СЕМЕЙСТВО МНОГОКАМЕРНЫХ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫХ ЖРД ДЛЯ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ЛЕГКОГО И СРЕДНЕГО КЛАССОВ И МЕЖОРБИТАЛЬНЫХ БУКСИРОВ

"КБхиммаш им. А.М. Исаева" - филиал ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева":
Валерий Юрьевич Пиунов, заместитель
 Генерального конструктора, начальник КБ
Владимир Иванович Морозов, ведущий специалист

 

Концепция

Основная концепция создания ряда новых многокамерных кислородно-водородных ЖРД заключается в максимальном заимствовании агрегатов или узлов агрегатов, отработанных и прошедших летные испытания в составе других, ранее созданных, двигателей. Такой подход обеспечивает максимальную надежность вновь разрабатываемых ЖРД, а также минимальные стоимость и сроки их создания.

В рамках данной концепции возможно использование в качестве базовых элементов при создании ряда новых кислородно-водородных двигателей агрегатов двигателя КВД1, разработанного в "КБхиммаш им. А.М. Исаева" для разгонного блока (РБ) 12КРБ индийской РН GSLV, в составе которой прошли его летные испытания и началась коммерческая эксплуатация. Прежде всего к таким агрегатам относятся камера рулевая КВД1.4104-0 и электропривод ЭП-24 (разработка ГКНПЦ им. М.В. Хруничева), входящие в состав рулевого блока КВД1.4000-0 двигателя КВД1. Целесообразность использования этих агрегатов обусловлена их техническими характеристиками, подтвержденными при отработке и летной эксплуатации в составе двигателя КВД1.

В составе рулевого блока двигателя КВД1 подтверждено функциональное взаимодействие этих агрегатов, что также дает основание для их совместного использования, с целью обеспечения аналогичных КВД1 функций стабилизации, в составе вновь разрабатываемых многокамерных двигателей в виде конструктивно автономных блоков тяги, каждый из которых представляет собой либо одну и более камер, установленных в одностепенных шарнирах и кинематически связанных с валом электропривода, либо (применительно к 4-х камерному двигателю) одну камеру, закрепленную непосредственно на валу электропривода. В состав каждого блока также входят многозарядные запальные пиротехнические устройства, отсечные и обратные клапаны, а также гибкие металлорукава, обеспечивающие свободу углового перемещения камер.

Для обеспечения стабилизации РБ в 3-х плоскостях (тангаж, рыскание, крен) 4 блока тяги должны быть расположены по два - диаметрально противоположно относительно продольной оси РБ в плоскостях тангажа и рыскания РБ; при этом однонаправленным угловым отклонением камер, расположенных в плоскости тангажа создается управляющий момент стабилизации по рысканию и наоборот, а при разнонаправленном отклонении диаметрально противоположных камер в любой плоскости - управляющий момент стабилизации по крену. Число камер в блоке тяги определяет размерность двигателя предлагаемого семейства: число камер в блоке соответствует тяге двигателя в тоннах. Например, при тяге камер тягой 250 кгс в блоке - 1 суммарная тяга 4-х блоков составит 1 тс; при числе камер - 2 - 2 тс и т.д. Из компоновочных соображений число камер в блоке не может быть больше четырёх. Таким образом, линейка размерностей семейства многокамерных кислородно-водородных двигателей на основе указанных выше базовых элементов включает в себя следующие размерности двигателей по тяге: 1 тс; 2 тс; 3 тс; 4 тс.

Расчетные параметры режима работы камеры КВД1.4104-0 обусловливают необходимость подачи в нее компонентов топлива с высоким давлением, а конструкция ее исключает возможность дожигания в ней рабочего тела турбины.

Данные обстоятельства предопределяют единые тип и принципиальную схему кислородно-водородных двигателей семейства: многокамерный кислородно-водородный двигатель многократного включения с турбонасосной системой подачи топлива, выполненной по схеме без дожигания.

Агрегаты двигателя, обеспечивающие подачу компонентов топлива в камеры с необходимыми параметрами: турбонасосный агрегат, газогенератор с запальным устройством, выхлопное сопло турбины ТНА, органы регулирования (электроприводы с дросселями), отсечные клапаны, электроклапаны управления вместе с агрегатами, обеспечивающими запуск двигателя (ресивер с запасами газообразного рабочего тела, отсечные и обратные клапаны), также скомпонованы в конструктивно единый блок - блок подачи, который устанавливается по оси симметрии расположения блоков тяги.

