РЕСУРСНОЕ ИСПЫТАНИЕ ЖРД НА ТОПЛИВНОЙ ПАРЕ ЖИДКИЙ КИСЛОРОД + СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

Игорь Александрович Смирнов, генеральный конструктор КБхиммаш им. А.М. Исаева
Алексей Геннадиевич Яковлев, ведущий специалист КБхиммаш им. А.М. Исаева
Владимир Николаевич Бережной, заместитель начальникаиспытательной станции НИЦ РКП

 

29 сентября 2010 г. состоялось успешное ресурсное огневое испытание двигателя-демонстратора С5.86.1000-0 № 2 разработки "Конструкторского бюро химического машиностроения имени А.М. Исаева" - филиала ФГУП "ГКНПЦ имени М.В. Хруничева" на топливной паре "жидкий кислород + сжиженный природный газ". Огневое испытание длительностью 1160 секунд было проведено на стенде ФКП "Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности" в рамках ОКР "Двигатель-2015-КБХМ" по заказу ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша".

Основными задачами огневого испытания (ОИ) являлись:
- подтверждение работоспособности двигателя на длительном (более 1000 секунд) включении;
- подтверждение отсутствия накопления твердой фазы как в тракте охлаждения камеры сгорания (КС), так и в газовом тракте (газогенератор - турбина) двигателя;
- получения необходимых экспериментальных данных для уточнения методики расчета охлаждения КС при использовании СПГ в качестве охладителя;
- исследование динамики выхода охлаждающего тракта КС на установившийся тепловой режим;
- исследование вопросов, связанных с оптимизацией технических решений по обеспечению запуска, управления, регулирования и пр. с учетом особенностей СПГ.

ОИ жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) разработки КБхиммаш на топливной паре ЖК+СПГ (содержание метана 90…98%) проводятся в НИЦ РКП начиная с 1997 года. После пяти ОИ двух экземпляров адаптированного для использования топливной пары ЖК+СПГ кислородно-водородного ЖРД КВД1, был разработан, изготовлен и испытан ЖРД С5.86 тягой 7,5 тс, специально предназначенный для работы на топливной паре ЖК+СПГ. ЖРД включает камеру сгорания, турбонасосный агрегат, пиротехнические воспламенители, клапаны, регулятор тяги, дроссель регулирования соотношения расходов компонентов топлива, средства измерения и пр. ЖРД работает по замкнутому циклу с дожиганием газа с избытком горючего в КС. Были получены положительные результаты по запуску и останову ЖРД, работе на установившихся режимах по тяге и соотношению расходов компонентов топлива (в соответствии с управляющими воздействиями). Но одна из основных задач - экспериментальная проверка отсутствия накопления твердой фазы в тракте охлаждения камеры и в газовом тракте ЖРД при достаточно длительных включениях - не могла быть выполнена из-за ограниченного объема стендовых емкостей СПГ (максимальная длительность включения составляла 68 секунд). Поэтому в 2010 году было принято решение организовать новое рабочее место, позволяющее проводить ОИ длительностью не менее 1000 секунд.

В качестве нового рабочего места был использован стенд для испытаний кислородно-водородных ЖРД, обладающий емкостями соответствующего объема. При подготовке к испытанию был учтен значительный опыт, полученный ранее при проведении семи ОИ. В период с июня по сентябрь 2010 года была проведена доработка стендовых систем жидкого водорода для использования СПГ, установлен на стенд ЖРД С5.86.1000-0 № 2, проведены комплексные проверки систем измерения, управления, аварийной защиты, регулирования соотношения расходов компонентов топлива и давления в КС. Перед этим 25 июня 2009 г. двигатель прошел ОИ с положительным результатом: одно включение продолжительностью 60 секунд в диапазоне изменения соотношения компонентов 2,34…2,84 и давления в камере сгорания 56,2…61,6 кгс/см².

Заправка стендовых емкостей системы жидкого водорода СПГ производилась из транспортной емкости заправщика (объем 56,4 м³ с заправкой 16 т) с помощью блока заправки, включающего теплообменник, фильтры, запорную арматуру, средства измерения и пр. После завершения заправки стендовых емкостей были проведены захолаживание и заливка стендовых магистралей подачи компонентов топлива в двигатель.

Запуск двигателя и его работа на режиме проходили нормально. Изменения режима происходили в соответствии с воздействиями системы управления. Приблизительно с 1100 секунды двигатель работал при постоянно нарастающей температуре газогенераторного газа. Вследствие этого было принято решение об останове двигателя, выключение прошло по команде на 1160,88 секунде без замечаний. Причиной роста температуры явилась возникшая в ходе испытания негерметичность выходного коллектора тракта охлаждения КС.

Анализ результатов проведенного ОИ позволяет сделать следующее заключение:
- в процессе работы параметры двигателя были стабильны на режимах при различных сочетаниях соотношения расходов компонентов топлива (2,42…3,03) и тяги (6311…7340 кгс);
- подтверждено отсутствие образований твердой фазы в газовом тракте и отсутствие коксовых отложений в жидкостном тракте двигателя;
- получены необходимые экспериментальные данные для уточнения методики расчета охлаждения КС при использовании СПГ в качестве охладителя;
- исследована динамика выхода охлаждающего тракта КС на установившийся тепловой режим;
- подтверждена правильность технических решений по обеспечению запуска, управления, регулирования и пр. с учетом особенностей СПГ;
- разрабатываемый ЖРД С5.86 тягой 7,5 тс (или связка двигателей) может быть использован как маршевый двигатель в перспективных разгонных блоках и верхних ступенях РН;
- полученные положительные результаты проведенного ОИ подтверждают целесообразность дальнейших экспериментальных работ по созданию ЖРД на топливной паре ЖК+СПГ.

Основными проблемами, которые целесообразно решить при продолжении ОКР, являются:
- дальнейшее изучение теплофизических свойств СПГ как охладителя;
- проверка сходимости характеристик основных агрегатов на разных режимах, полученных на воде и СПГ;
- экспериментальная проверка возможного влияния состава природного газа на характеристики основных агрегатов;
- исследование характеристик ЖРД в более широком диапазоне изменения режимов работы и основных параметров как при единичном включении, так и при многоразовых (2 - 6) включениях.

Справка. Кислородно-водородный ЖРД КВД1 разработки КБхиммаш в настоящее время эксплуатируется в составе разгонного блока 12КРБ (разработка ГКНПЦ им. М.В. Хруничева) индийской РН GSLV.

Литература

1. 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 // Альтернативная энергетика и экология ISJAEE, №3 (59), 2008.
2. Орлов Н.Н., Смирнов И.А., Яковлев А.Г. Работы КБхиммаш им.А.М.Исаева по освоению топливной пары компонентов жидкий кислород + сжиженный природный газ с содержанием метана 90…98% // Двигатель, №5 (65), 2009.
3. Кузин А.И., Рачук В.С., Коротеев А.С., Каторгин Б.И., Смирнов И.А., Вахниченко В.В., Лозин С.Н., Лехов П.А., Семенов А.И., Иевлев А.В., Ефимочкин А.Ф., Клепиков И.А., Лихванцев А.А., Петров В.И., Ромашкин А.М., Гусев Ю.Г., Яковлев А.Г. Обоснование выбора компонентов ракетного топлива для двигательных установок первой ступени многоразовой ракетно-космической системы // Авиакосмическая техника и технология, №1, 2010.
4. Афанасьев И. Рекордные испытания двигателя на метане // Новости космонавтики, №11 (334), 2010.