КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЕ ЖРД ДЛЯ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ И ВЕРХНИХ СТУПЕНЕЙ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ

КБХИММАШ ИМ. А.М. ИСАЕВА - ФИЛИАЛ ФГУП "ГКНПЦ ИМ. М.В. ХРУНИЧЕВА":

Владимир Иванович Морозов, ведущий специалист

Валерий Юрьевич Пиунов, заместитель генерального конструктора

 

В 70-х годах прошлого века прошел полный цикл стендовой oтработки, предназначенный для использования в составе комплекса Н1-ЛЗ, разгонный блок "Р" с кислородно-водородным двигателем 11Д56М, разработанным в КБХиммаш им. А.М. Исаева. В эксплуатацию этот РБ не был принят только лишь по причине закрытия программы Н1-JI3, однако и после ее закрытия двигатели 11Д56М в течение нескольких лет периодически испытывались на наземном стенде, показав рекордную наработку на одном экземпляре (25000 с) и подтвердив высокие энергетические характеристики (удельный импульс - 445 с при соотношении расходов компонентов топлива - 6 и тяге 7500 кгс).

На основе этого двигателя в период с 1991 по 2000 годы по заказу ISRO (Индия) в КБХиммаш им. A.M. Исаева был спроектирован, освоен в производстве и отработан кислородно-водородный двигатель КВД1 для криогенного разгонного блока 12КРБ, который прошел два летно-конструкторских испытания в составе индийской РН GSLV и успешно эксплуатируется в настоящее время (проведено три коммерческих пуска РН GSLV). Технология производства двигателя КВД1 к настоящему времени сохранена, производство его может быть возобновлено в течение 1,5 лет. Поэтому данный двигатель можно рассматривать в качестве базового двигателя экологически чистых кислородно-водородных РБ для разрабатываемых в настоящее время РН семейства "Ангара", РН "Союз 2-16", "Союз-3". Модификации этого двигателя могут быть использованы также в качестве двигателей 3-й ступени РН "Ангара V" и второй ступени PН "Русь-М".

Двигатель КВД1 (удельный импульс - 459 с при соотношении расходов компонентов топлива – 5,8 и тяге 7500 кгс) в полном составе или отдельные его функциональные элементы могут быть использованы в ряде РБ разных размерностей, в этом смысле он является универсальным двигателем; кроме того конструктивное исполнение двигателя допускает возможность модернизации (без существенных затрат средств и времени) отдельных его частей при сохранении характеристик, определяющих работоспособность двигателя в целом.

Указанные выше возможности обусловлены не имеющим аналогов в мировой практике создания кислородно-водородных ЖРД блочным принципом построения с функциональной ориентацией каждого блока, благодаря чему, исходя из потребности, в РБ могут быть использованы как весь комплект блоков двигателя, так и его отдельные конструктивно автономные блоки.

В состав комплекта блоков двигателя КВД1 входят:
- маршевый блок (БМ),
- два рулевых блока (БР),
- блок бустера горючего (ББГ),
- блок бустера окислителя (ББО),
- блок управления (БУ),
- комплект монтажных частей (КМЧ).

Конструктивное единство двигателя образуется в составе двигательной установки (ДУ), после соединения соответствующих входов и выходов блоков трубопроводами ДУ.

Маршевый блок представляет собой ЖРД, выполненный по схеме с дожиганием рабочего тела турбины турбонасосного агрегата (ТНА) в камере, в состав которого входят ТНА, камера дожигания (КД) с охлаждаемым высотным насадком. Газогенератор, элементы регулирования тяги (РТ) и соотношения компонентов топлива (РСК) - дроссели с электроприводами, элементы системы запуска двигателя, пускоотсечные и дренажные клапаны в напорных магистралях, рама для неподвижного крепления БМ к шпангоуту бака ДУ, функциональные датчики расходов и температур компонентов топлива.

Конструкция рамы предполагает расположение БМ в днище бака ДУ, что уменьшает строительную высоту РБ.

