LNG dla LRE
Paliwo z palnika kuchennego jest bardzo skuteczne w silnikach rakietowych
Świat rakiet i kosmosu znajduje się na rozdrożu: światowe trendy wymagają obniżenia kosztów i zwiększenia bezpieczeństwa środowiskowego usług kosmicznych. Projektanci muszą wynaleźć nowe silniki rakietowe na paliwo ciekłe (LRE) wykorzystujące przyjazne dla środowiska paliwa, zastępując drogi, niezwykle energochłonny ciekły wodór tanim skroplonym gazem ziemnym (LNG) o zawartości metanu 90-98 procent. Paliwo to w połączeniu z ciekłym tlenem umożliwia tworzenie nowych wysokosprawnych i niedrogich silników przy maksymalnym wykorzystaniu istniejących elementów rezerwy konstrukcyjnej, materiałowej, technologicznej i produkcyjnej.
LNG nie jest toksyczny, podczas spalania w tlenie powstaje para wodna i dwutlenek węgla. W przeciwieństwie do nafty, która jest szeroko stosowana w technologii rakietowej, wycieki LNG szybko odparowują bez szkody dla środowiska.
Pierwszy test
Temperatura zapłonu gazu ziemnego z powietrzem i dolna granica jego stężenia wybuchowego jest wyższa niż wodoru i par nafty, dlatego w rejonie niskich stężeń jest mniej wybuchowy w porównaniu z innymi paliwami węglowodorowymi.
Generalnie eksploatacja LNG jako paliwa rakietowego nie wymaga żadnych dodatkowych środków przeciwpożarowych i przeciwwybuchowych, które nie były wcześniej stosowane.
Gęstość LNG jest sześciokrotnie większa niż ciekłego wodoru, ale o połowę mniejsza niż nafty. Niższa gęstość prowadzi do odpowiedniego wzrostu wielkości zbiornika LNG w porównaniu do zbiornika na naftę. Jednak biorąc pod uwagę wyższy stosunek zużycia utleniacza i paliwa (około 3,5 do 1 dla ciekłego tlenu (LC) + paliwo LNG i 2,7 do 1 dla LOC + paliwo nafta), łączna objętość zatankowanego paliwa LOC + LNG” wzrasta o tylko 20 proc.. Biorąc pod uwagę efekt utwardzenia kriogenicznego materiału, a także możliwość łączenia dna zbiorników LNG i LNG, waga zbiorników paliwowych będzie stosunkowo niewielka.
I wreszcie produkcja i transport LNG od dawna są opanowane.
Biuro Projektowe Inżynierii Chemicznej (KB Chimmash) im. A. M. Isaeva w Korolowie pod Moskwą rozpoczęło (jak się okazało, ciągnące się latami z powodu bardzo skąpych funduszy) prace nad opracowaniem paliwa ZhK + LNG w 1994 roku, kiedy projekt - obliczenia badania i podjęto decyzję o stworzeniu nowego silnika wykorzystującego schematycznie i konstrukcyjnie bazę istniejącego tlenowo-wodorowego HPC1 o ciągu 7,5 tf, z powodzeniem eksploatowanego w ramach górnego stopnia (Cryogenic Upper Stage) 12KRB indyjskiej rakiety nośnej GSLV MkI (geosynchroniczny pojazd do wystrzeliwania satelitów) ).
W 1996 roku przeprowadzono autonomiczne testy pożarowe generatora gazu na LC i gazie ziemnym jako składnikach paliwa, które miały głównie na celu sprawdzenie trybów rozruchu i stabilnej pracy - 13 wtrąceń potwierdziło sprawność generatora gazu i dało wyniki, które zostały wykorzystane w rozwoju redukcyjnych generatorów gazu pracujących w obiegach otwartych i zamkniętych.
W sierpniu-wrześniu 1997 r. Biuro Projektowe Chimmash przeprowadziło próby ogniowe bloku kierowniczego silnika KVD1 (również z wykorzystaniem gazu ziemnego zamiast wodoru), w których komora odchylała się w dwóch płaszczyznach pod kątem ± 39,5 stopnia (ciąg - 200 kgf ) jest połączony w jedną konstrukcję, ciśnienie w komorze - 40 kg/cm2), zawory start i stop, pirotechniczny układ zapłonowy i napędy elektryczne - jedna zwykła jednostka sterująca KVD1 przeszła sześć wtrąceń o łącznym czasie pracy ponad 450 sekund i ciśnienie w komorze w zakresie 42–36 kg/cm2. Wyniki testów potwierdziły możliwość stworzenia małej komory wykorzystującej jako chłodziwo gaz ziemny.
W sierpniu 1997 r. Biuro Projektowe Chimmash rozpoczęło próby wypalania pełnowymiarowego silnika o obiegu zamkniętym o ciągu 7,5 tf na paliwie ZhK + LNG. Podstawą do produkcji był zmodyfikowany silnik KVD1 o obiegu zamkniętym z dopalaniem gazu z generatora gazu redukcyjnego i chłodzeniem komory paliwem.
