения удельных параметров ЖРД, с другой стороны - снижение энергонапряженности обеспечивает ресурс и надежность носителя. Разрешение этого противоречия, как будет показано ниже, можно достичь путем одновременного снижения потерь давления в гидравлических трактах двигателя, повышения к.п.д. насосов и турбин, а также улучшения кавитационных характеристик агрегатов подачи топлива.

Рассмотрим проблемы совершенствования насосов ТНА ЖРД и снижения гидравлических потерь в трактах. Энергонапряженность ТНА можно характеризовать его потребной удельной мощностью (мощностью, отнесенной к массе ТНА), которая уменьшается, если увеличивать к.п.д. и уменьшать потребный напор насосов. В ЖРД, работающих по схеме с дожиганием турбогаза в камере сгорания, снижение потребной мощности ТНА не влияет на удельный импульс, но при фиксированном давлении в камере сгорания позволяет уменьшить необходимые давление и температуру на входе в турбину. Это увеличивает надежность и снижает массу ТНА. В двигателях, работающих по схеме с автономной турбиной, снижение потребной мощности ТНА уменьшает расход газа через турбину, и, следовательно, запас рабочего тела турбины на борту РН. Тем самым, можно увеличить массу полезного груза ракеты-носителя, в том числе благодаря некоторому повышению удельного импульса ЖРД.

Рассмотрим составляющие мощности агрегата подачи ЖРД на примере насоса горючего, подающего компонент в камеру сгорания двигателя (схема с дожиганием окислительного турбогаза). Потребное давление на выходе из насоса определяется давлением в камере сгорания и потерями давления в магистрали от выхода из насоса до входа в камеру сгорания. Последние состоят из потерь из-за трения в тракте регенеративного охлаждения камеры и местных потерь различного характера. Гидросопротивление тракта регенеративного охлаждения камеры составляет довольно большую величину. Например, в двигателях схемы с дожиганием окислительного турбогаза разработки НПО Энергомаш на топливе кислород-керосин величина гидропотерь составляет около 30 % и более от напора насоса.

Практически во всех схемах ЖРД для обеспечения бескавитационной работы основных насосов, применяются бустерные насосные агрегаты (БНА). Привод турбины БНА обычно осуществляется с помощью расхода жидкости высокого давления, отбираемой после основного насоса. Это определяет дополнительную долю мощности основного насоса, связанную с приводом БНА, в современных ЖРД составляющую около 7 %. Мощность БНА, в первую очередь, определяется уровнем антикавитационных качеств основного насоса, а также экономичностью и антикавитационными качествами самого БНА. Таким образом, потребная мощность ТНА ЖРД определяется: совершенством (низкими гидравлическими потерями) гидравлических трактов топливных магистралей и тракта регенеративного охлаждения камеры; экономичностью насосов ТНА и БНА; уровнем антикавитационных качеств насосов ТНА и БНА.

Снижение той доли гидравлических потерь в ЖРД, которая определяется потерями из-за трения, означает снижение коэффициента потерь из-за трения , зависящего от числа Рейнольдса в тракте и шероховатости поверхностей гидравлических трактов. Технология изготовления материальной части на предприятиях аэрокосмической отрасли достаточно высока. Для условий течения жидкости в трактах ЖРД такие поверхности являются гидравлически гладкими. Следовательно, возможностей снижения коэффициента традиционными путями нет.

Достигнутый к настоящему времени уровень к.п.д. в насосах агрегатов подачи ЖРД достаточно высок. Что касается повышения антикавитационных качеств, то в одних случаях это приводит к уменьшению к.п.д. и увеличению массы насосов; в других же случаях требуется усложнение конструкции насосного агрегата, что тоже может приводить к увеличению его массы.

На современном этапе дальнейшее улучшение экономичности и кавитационных характеристик насосов ЖРД является весьма затратоемкой задачей. Добиться успехов в этой области при создании насосов БНА и ТНА можно при условии широкого применения новейших вычислительных методов расчета трехмерных потоков жидкости и экспериментальной отработки насосов на модельных и натурных установках. При этом сложность и затраты при разработке нового насоса пропорциональны уровню к.п.д. и кавитационных параметров, достигнутых на настоящий момент. Такие работы, конечно, введутся в ряде организаций, в том числе и в НПО Энергомаш, но это не исключает и использования других путей, ведущих к эффективному повышению рассмотренных выше характеристик.

