وقود الموقد ذو كفاءة عالية لمحركات الصواريخ
عالم الصواريخ والفضاء عند مفترق طرق: الاتجاهات العالمية تتطلب انخفاض التكاليف وزيادة السلامة البيئية للخدمات الفضائية. يتعين على المصممين ابتكار محركات صاروخية جديدة تعمل بالوقود السائل (LPRE) باستخدام أنواع وقود صديقة للبيئة ، لتحل محل الهيدروجين السائل الغالي الثمن ، والمستهلك للطاقة بكثافة ، بالغاز الطبيعي المسال الرخيص (LNG) بمحتوى غاز الميثان بنسبة 90-98 في المائة. هذا الوقود ، إلى جانب الأكسجين السائل ، يجعل من الممكن إنشاء محركات جديدة عالية الكفاءة وغير مكلفة مع أقصى استخدام للعناصر الموجودة بالفعل من التصميم والمواد والتكنولوجيات وتراكم الإنتاج.
الغاز الطبيعي المسال غير سام ، وعند حرقه في الأكسجين ، يتشكل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون. على عكس الكيروسين ، الذي يستخدم على نطاق واسع في صناعة الصواريخ ، تتبخر انسكابات الغاز الطبيعي المسال بسرعة دون الإضرار بالبيئة.
الاختبارات الأولى
درجة حرارة اشتعال الغاز الطبيعي مع الهواء والحد الأدنى لتركيزه المتفجر أعلى من تلك الخاصة بأبخرة الهيدروجين والكيروسين ؛ لذلك ، في منطقة التركيزات المنخفضة ، بالمقارنة مع أنواع الوقود الهيدروكربوني الأخرى ، فهي أقل انفجارًا.
بشكل عام ، لا يتطلب تشغيل الغاز الطبيعي المسال كوقود للصواريخ أي إجراءات إضافية لمنع الحرائق والانفجارات لم يتم استخدامها من قبل.
تبلغ كثافة الغاز الطبيعي المسال ستة أضعاف كثافة الهيدروجين السائل ، لكنها نصف كثافة الكيروسين. تؤدي الكثافة المنخفضة إلى زيادة مقابلة في حجم خزان الغاز الطبيعي المسال مقارنة بخزان الكيروسين. ومع ذلك ، مع الأخذ في الاعتبار النسبة الأعلى من المؤكسد واستهلاك الوقود (حوالي 3.5 إلى 1 للأكسجين السائل (LC) + وقود الغاز الطبيعي المسال و 2.7 إلى 1 لوقود ZhK + الكيروسين) ، الحجم الإجمالي لوقود ZhK + الغاز الطبيعي المسال المعاد التزود بالوقود يزيد بنسبة 20 بالمائة فقط. مع الأخذ في الاعتبار تأثير التصلب المبرد للمادة ، بالإضافة إلى إمكانية الجمع بين قيعان خزانات LC و LNG ، سيكون وزن خزانات الوقود صغيرًا نسبيًا.
وأخيرًا ، لقد تم إتقان إنتاج ونقل الغاز الطبيعي المسال منذ فترة طويلة.
بدأ مكتب تصميم الهندسة الكيميائية (KB Khimmash) الذي سمي على اسم AM Isaev في كوروليف ، منطقة موسكو ، العمل (كما اتضح ، امتد لسنوات بسبب التمويل الضئيل للغاية) لتطوير وقود ZhK + LNG في عام 1994 ، عندما تم اتخاذ التصميم - دراسات التصميم واتخاذ قرار لإنشاء محرك جديد باستخدام القاعدة التخطيطية والهيكلية للأكسجين والهيدروجين HPC1 الحالي بقوة دفع 7.5 تريليون قدم ، وتم تشغيله بنجاح كجزء من المرحلة العليا (المرحلة العليا المبردة) 12KRB لمركبة الإطلاق الهندية GSLV MkI (مركبة إطلاق الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض).