Рулевой блок представляет собой сборку, включающую рулевую камеру, установленную в двухстепенном шарнирном подвесе, с рамой и закрепленными в ней двумя электроприводами ЭП-24 для качания рулевой камеры, отсечные и обратный клапаны. БР целесообразно закреплять на силовых элементах бака в двигательном отсеке РБ как можно ближе к периферии отсека.

ББГ и ББО также являются автономными сборочными единицами:

ББГ - сборка бустерного ТНА с клапаном входа (разделительным клапаном в расходной магистрали из бака горючего) и отсечными клапанами в гидравлических магистралях блока, смонтированная на основании, являющемся частью днища бака горючего ДУ, в котором должен устанавливаться ББГ;

ББО - сборка бустерного ТНА с клапаном входа окислителя (разделительным клапаном в расходной магистрали из бака окислителя) и отсечными клапанами в магистралях блока, - должна устанавливаться в баке окислителя ДУ;

БУ - сборка комплекта электропневмоклапанов, объединенных по входам общим коллектором подвода газа управления и размещенных в кожухе - контейнере - устанавливается в двигательном отсеке РБ;

КМЧ представляет собой набор одноразовых изолирующих и разделительных пиротехнических устройств, обеспечивающих надежную изоляцию полостей двигателя от полостей баков и окружающей.

В соответствии с функциональной ориентацией блоки двигателя КВД1 обеспечивают:

БМ - создание тяги в направлении продольной оси объекта, питание БР компонентами топлива, подачу рабочего тела турбин ББО, ББГ с необходимыми параметрами, подачу пускового рабочего тела в ББГ, выдачу информационных сигналов об объемных расходах компонентов топлива через двигатель в систему управления (СУ) РБ, изменение тяги и соотношения компонентов двигателя по командам СУ РБ, выработку и подачу рабочего тела наддува бака горючего ДУ, дренаж из полостей двигателя и расходных магистралей ДУ при захолаживании, заливке магистралей двигателя и ДУ после останова двигателя;

БР - угловое отклонение вектора тяги двигателя путем поворота электроприводами рулевых камер в двухстепенных подвесах;

ББГ и ББО - подачу рабочих тел захолаживания магистралей ДУ и двигателя, подачу окислителя и горючего из баков ДУ в БМ с необходимыми параметрами при запуске и работе двигателя на режиме; полную герметизацию выходов из баков в расходные магистрали ДУ РБ вплоть до начала операций по захолаживанию двигателя; герметичное закрытие выходов баков ДУ в паузах между включениями двигателя и открытие их при включениях двигателя; работоспособность ДУ при минимальных превышениях давлений компонентов топлива над давлением насыщенных паров (по баку горючего - без превышения давления над упругостью пара) в баках ДУ;

БУ - подачу газа управления пневмоклапанами в БМ, БР, ББО, ББГ. а также газа продувки полостей окислителя в БМ, БР.

В целом комплект блоков двигателя обеспечивает выполнение следующих функций:

- создание тяги в направлении продольной оси объекта;

- создание управляющих моментов для стабилизации объекта в плоскостях тангажа, рыскания и крена;

- обеспечение работоспособности ДУ при минимальных превышениях давлений компонентов топлива над давлением насыщенных паров (по баку горючего - без превышения давления над упругостью бака) в баках ДУ;

- минимизация затрат инертного газа (гелия) на наддув баков ДУ благодаря снижению потребного давления наддува бака окислителя;

- выработка и подача рабочего тела наддува бака горючего ДУ;

- консервация полостей двигателя и баков ДУ;

- шестикратное включение ДУ;

- проведение подготовительных операций (захолаживание, заливка полостей) перед запуском ДУ;

- изменение тяги и соотношения расходов компонентов по командам СУ объекта;

- герметичное закрытие выходов баков ДУ в паузах между включениями двигателя и открытие их при включениях двигателя;

- выполнение циклограммы включения двигателя по командам СУ;

- безаварийное выключение ДУ при окончании поступления окислителя на вход в двигатель.