Пневмогидравлические схемы

На рис. 1 и 2 в качестве примера представлены пневмогидравлические схемы (ПГС) и составы двигателей тягой 1 тс и 2 тс. ПГС предусматривает подачу рабочих тел привода бустерных агрегатов: жидкого окислителя - в турбину бустера окислителя и газообразного горючего - в турбину бустера горючего.

Из рисунков следует полное соответствие ПГС, за исключением числа камер и наличия обеспечивающих функцию горячего резервирования отсечных пироклапанов в магистралях питания камер двигателя 2 тс.

Преемственность

В соответствии с концепцией блоки подачи, как и блоки тяги, по возможности комплектуются отработанными агрегатами и узлами. Однако, если все агрегаты, входящие в состав блоков тяги (камера, электропривод, запальное устройство, отсечные клапаны) для всех размерностей двигателей представленного ряда одинаковы, то в блоках подачи отдельные агрегаты (кроме электроприводов дросселей, электроклапанов и отсечных клапанов) имеют индивидуальное соответствие каждой из размерностей двигателя в связи с существенным (в разы) отличием расходов компонентов топлива и должны разрабатываться заново. К таким агрегатам относятся: турбонасосный агрегат, газогенератор, гидравлические дроссели. Однако в них возможно использование с незначительной доработкой узлов аналогичных агрегатов, также разработанных и отработанных в КБхиммаш двигателей. К таким узлам относятся корпус, сопловой аппарат, рабочее колесо турбины, разделительный узел между насосами и (при размерностях двигателя 2 тс и 3 тс) насос окислителя ТНА С5.98.0200А-0 двигателя 14Д30, узел кинематики (без проточной части) дросселя, корпус газогенератора С5.92.0300-0 и т.д.

К вновь разрабатываемым агрегатам и узлам следует отнести:

- форсуночную головку в газогенераторе;
- насос горючего и направляющий аппарат второй ступени турбины в ТНА;
- проточные части в дросселях РТ и РСК;
- закритическую часть сопла-камеры;
- проточные части дросселей тяги и соотношения расходов компонентов;
- клапан отсечной системы запуска.

В целом, с учетом изложенного, значение коэффициента применяемости в конструкции многокамерного двигателя может достигать величины 0,86. (Коэффициент применяемости рассчитывался на уровне узлов агрегатов двигателя).

Конструкция

Конструктивное исполнение двигателей в составе: блоки тяги + блок подачи, соответствующие условиям размещения внутри торового бака окислителя РБ, представлено на примере 8-камерного двигателя тягой 2 тс (рис. 3) с камерами, установленными на валах электроприводов.

Двигатель конструктивно представляет собой 4 блока камер и блок подачи топлива в камеры, связанные рамой с закрепленными на ней агрегатами. В каждом из блоков камер в одноосном подвесе установлены две рулевые камеры двигателя КВД1 (доработанные в части увеличения степени расширения сопла), кинематически связанные с закрепленным в подвесе между камерами электрическим приводом ЭП-24 (разработка ГКНПЦ им. М.В. Хруничева). Таким образом, каждый привод обеспечивает качание двух камер. Четыре одноосных подвеса четырёх блоков камер содержат элементы крепления к силовому поясу торового бака окислителя и являются конечными элементами крестообразной рамы двигателя. В центральной зоне рамы по оси симметрии двигателя расположен основной элемент блока подачи - турбонасосный агрегат с выхлопным соплом турбины.

На крестообразной раме двигателя вблизи ТНВА закрепляются агрегаты регулирования - дроссели РТ и РСК, а также пускоотсечная арматура, ресивер (емкость для пускового рабочего тела), электроклапаны управления и т.д.

Функциональные возможности

В приведенной выше комплектации двигатели предлагаемого ряда обеспечивают выполнение следующих функций:

- создание тяги по оси КВРБ и изменение ее по командам системы управления (СУ) РБ;
- создание управляющих усилий стабилизации объекта по каналам тангажа, рыскания и крена по командам СУ РБ;
- изменение расхода окислителя для регулирования и поддержания тяги и заданного соотношения расходов компонентов через двигатель по командам СУ;
- выработка и подача в бак горючего рабочего тела наддува - холодного газообразного водорода для поддержания потребного давления в баке;
- шестикратное включение (5 включений - в соответствии с программой полета, 1 включение - на контрольно-технологическом испытании);
- останов с переходом на конечную ступень тяги;
- останов по окончании поступления окислителя на вход в двигатель с выдачей соответствующего электрического сигнала в СУ РБ;
- выдача электрических сигналов ТМ датчиков в систему ТМИ объекта (КВРБ);
- выдача электрических сигналов в СУ РБ о нарушении функционирования любой камеры;
- горячее резервирование в части дублирования функций отсечных клапанов в магистралях питания камер сгорания - для отключения по командам КВРБ двух диаметрально противоположных камер в случае нарушения функционирования одной из них (при числе камер больше 8).