في عام 1996 ، تم إجراء اختبارات إطلاق ذاتي لمولد غاز باستخدام سائل وغاز طبيعي كمكونات وقود ، والتي كانت تهدف بشكل أساسي إلى التحقق من أوضاع التشغيل المستقرة والبدء - وأكد 13 إدراجًا قابلية تشغيل مولد الغاز وأعطى النتائج التي تم استخدامها في تطوير مولدات غاز الاسترداد التي تعمل على مخططات مفتوحة ومغلقة.
في أغسطس - سبتمبر 1997 ، أجرى مكتب تصميم Khimmash اختبارات حريق لوحدة التوجيه لمحرك KVD1 (باستخدام الغاز الطبيعي أيضًا بدلاً من الهيدروجين) ، حيث تم دمج حجرة منحرفة في طائرتين بزاوية ± 39.5 درجة في هيكل واحد (قوة دفع - 200 كجم ، ضغط الغرفة - 40 كجم / سم 2) ، بدء وإيقاف الصمامات ، ونظام الإشعال الناري ، والمحركات الكهربائية - اجتازت وحدة التوجيه القياسية KVD1 ستة بدايات بإجمالي وقت تشغيل يزيد عن 450 ثانية وغرفة ضغط في حدود 42-36 كجم / سم 2. أكدت نتائج الاختبار إمكانية إنشاء غرفة صغيرة باستخدام الغاز الطبيعي كمبرد.
في أغسطس 1997 ، بدأت KB Khimmash في إطلاق اختبارات لمحرك دائرة مغلقة بالحجم الكامل بقوة دفع 7.5 تريليون قدم على وقود ZhK + LNG. كان أساس التصنيع عبارة عن محرك KVD1 معدل لدائرة مغلقة مع احتراق غاز مولد الغاز المختزل وتبريد الغرفة بالوقود.
تم تعديل مضخة المؤكسد القياسية KVD1: تمت زيادة قطر المكره للمضخة لضمان النسبة المطلوبة من المؤكسد ورؤوس مضخة الوقود. كما تم تصحيح الضبط الهيدروليكي لخطوط المحرك لضمان النسبة المحسوبة للمكونات.
أدى استخدام المحرك النموذجي ، الذي اجتاز سابقًا دورة اختبارات إطلاق النار على شاشة LCD + وقود الهيدروجين السائل ، إلى توفير الحد الأقصى من تكاليف البحث.
جعلت الاختبارات الباردة من الممكن العمل على طريقة تحضير المحرك والحامل للعمل الساخن من حيث ضمان المعلمات المطلوبة للغاز الطبيعي المسال في خزانات مقاعد البدلاء ، وتبريد المؤكسد وخطوط الوقود إلى درجات الحرارة التي تضمن التشغيل الموثوق للمضخات أثناء فترة البدء وبدء تشغيل المحرك بشكل مستقر ومستقر.
تم إجراء أول اختبار لإطلاق النار للمحرك في 22 أغسطس 1997 في جناح الشركة ، والذي يسمى اليوم مركز الاختبار العلمي لصناعة الصواريخ والفضاء (SRC RCP). في ممارسة KB Khimmash ، كانت هذه الاختبارات أول تجربة لاستخدام الغاز الطبيعي المسال كوقود لمحرك الدائرة المغلقة كامل الحجم.
كان الهدف من الاختبار هو الحصول على نتيجة ناجحة بسبب بعض الانخفاض في المعلمات وتسهيل ظروف تشغيل المحرك.
تم التحكم في الوصول إلى الوضع والتشغيل في الوضع باستخدام أجهزة التحكم في الخانق ونسبة استهلاك مكونات الوقود باستخدام خوارزميات HPC1 ، مع مراعاة تفاعل قنوات التحكم.
اكتمل برنامج أول اختبار إطلاق لمحرك الدائرة المغلقة بالكامل. تم تشغيل المحرك لفترة محددة ، ولم تكن هناك تعليقات على حالة الجزء المادي.