Следует отметить, что, благодаря блочному принципу построения, двигатель КВД1 по функциональной насыщенности не имеет равных в мире; причем конструкция его самодостаточна для выполнения всех вышеперечисленных функций, т.е. не требует дополнительного оборудования ДУ, например, - бортовых источников питания гиросистем для выполнения функции стабилизации объекта, или специального оборудования стартового комплекса для обеспечения кондиций среды в полостях ДУ в период подготовки ее на техническом и стартовом комплексах перед стартом РН.

Кроме того, указанное выше распределение функций между блоками двигателя существенно расширяет возможности его модернизации, так как исключается влияние конструктивных изменений, проведенных в одном из блоков двигателя, на функциональные характеристики остальных блоков. Например, введение выдвижного насадка сопла камеры маршевого блока с целью повышения удельного импульса двигателя не влияет на амплитудно-частотные характеристики исполнительных органов системы стабилизации, которые в данном случае определяются кинематикой качания рулевых камер в составе БР; изменение состава, компоновки или замены материалов конструкции элементов ББО, ББГ, БУ для снижения их масс не влияет на резонансные характеристики конструкции БМ (что было бы неизбежно при изменении аналогичных элементов в составе БМ) и, следовательно, не может привести к изменению вибростойкости конструкции БМ.

В результате отпадает необходимость дополнительной отработки (обязательной для моноблочной конструкции), имеющей целью экспериментальное обоснование работоспособности и характеристик модернизированного двигателя в составе полного комплекта блоков, (функционально аналогичного моноблоку), что существенно уменьшает затраты на модернизацию двигателя.

Так как в конструкцию двигателя КВД1 заложен значительный потенциал модернизации, то это дает основание считать реальными перспективы улучшения его эксплуатационных характеристик при минимальных затратах времени и материальных средств. При этом, модернизация, направленная на расширение функциональных возможностей двигателя, а также на совершенствование его в части минимизации потребных давлений компонентов топлива на входах в двигатель, с целью снижения давлений в баках ДУ, лишена смысла, так как эти характеристики и так являются предельными.

Однако целесообразным является повышение энергомассовых характеристик двигателя (уменьшение массы и увеличение удельного импульса), а также - для удовлетворения требований использования в перспективных РБ - увеличение эквивалентных углов отклонения вектора тяги двигателя и, соответственно, располагаемых моментов стабилизации РБ. В связи с этим в КБХиммаш им. A.M. Исаева проработаны два варианта модернизации двигателя КВД1 (КВД1 Вар.1: удельный импульс - 461 с при соотношении расходов компонентов топлива – 5,5), исключающие необходимость кардинальных изменений конструкций блоков, и рабочих процессов двигателя, что связано с выполнением некоторых ограничительных условий.

Основным ограничительным условием при модернизации двигателя является использование в модернизированном двигателе подтвержденных на двигателе КВД1 технических решений, определяющих процессы подготовки к запуску, запуска, останова, регулирования двигателя при работе на режиме, то есть процессы, определяющие основной объем отработки любого двигателя, а также прочностные характеристики и вибростойкость конструкции. К таким техническим решениям относится, прежде всего, блочный принцип построения двигателя, при котором:

- блоки бустеров расположены в соответствующих баках ДУ, а бустеры после заправки баков залиты компонентами топлива и отделены от полостей двигателя, входящими в состав каждого блока клапанами;

- управление угловым положением вектора тяги двигателя осуществляется отклонением рулевых камер, установленных в шарнирных подвесах каждого рулевого блока, посредством электроприводов ЭП-24 (разработка ГКНПЦ им. М.В. Хруничева), при этом рулевые блоки (как и блок управления) закреплены на днище бака окислителя ДУ.

Указанное выше ограничительное условие налагает также требование на конструкцию ДУ (в состав которой должен входить модернизированный двигатель) по соответствию ее особенностям конструкции разгонного блока 12КРБ - нижнее расположение бака окислителя, наличие ниши в баке окислителя для размещения маршевого блока.