В случае использования блоков бустерных агрегатов, включающих клапаны входа и клапаны захолаживания, двигатель реализует дополнительные функции:

- подачу компонентов топлива для захолаживания магистралей, включая магистрали ДУ, перед каждым включением;
- минимизацию затрат компонентов топлива при захолаживании;
- минимизацию давлений в баках разгонного блока;
- минимизацию потребных запасов рабочего тела наддува бака кислорода РБ;

Особенности функционирования в составе ДУ РБ

Для выполнения указанных функций двигатели используют:

- компоненты топлива - жидкие окислитель и горючее, поступающие из соответствующих баков КВРБ с необходимыми параметрами;
- электроэнергию для питания электроклапанов, воспламенителей запальных устройств, пиропатронов, электрических приводов дросселей, электрических приводов качания камер, датчиков.
Управление запуском и остановом двигателя осуществляется посредством подачи (с последующим снятием) электрического напряжения постоянного тока на электрические входы двигателя при наличии газа управления и продувки с требуемыми параметрами на соответствующих входах в двигатель, а также подачей импульсов электрического напряжения на пиропатроны воспламенителей запальных устройств и пироклапана (при запуске).

Регулирование режима работы двигателя и управление вектором тяги двигателя осуществляется посредством подачи электрических команд из СУ объекта на электроприводы дросселей и электроприводы качания камер соответственно.

Обеспечение функции горячего резервирования двигателя осуществляется подачей импульсов электрического напряжения на пиропатроны отсечных пироклапанов в магистралях питания диаметрально противоположных камер в случае аномального изменения режима работы одной из них.

Для формирования сигнала об аномальной работе каждой камеры используется датчик давления окислителя на входе в форсуночную головку этой камеры вкупе с непрогнозируемым изменением углов отклонения (до упора) камер, установленных в перпендикулярной плоскости стабилизации.

Для выдачи сигналов об окончании подачи окислителя в двигатель предусмотрен сигнализатор давления на выходе насоса кислорода ТНА.

Условия работы двигателей в полной комплектации:

* Компоненты топлива и рабочие тела: окислитель - жидкий кислород, горючее - жидкий водород;
* Газ управления - гелий;
* Минимальное превышение давления на входах над упругостью пара: горючего 0, окислителя 0,2 кгс/см²;
* Давление газа управления 50…35 кгс/см²;
* Температура на входах окислителя 78…84 К, горючего18…22 К, газа управления 90…323 К;
* Электрическое напряжение 27±5 В.

Характеристики двигателей

Эффективность использования многокамерных двигателей в составе РН среднего класса

В работе [1] представлена одна из первых оценок эффективности использования многокамерных двигателей представленного здесь концептуального ряда в составе РБ ракеты-носителя среднего класса. Оценка проводилась применительно к РН "Союз-2-1б" в виде сравнения величин полезных нагрузок (ПН), выводимых на геостационарную орбиту (ГСО) при использовании РБ с кислородно-водородными двигателями тягой 1тс, 2тс, а также с двигателями на кислородно-керосиновом и штатном топливе (типа РБ "Фрегат СБ") тягой 2 тс, при условии старта РН с космодрома Байконур и 4-импульсном выведении космического аппарата (КА) на ГСО. Первое включение - довыведение КА на базовую орбиту; второе включение - выведение КА на первую промежуточную орбиту; третье включение - выведение КА на геопереходную орбиту; четвертое включение - выведение КА на ГСО.

Результаты сравнения массы головных блоков (ГБ), разгонных блоков (РБ) и космических аппаратов (КА) на ГСО при использовании РН "Союз 2-1б" с различными РБ: РБ "Фрегат СБ", РБ "О₂+керосин", РБ "О₂+Н₂"

Таким образом, применение в РБ РН "Союз-2-1б" многокамерных кислородно-водородных двигателей, обеспечивает прирост ПН на ГСО более 700 кг (до 70% по сравнению с РБ "Фрегат" и РБ с ЖРД на кислородно-керосиновом топливе).

Уровень проработки

По двум двигателям предлагаемого семейства: 4-камерный двигатель тягой 1 тс и 8-камерный двигатель тягой 2 тс, выпущены инженерные записки в рамках ОКР "Ускорение-Б".

Создан макет 8-камерного двигателя, который представлен на фотографии (рис. 3).

Литература