أكدت نتائج الاختبار الاحتمالية الأساسية لاستخدام الغاز الطبيعي المسال كوقود في وحدات محرك الأكسجين والهيدروجين.
يوجد الكثير من الغاز - لا يوجد فحم الكوك
بعد ذلك ، استمرت الاختبارات بهدف إجراء دراسة أكثر تعمقًا للعمليات المرتبطة باستخدام الغاز الطبيعي المسال ، والتحقق من تشغيل وحدات المحرك في ظروف تطبيق أوسع ، وتحسين حلول التصميم.
في المجموع ، من 1997 إلى 2005 ، خمسة اختبارات إطلاق لنسختين من محرك KVD1 ، تم تكييفها لاستخدام وقود ZhK + LNG ، والتي تدوم من 17 إلى 60 ثانية ، تم إجراء محتوى الميثان في الغاز الطبيعي المسال - من 89.3 إلى 99.5 في المائة..
بشكل عام ، أتاحت نتائج هذه الاختبارات تحديد المبادئ الأساسية لتطوير المحرك ووحداته عند استخدام وقود "ZhK + LNG" والمضي قدمًا في عام 2006 إلى المرحلة التالية من البحث التي تتضمن التطوير والتصنيع واختبار محرك C5.86. تم تصميم غرفة الاحتراق ومولد الغاز ووحدة المضخة التوربينية والمنظمين من الناحية الهيكلية والبارامترية خصيصًا للتشغيل على وقود ZhK + LNG.
بحلول عام 2009 ، تم إجراء اختبارين للحريق لمحركات C5.86 لمدة 68 و 60 ثانية بمحتوى غاز الميثان في الغاز الطبيعي المسال 97 و 9 و 97 ، 7 بالمائة.
تم الحصول على نتائج إيجابية عند بدء تشغيل المحرك الذي يعمل بالوقود السائل وإيقافه ، ويعمل في أوضاع الحالة المستقرة من حيث الدفع ونسبة مكونات الوقود (وفقًا لإجراءات التحكم). لكن إحدى المهام الرئيسية - التحقق التجريبي من عدم تراكم الطور الصلب في مسار التبريد للغرفة (فحم الكوك) وفي مسار الغاز (السخام) مع تشغيل طويل بما فيه الكفاية - لا يمكن إجراؤها بسبب الحجم المحدود عدد خزانات الغاز الطبيعي المسال (كانت أقصى مدة تشغيل 68 ثانية). لذلك ، في عام 2010 ، تم اتخاذ قرار لتجهيز الحامل لإجراء اختبارات إطلاق النار لمدة لا تقل عن 1000 ثانية.
كمكان عمل جديد ، تم استخدام منضدة اختبار NRC RCP لاختبار محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل الأكسجين والهيدروجين ، والتي تتمتع بقدرات الحجم المقابل. استعدادًا للاختبار ، تم أخذ الخبرة الكبيرة المكتسبة سابقًا خلال اختبارات الحريق السبعة في الاعتبار. في الفترة من يونيو إلى سبتمبر 2010 ، تم تكرير أنظمة مقاعد البدلاء من الهيدروجين السائل لاستخدام الغاز الطبيعي المسال ، وتم تثبيت المحرك C5.86 رقم 2 على المنصة ، وإجراء اختبارات شاملة للقياس والتحكم وأنظمة الحماية في حالات الطوارئ ، و تم تنظيم نسبة استهلاك الوقود والضغط في غرفة الاحتراق.
تمتلئ خزانات مقاعد البدلاء بالوقود من خزان نقل ناقلة التزود بالوقود (الحجم - 56.4 م 3 مع إعادة التزود بالوقود 16 طنًا) باستخدام وحدة التزود بالوقود للغاز الطبيعي المسال ، بما في ذلك المبادل الحراري والمرشحات وصمامات الإغلاق وأدوات القياس. بعد اكتمال ملء الخزانات ، تم تبريد خطوط مقاعد البدلاء لتزويد مكونات الوقود إلى المحرك وملؤها.