В сложившейся ситуации особый интерес представляет собой эффект, сопровождающий течение сильно разбавленных (10-3...10-2 % по массе) растворов высокомолекулярных полимеров (ВМП). Основной особенностью такого потока является аномально низкое гидравлическое сопротивление трения при турбулентном режиме течения. Это явление, по имени его открывателя (1948 г.), носит название "эффекта Томса". Многочисленные исследования показали, что величина снижения гидросопротивления зависит от концентрации полимера в растворе, характеристик потока и ограничивающих его стенок, свойств полимера, растворителя и может достигать в трубах 80 %. При работе лопастных насосов на жидкости с растворенными ВМП происходит возрастание напора и к.п.д. Заметно улучшаются кавитационные характеристики насосов и снижается кавитационная эрозия.

Природа этого явления заключается в воздействии растворенных молекул полимера на структуру турбулентного течения в пристенной зоне между ламинарным подслоем и зоной с логарифмическим распределением скорости. Развернутые и ориентированные по потоку молекулярные цепи полимера препятствуют поперечному переносу. При этом происходит диссипация энергии поперечных струй, что обуславливает снижение турбулентного трения.

Использование ВМП в качестве присадки в компоненте ракетного топлива приводит к уменьшению гидравлических потерь в трактах двигателя, в том числе в агрегатах подачи, и в тракте регенеративного охлаждения камеры. Кроме того, в насосах, при работе с полимерной присадкой, как отмечалось выше, улучшаются кавитационные характеристики и снижается интенсивность кавитационной эрозии.

Напомним, что растворенные молекулы полимера уменьшают турбулентное трение, которое в жидкости имеет место всегда. Поэтому полимерная присадка позволяет добиться дополнительного снижения гидропотерь в трактах ЖРД любой степени совершенства.

Все это в совокупности позволяет для двигателей с дожиганием турбогаза: либо уменьшить потребную мощность насосов и, соответственно, потребную мощность турбины ТНА, что дает возможность понизить температуру генераторного газа на входе в турбину при номинальном значении тяги двигателя и, тем самым, повысить стойкость к возгоранию в газовом тракте, улучшить напряженно-деформированное состояние конструкции и, как следствие, повысить ресурс и надежность двигателя в целом; либо, сохраняя номинальной температуру генераторного газа, можно увеличить давление в камере сгорания, т.е. форсировать двигатель по тяге, что обуславливает увеличение массы полезного груза, выводимого носителем.

В двигателях без дожигания генераторного газа уменьшение потребной мощности ТНА позволяет уменьшить запас рабочего тела на привод турбины и несколько увеличить удельный импульс двигателя. В конечном счете, это существенно увеличивает массу полезного груза, выводимого носителем.

В НПО Энергомаш была разработана и реализована крупномасштабная программа экспериментальных исследований влияния полимерной присадки в ракетном горючем типа керосина на характеристики агрегатов ЖРД, включающая автономные испытания отдельных агрегатов ЖРД и серию огневых испытаний самого мощного ЖРД в мире - двигателя РД170 разработки НПО Энергомаш. В качестве присадки, после предварительных экспериментов, был выбран высокомолекулярный полиизобутилен (ПИБ) российского производства. Как продукт, ПИБ относится к синтетическим каучукам, не токсичен, его производство хорошо освоено, стоимость, как и потребляемое для наших целей количество, - ничтожно малы.

Суммарное время работы двигателя с присадкой ПИБ в горючем составило 377 секунд. Положительный эффект в агрегатах подачи и в тракте регенеративного охлаждения камер двигателя оказался, сверх оптимистических ожиданий, настолько большим, что позволяет рассматривать применение полимерной присадки в компонентах ракетного топлива как новый малозатратный способ улучшения основных технических и энергомассовых характеристик эксплуатируемых ЖРД.
Ниже приведены величины прироста параметров агрегатов двигателя РД170, вызванные присутствием ПИБ в горючем, в процентах от их номинальных значений: приведенный напор бустерного насоса - 12,7 %, напор первой ступени основного насоса - 6,5 %, суммарный к.п.д. первой ступени основного насоса - 13,5 %, напор второй ступени основного насоса - 12,5 %, гидропотери в тракте регенеративного охлаждения камеры минус 19,5 %.

В процессе выполнения программы исследований по этой теме были рассмотрены и изучены проблемы, возникающие в связи с внедрением модифицированного компонента ракетного топлива. Присутствие ПИБ в керосине не оказывает отрицательного влияния на термодинамику топлива и на рабочие процессы в камере сгорания. Присадка не оказывает влияние на качество распыла и другие процессы в камере сгорания, что подтверждает факт отсутствия замечаний в работе двигателя. В частности не обнаружено увеличения уровня пульсаций давления в камере сгорания и вибраций камеры при работе двигателя РД170 с присадкой ПИБ.

