РАБОТЫ КОНСТРУКТОРСКОГО БЮРО ХИММАШ им. А.М. ИСАЕВА ПО ОСВОЕНИЮ ТОПЛИВНОЙ ПАРЫ КОМПОНЕНТОВ «ЖИДКИЙ КИСЛОРОД+СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ»

КБХМ - филиал ГКНПЦ им. М.В. Хруничева:

Николай Николаевич Орлов, главный конструктор
Игорь Александрович Смирнов, генеральный конструктор
Алексей Геннадиевич Яковлев, главный специалист

 

Глобальная тенденция ограничения стоимости космических услуг и обеспечение их экологической безопасности ставит перед конструкторами задачу создания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) на экологически чистых дешевых компонентах при максимально возможном использовании элементов существующих двигателей, конструкторского, материального, технологического и производственного задела.

Одним из таких путей является создание новых двигателей на базе существующего кислородно-водородного ЖРД путем замены дорогого компонента водорода более дешевым сжиженным природным газом с содержанием метана 90…98 %. Поскольку в ракетной технике освоение нового компонента всегда являлось достаточно трудоемкой и дорогостоящей задачей, начать ее решение представлялось целесообразным на базе двигателя средней размерности.

КБхиммаш начало работы (как оказалось, растянувшиеся на годы из-за весьма скудного финансирования) по освоению топливной пары компонентов "жидкий кислород (ЖК) + сжиженный природный газ (СПГ)" с содержанием метана 90…98 % в 1994 г., когда были проведены проектно-расчетные проработки и выработано основное направление по созданию двигателя. Таким направлением стала замена жидкого водорода на СПГ применительно к кислородно-водородному двигателю КВД1 тягой 7,5 тс.

В 1996 г. были проведены автономные испытания газогенератора, в качестве компонентов использовались ЖК и природный газ. Испытания генератора в основном имели целью проверку режимов запуска и устойчивой работы. Были проведены 13 включений газогенератора, которые подтвердили его работоспособность на компонентах ЖК и природный газ и дали результаты, которые были использованы при разработке восстановительных газогенераторов, работающих по открытой и замкнутой схемам. Испытанию подвергался натурный газогенератор двигателя КВД1 без каких-либо доработок, при этом использовалась пиротехническая система зажигания штатного двигателя. В процессе испытаний проверялись режимы работы газогенератора в диапазоне давлений в камере 30…65 кг/см2 при соотношении компонентов 0,30…0,65, была определена граница устойчивости его работы.

В августе-сентябре 1997 г. в КБхиммаш проводились испытания рулевого блока двигателя КВД1. Рулевой блок по существу представляет собой двигатель с вытеснительной системой подачи топлива тягой 200 кгс и номинальным давлением в камере 40 кг/см2. Был испытан один рулевой блок, который выдержал шесть включений с общей наработкой более 450 секунд. При испытаниях давление в камере поддерживалось в диапазоне 42...36 кг/см2. Испытанию подвергался штатный рулевой блок без каких-либо доработок, при этом использовалась пиротехническая система зажигания штатного двигателя.

В августе 1997 г. КБхиммаш приступило к огневым испытаниям полноразмерного двигателя замкнутой схемы тягой 7,5 тс на компонентах ЖК + СПГ. Основой для изготовления явился доработанный двигатель КВД1 замкнутой схемы с дожиганием восстановительного газогенераторного газа, использующий компоненты топлива ЖК + жидкий водород. Камера двигателя охлаждается горючим.

Конструктивные доработки двигателя КВД1 состояли в основном в доработке насоса окислителя. Диаметр рабочего колеса насоса был увеличен для обеспечения необходимого отношения напоров насосов окислителя и горючего. Была также проведена корректировка гидравлической настройки магистралей двигателя для обеспечения расчетного соотношения компонентов.

Использование при этом двигателя-прототипа, ранее прошедшего цикл испытаний на компонентах ЖК + жидкий водород, обеспечило максимальное сокращение затрат на проведение исследования.

Разработка программы испытаний двигателя и соответственно доработка двигателя проводились с учетом:
- минимального финансирования работ для изготовления необходимой материальной части;
- характеристик стенда;
- недостаточного опыта использования компонентов ЖК + СПГ в полномасштабном двигателе замкнутой схемы;
- необходимости накопления знаний для решения инженерно-технических проблем создания двигателя на данных компонентах.

Программа работ перед проведением первого огневого испытания двигателя предусматривала отработку методики осуществления "подготовительных" операций непосредственно перед пуском двигателя и в том числе:
- подготовку (заправку, термостатирование и т.д.) СПГ в стендовых емкостях;
- захолаживание магистралей окислителя и горючего двигателя до температуры жидких компонентов;
- заливку "сплошным" компонентом соответствующих магистралей.