بدأ المحرك وعمل بشكل طبيعي. حدثت التغييرات في النظام وفقًا لتأثيرات نظام التحكم. من 1100 ثانية ، ارتفعت درجة حرارة غاز مولد الغاز باستمرار ، ونتيجة لذلك تم اتخاذ قرار بإيقاف المحرك. تم الإغلاق عند الأمر في 1160 ثانية دون أي ملاحظات. كان سبب ارتفاع درجة الحرارة هو تسرب مخرج مخرج مسار تبريد غرفة الاحتراق الذي نشأ أثناء الاختبار - صدع في خط اللحام لفوهة العملية المسدودة المثبتة على المشعب.
أتاح تحليل نتائج اختبار الحريق الذي تم إجراؤه استنتاج ما يلي:
- أثناء التشغيل ، كانت معلمات المحرك مستقرة في أوضاع مع مجموعات مختلفة من نسبة استهلاك مكونات الوقود (2.42 إلى 1 - 3.03 إلى 1) والتوجه (6311 - 7340 كجم) ؛
- أكد عدم وجود تكوينات المرحلة الصلبة في مسار الغاز وعدم وجود رواسب فحم الكوك في المسار السائل للمحرك ؛
- تم الحصول على البيانات التجريبية اللازمة لتحسين طريقة الحساب لتبريد غرفة الاحتراق عند استخدام الغاز الطبيعي المسال كمبرد ؛
- تمت دراسة ديناميات خروج قناة التبريد لغرفة الاحتراق إلى النظام الحراري للحالة المستقرة ؛
- أكد على صحة الحلول التقنية لضمان بدء التشغيل والتحكم والتنظيم وأشياء أخرى ، مع مراعاة خصوصيات الغاز الطبيعي المسال ؛
- يمكن استخدام C5.86 المطورة بقوة دفع 7.5 تريليون قدم (منفردة أو مجتمعة) كمحرك دفع في المراحل العليا والمراحل العليا من مركبات الإطلاق ؛
- أكدت النتائج الإيجابية لاختبارات إطلاق النار جدوى إجراء مزيد من التجارب لإنشاء محرك يعمل بوقود ZhK + LNG.
في اختبار الحريق التالي في عام 2011 ، تم تشغيل المحرك مرتين. قبل الإغلاق الأول ، عمل المحرك لمدة 162 ثانية. في بدء التشغيل الثاني ، الذي تم إجراؤه لتأكيد عدم تكوين الطور الصلب في مسار الغاز ورواسب فحم الكوك في المسار السائل ، تم تسجيل مدة تشغيل محرك بهذا البعد مع بداية واحدة - تم تحقيق 2007 ثانية ، وكذلك تم تأكيد إمكانية الاختناق بالضغط. توقف الاختبار بسبب استنفاد مكونات الوقود. بلغ إجمالي وقت التشغيل لمثيل المحرك هذا 3389 ثانية (أربع عمليات بدء). أكد الكشف عن الخلل الذي تم إجراؤه عدم وجود طور صلب وتشكيل فحم الكوك في مسارات المحرك.
أكدت مجموعة العمل النظري والتجريبي مع C5.86 رقم 2:
- الاحتمال الأساسي لإنشاء محرك بالأبعاد المطلوبة على زوج الوقود لمكونات "ZhK + LNG" مع الاحتراق اللاحق لغاز المولد المختزل ، مما يضمن الحفاظ على الخصائص المستقرة والغياب العملي لمرحلة صلبة في مسارات الغاز ورواسب فحم الكوك في المسارات السائلة للمحرك ؛
- إمكانية التشغيل والإيقاف المتعدد للمحرك ؛
- إمكانية تشغيل المحرك على المدى الطويل ؛
- صحة الحلول التقنية المعتمدة لضمان بدء التشغيل المتعدد والتحكم والتنظيم ، مع مراعاة ميزات الغاز الطبيعي المسال والحماية في حالات الطوارئ ؛
-قدرات NIC RCP تقف للاختبارات طويلة المدى.