Конструкция модернизированного двигателя должна обеспечивать выполнение всех функций, свойственных двигателю КВД1, за исключением функции разделения полостей двигателя с окружающей средой (необходимые кондиции среды во внутренних полостях двигателя и ДУ можно обеспечить посредством наземных (стартовых) систем (например, продувкой или балластированием полостей двигателя гелием).

Должна быть сохранена компоновка БМ, регламентирующая взаимное расположение основных агрегатов и трубопроводов с механическими связями между ними.

Габариты блоков модернизированного двигателя должны укладываться в габариты блоков двигателя КВД1.

В обоих вариантах модернизации двигателя КВД1 вместо двух рулевых блоков в состав комплекта блоков двигателя входят 4 рулевых блока, в основе конструкции которых - рулевая камера с радиационно охлаждаемым насадком сопла, установленная на валу электропривода ЭП-24.

Кроме того, в менее затратном варианте модернизации (вариант 1) с целью снижения массы изменена конструкция камеры маршевого блока, в частности, конструкция форсуночной головки (с сохранением ее функциональных характеристик), уменьшена толщина наружной оболочки камеры, в состав ее введен радиационно-охлаждаемый насадок сопла из углеродно-углеродного композиционного материала (УУКМ); причем конфигурация и геометрическая характеристика газового тракта камеры сохраняются аналогичными камере двигателя КВД1.

Более глубокий (и соответственно более затратный) вариант модернизации (вариант 2), кроме указанных выше изменений конструкции камеры предусматривает изменение конфигурации газового тракта - уменьшение диаметра критического сечения камеры при сохранении диаметра среза сопла, вследствие чего увеличивается геометрическая степень расширения сопла. Кроме того, предполагается в составе БМ применение турбонасосного агрегата (ТНА), разработанного па базе созданного в КБХиммаш им. А.М. Исаева экспериментального ТНА 11Д56М.1202-0 с меньшей массой и более высоким коэффициентом полезного действия, а в конструкции ББГ и ББО - выполнение части агрегатов и элементов из алюминиевого сплава (взамен нержавеющей стали). В результате модернизации по варианту 1 снижается масса двигателя при сохранении его параметрического соответствия двигателю КВД1 - при этом практически исключается необходимость дополнительной отработки модернизированного двигателя (необходима лишь проверка работоспособности).

Кроме упомянутых вариантов модернизации двигателя КВД1 в КБХиммаш им. А.М. Исаева проведены проектные, конструкторские и экспериментальные работы по созданию универсальной модификации двигателя КВД1, предназначенной для использования как в РБ, так и в качестве двигателей третьих ступеней РН тяжелого класса. Компоновка двигательных установок третьей ступени, предполагающих использование связки из 4-х двигателей, исключает возможность применения в ее составе рулевых блоков (как в РБ); поэтому модификация двигателя КВД1, получившая индекс КВД1М3 (удельный импульс - 463 с при соотношении расходов компонентов топлива – 5,9 и тяге 10500 кгс), представляет собой моноблок - маршевый блок, совмещающий функцию создания тяги вдоль оси ступени с функцией создания управляющих моментов стабилизации в плоскостях тангажа и рыскания. Для этого в конструкции двигателя КВД1М3 между расположенной сверху рамой крепления и моноблоком предусмотрен шаровой шарнир с двумя степенями свободы и система гибких трубопроводов, обеспечивающих возможность углового отклонения двигателя в двух плоскостях стабилизации, кроме того в конструкции моноблока использованы модернизированные (в соответствии с вариантом 1) камера и ТНА, а также элементы ПГС, в состав моноблока включены электропневмоклапаны управления. Проведенные экспериментальные работы, в том числе огневые испытания экспериментальных образцов двигателя КВД1, подтвердили возможность его форсирования по тяге до уровня 11,5 тс. Аналогичные подтверждения были получены при огневых испытаниях форсированного по тяге двигателя КВД1А (9,5 т.с.), проведенных в обеспечение поставок в составе разгонных блоков 6Л12КРБ. 7Л12КРБ в ISRO.