Холодные испытания позволили отработать методику подготовки двигателя и стенда к огневой работе в части обеспечения требуемых параметров СПГ в стендовых емкостях, обеспечения захолаживания магистралей окислителя и горючего до температур, обеспечивающих "захват" компонентов топлива насосами в пусковой период и гарантировать тем самым стабильный и устойчивый запуск двигателя.

Первое огневое испытание двигателя было проведено 22 августа 1997 г. на стенде НИИХМ (в настоящее время НИЦ РКП). В практике КБхиммаш данные испытания являлись первым опытом использования СПГ в качестве горючего для полноразмерного двигателя замкнутой схемы. Поэтому основной задачей испытания считалось получение успешного результата даже, возможно, за счет некоторого снижения параметров, облегчения условий работы двигателя и введения в состав двигателя некоторой схемно-конструктивной избыточности.

Целями испытаний являлись:
- проверка и экспериментальное подтверждение работоспособности основных агрегатов - камеры, газогенератора, турбонасосного агрегата, прошедших отработку применительно к кислородно-водородному двигателю;
- подтверждение правильности выбранных принципов захолаживания, пуска, останова, а также управления двигателем на режиме;
- получение экспериментальных данных для подтверждения и уточнения методов расчетов и проектирования;
- решение основных задач, связанных с использованием стендовых технологий подготовки и проведения испытания, учитывая особенности СПГ.

Управление на этапе выхода на режим и работа на режиме осуществлялись с помощью регулятора тяги (РТ) и регулятора соотношения компонентов (РСК). Программа первого огневого испытания двигателя замкнутой схемы была выполнена полностью. Двигатель отработал заданное время, замечаний по состоянию материальной части после испытания не было. Результаты испытания подтвердили принципиальную возможность использования СПГ в качестве горючего в агрегатах кислородно-водородного двигателя.

В дальнейшем испытания были продолжены. Их целями были более углубленное изучение процессов, связанных с использованием СПГ, проверка работы агрегатов двигателя в более широких условиях использования, оптимизация конструкторских решений. Всего было проведено пять огневых испытаний двух экземпляров двигателя КВД1, адаптированного для использования топливной пары ЖК + СПГ.

В целом результаты этих испытаний позволили определить основные принципы разработки двигателя и его агрегатов при использовании в качестве компонентов ЖК + СПГ и перейти в 2006 г. к следующему этапу исследований: разработке, изготовлению и испытанию двигателя С5.86. Его камера сгорания, газогенератор, ТНА и органы регулирования выполнены конструктивно и параметрически специально для работы на паре ЖК + СПГ. Всего было проведено два огневых испытания двух экземпляров двигателя С5.86 на стенде НИЦ РКП. Результаты испытаний: продолжительность включений - 60 с; тяга - 7000 кгс; давление в камере – 55…62 кгс/см2.

Были получены положительные результаты по запуску и останову ЖРД, работе на установившихся режимах по тяге и соотношению компонентов топлива (в соответствии с управляющими воздействиями). Анализ результатов огневых испытаний подтвердил правильность конструктивных решений, принятых при разработке двигателя С5.86. Получила подтверждение стабильность работы двигателя на режимах с разными сочетаниями тяги и соотношения компонентов топлива. Отработана технология заправки и термостатирования СПГ для обеспечения его сплошности и заданной температуры на входе в двигатель, практически применимая для процедуры заправки летных изделий.

Появилась возможность перейти к следующему этапу работ: опытно-конструкторской разработке.

Подводя итоги, необходимо отметить, что создание двигателя на компонентах ЖК + СПГ требует продолжения научно-исследовательских, теоретических и экспериментальных работ, направленных на оптимизацию технических решений по обеспечению запуска, управления и регулирования, моделирование режимов работы двигателя и обеспечение его работоспособности. При этом основными проблемами, которые целесообразно решить до перехода к опытно-конструкторской разработке (или одновременно с этим), являются:
- экспериментальная проверка отсутствия накопления твердой фазы при достаточно длительных включениях и после штатного останова как в тракте охлаждения камеры, так и в газовом тракте (для этого требуется установка на стенд соответствующих емкостей);
- разработка математической модели двигателя с учетом полученных экспериментальных данных;
- проверка сходимости характеристик основных агрегатов (камеры, газогенератора, турбонасосного агрегата) при их использовании, проверках и настройке на воде, СПГ;
- более глубокая оптимизация системы запуска двигателя;
- экспериментальная проверка возможного влияния состава природного газа на характеристики основных агрегатов;
- получение экспериментальных данных по охлаждающим свойствам СПГ, характеру изменения параметров гидравлического тракта камеры на различных режимах работы камеры (при различных температурах и давлениях).

Литература

Морозов В.И., Заславский Е.Л., Морозов Р.Ф., Орлов Н.Н., Смирнов И.А., Яковлев А.Г. Российские жидкостные ракетные двигатели на экологически чистых компонентах топлива для разгонных блоков ракет-носителей // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" № 3, 2008.