أيضًا ، بالتعاون مع NRC RCP ، تم تطوير تقنية للنقل والتزود بالوقود والتبريد الحراري للكتل الكبيرة من الغاز الطبيعي المسال وتم تطوير حلول تكنولوجية قابلة للتطبيق عمليًا في إجراءات إعادة تزويد منتجات الطيران بالوقود.
الغاز الطبيعي المسال - الطريق إلى رحلات جوية قابلة لإعادة الاستخدام
نظرًا لحقيقة أن مكونات وتجميعات المحرك التوضيحي C5.86 رقم 2 بسبب التمويل المحدود لم يتم تحسينها بالقدر المناسب ، لم يكن من الممكن حل عدد من المشكلات بشكل كامل ، بما في ذلك:
توضيح الخواص الفيزيائية الحرارية للغاز الطبيعي المسال كمبرد ؛
الحصول على بيانات إضافية للتحقق من تقارب خصائص الوحدات الرئيسية عند المحاكاة على الماء والتشغيل على الغاز الطبيعي المسال ؛
التحقق التجريبي من التأثير المحتمل لتكوين الغاز الطبيعي على خصائص الوحدات الرئيسية ، بما في ذلك مسارات التبريد لغرفة الاحتراق ومولد الغاز ؛
تحديد خصائص محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل في نطاق أوسع من التغييرات في أوضاع التشغيل والمعلمات الأساسية مع كل من عمليات التشغيل الفردية والمتعددة ؛
تحسين العمليات الديناميكية عند بدء التشغيل.
لحل هذه المشكلات ، قامت شركة KB Khimmash بتصنيع محرك C5.86A رقم 2A مطور ، تم تجهيز وحدة المضخة التوربينية لأول مرة بتوربينات انطلاق وتوربين رئيسي مطور ومضخة وقود. تم تحديث مسار تبريد غرفة الاحتراق وأعيد تصميم إبرة دواسة الوقود.
تم إجراء اختبار حريق للمحرك في 13 سبتمبر 2013 (محتوى الميثان في الغاز الطبيعي المسال - 94.6٪). تم توفير برنامج الاختبار لثلاثة مفاتيح بمدة إجمالية 1500 ثانية (1300 + 100 + 100). استمر بدء تشغيل المحرك وتشغيله في الوضع بشكل طبيعي ، ولكن في 532 ثانية ، أصدر نظام الحماية في حالات الطوارئ أمر إيقاف طارئ. كان سبب الحادث هو دخول جسيم معدني غريب في مسار تدفق مضخة المؤكسد.
على الرغم من الحادث ، عملت C5.86A رقم 2A لفترة طويلة. لأول مرة ، تم إطلاق محرك مخصص للاستخدام كجزء من مرحلة صاروخية ، الأمر الذي يتطلب عدة عمليات بدء تشغيل ، وفقًا للمخطط المنفذ باستخدام مجمع ضغط قابل لإعادة الشحن على متن الطائرة. تم الحصول على وضع تشغيل مستقر لوضع دفع معين والحد الأقصى للنسبة المحققة مسبقًا لاستهلاك مكونات الوقود. تم تحديد الاحتياطيات الممكنة لتعزيز الدفع وزيادة نسبة استهلاك مكونات الوقود.
تستكمل KB Khimmash الآن تصنيع نسخة جديدة من C5.86 لاختبارها لأقصى قدر ممكن من الموارد من حيث وقت التشغيل وعدد مرات البدء. يجب أن يصبح نموذجًا أوليًا لمحرك حقيقي على وقود ZhK + LNG ، مما يمنح جودة جديدة للمراحل العليا من مركبات الإطلاق وينفخ الحياة في أنظمة النقل القابلة لإعادة الاستخدام. بمساعدتهم ، ستصبح المساحة متاحة ليس فقط للباحثين والمخترعين ، ولكن ربما للمسافرين فقط.