Экспериментально доказана термодинамическая стабильность растворов ПИБ в керосине в течение, по крайней мере, 3,5 месяцев при многократном изменении температуры в течение этого времени от +25 до -50 °С. Кроме этого, установлено, что в этом диапазоне температур присадка ПИБ не ухудшает стандартизованных показателей качества керосина.

Процесс растворения высокомолекулярных полимеров в керосине происходит медленно, через стадию набухания. Поэтому получение раствора ПИБ в горючем для использования в огневых испытаниях проводилось через стадию получения концентрированного раствора (1…2 %) в специально сконструированной установке. Далее необходимое количество концентрированного раствора методом выдавливания подавалось в расходные баки. Равномерность распределения ПИБ в баке достигалось барботированием всей массы жидкости газообразным азотом. Контроль количества растворенной присадки осуществляется измерением вязкости раствора. Вероятно, что такая технология наиболее целесообразна при подготовке пуска РН. Возможна следующая этапность эксплуатации: ПИБ, как продукт, хранится на складе; концентрированный раствор горючего готовится в месте заправки РН; концентрированный раствор вносится в горючее на стартовой позиции непосредственно при подготовке РН к пуску.

Очевидно, что максимальное снижение мощности ТНА можно получить, если добавлять полимерную присадку в оба компонента топлива. Однако пока не имеется сведений о возможности существования разбавленных полимерных растворов в криогенных жидкостях таких, например, как жидкий кислород. Поэтому в практическом плане максимальное снижение мощности ТНА с помощью полимерных присадок можно получить, когда оба компонента топлива являются высококипящими. Среди средств выведения, маршевые двигатели которых работают на высококипящих компонентах АТ и НДМГ, можно назвать РН "Протон", "Циклон", "Космос", "Днепр" (Россия), "CZ" (Китай), "GSLV" (Индия). Известны экспериментальные работы на автономных установках по влиянию полимерной присадки в этих компонентах топлива на энергетическую эффективность ТНА и эффективность регенеративного охлаждения камеры ЖРД. Результаты этих испытаний весьма обнадеживают. Например, с помощью полимерной присадки в АТ и НДМГ удалось снизить мощность ТНА ЖРД на 11 %. К сожалению, дальше автономных испытаний этих агрегатов дело не пошло.

Расчетный анализ эффективности применения полимерной присадки ПИБ в РН с кислородно-керосиновыми двигателями показывает следующее. Использование ПИБ в РН "Союз", с помощью которой осуществляется приблизительно 40 % запусков в Российской Федерации, позволяет увеличить массу полезного груза из-за экономии на борту РН запаса рабочего тела на привод турбин ТНА маршевых двигателей. Экономия пероксида водорода (первая и вторая ступени) составляет приблизительно 450 кг. Экономия компонентов топлива двигателя третьей ступени составляет приблизительно 76 кг. Для оценки возможного увеличения массы полезного груза РН "Союз" за счет использования присадки ПИБ необходимы специальные расчеты с использованием соответствующих баллистических производных.

Наличие ПИБ в горючем позволяет выбрать режимы работы маршевых двигателей РН "Зенит" с уменьшенными значениями температуры генераторного газа на входе в турбину ТНА и скорости вращения вала ТНА, что повышает их ресурс и надежность. Двигатели будут обеспечивать номинальные параметры при значении температуры на входе в турбину примерно на 7 % меньшей номинальной и при значении скорости вращения ротора ТНА примерно на 1 % меньше номинальной. Использование горючего с присадкой ПИБ в РН "Зенит" позволит увеличить массу полезного груза, выводимого на переходную к геостационарной орбиту, на 1,8 % без увеличения скорости вращения ротора ТНА и на 17 % без изменения температуры газа на входе в турбину ТНА маршевых двигателей, если в последнем случае имеется возможность их форсирования на 10 %.

Вышеприведенное относится к случаю использования полимерной присадки в эксплуатируемых двигателях. Расчетная оценка показывает, что еще больший положительный эффект можно получить, если использовать ЖРД, специально спроектированный для работы с полимерной присадкой. В этом случае дополнительный выигрыш получается из-за возможности повышения давления камере сгорания и соответствующего поджатия критического сечения сопла, а также меньших габаритов и массы агрегатов подачи.