Zmodyfikowano standardową pompę utleniacza KVD1: zwiększono średnicę wirnika pompy, aby zapewnić wymagany stosunek ciśnienia pompy utleniacza i pompy paliwa. Dostosowano również hydrauliczne strojenie linii silnika, aby zapewnić obliczony stosunek komponentów.
Zastosowanie prototypowego silnika, który wcześniej przeszedł cykl prób ogniowych na paliwie „LC + ciekły wodór”, zapewniło maksymalne obniżenie kosztów badań.
Testy na zimno pozwoliły na opracowanie metodyki przygotowania silnika i stanowiska do pracy gorącej pod kątem zapewnienia wymaganych parametrów LNG w zbiornikach stanowiskowych, schłodzenia przewodów utleniacza i paliwowych do temperatur gwarantujących niezawodną pracę pomp podczas okres rozruchu oraz stabilny i stabilny rozruch silnika.
Pierwsza próba ogniowa silnika odbyła się 22 sierpnia 1997 roku na stoisku przedsiębiorstwa, które dziś nosi nazwę Centrum Badawczo-Testowe Przemysłu Rakietowego i Kosmicznego (SIC RCP). W praktyce Biura Projektowego Chimmash testy te były pierwszym doświadczeniem wykorzystania LNG jako paliwa do pełnowymiarowego silnika o obiegu zamkniętym.
Celem testu było uzyskanie pozytywnego wyniku ze względu na pewne obniżenie parametrów oraz ułatwienie pracy silnika.
Sterowanie wyjściem do reżimu i pracę w reżimie zrealizowano za pomocą regulatorów ciągu oraz wskaźnika zużycia składników paliwa z wykorzystaniem algorytmów HPC1, które uwzględniają wzajemny wpływ kanałów sterowania.
Program pierwszej próby zapłonowej silnika obiegu zamkniętego został w całości zrealizowany. Silnik pracował przez określony czas, nie było uwag co do stanu części materialnej.
Wyniki badań potwierdziły fundamentalną możliwość wykorzystania LNG jako paliwa w tlenowo-wodorowych jednostkach silnikowych.
Dużo gazu - bez koksu
W przyszłości testy były kontynuowane w celu pogłębienia procesów związanych z wykorzystaniem LNG, testowania działania jednostek silnikowych w szerszych warunkach aplikacyjnych oraz optymalizacji rozwiązań konstrukcyjnych.
Łącznie w latach 1997-2005 odbyło się pięć prób ogniowych dwóch egzemplarzy silnika KVD1, przystosowanego do stosowania paliwa ZhK+ LNG, trwających od 17 do 60 sekund, zawartość metanu w LNG wynosiła od 89,3 do 99,5%.
Ogólnie rzecz biorąc, wyniki tych testów pozwoliły określić podstawowe zasady rozwoju silnika i jego jednostek wykorzystujących paliwo ZhK + CNG i przejść do kolejnego etapu badań w 2006 roku, który obejmuje rozwój, produkcję i testowanie silnika C5.86. Komora spalania, generator gazu, zespół turbopompy oraz elementy sterujące tej ostatniej są konstrukcyjnie i parametrycznie zaprojektowane specjalnie do pracy na paliwie LPG + LNG.
Do 2009 roku przeprowadzono dwa testy ogniowe silników C5.86 o czasie trwania 68 i 60 sekund przy zawartości metanu w LNG 97,9 i 97,7 proc.
Pozytywne wyniki uzyskano w zakresie uruchamiania i wyłączania LRE, pracy w warunkach ustalonych w zakresie ciągu i proporcji składników paliwa (zgodnie z działaniami kontrolnymi). Jednak jedno z głównych zadań - eksperymentalna weryfikacja braku akumulacji fazy stałej w ścieżce chłodzenia komory (koksu) oraz w ścieżce gazu (sadza) przy odpowiednio długim włączeniu - nie mogło zostać wykonane ze względu na ograniczoną objętość stanowiska LNG zbiorniki (maksymalny czas przełączania wynosił 68 sekund). Dlatego w 2010 roku postanowiono wyposażyć stanowisko do testów ogniowych trwających co najmniej 1000 sekund.
Jako nowe miejsce pracy wykorzystano stanowisko Centrum Badawczego Rosyjskiej Partii Komunistycznej do testowania tlenowo-wodorowych silników rakietowych na paliwo ciekłe, posiadające zbiorniki o odpowiedniej pojemności. Przygotowując się do testu, uwzględniono znaczne doświadczenie, które wcześniej uzyskano podczas siedmiu prób ogniowych. W okresie od czerwca do września 2010 r. zakończono laboratoryjne instalacje ciekłego wodoru do wykorzystania LNG, na stanowisku zainstalowano silnik C5.86 nr 2, kompleksowe przeglądy pomiarowe, kontrolne, systemy zabezpieczenia awaryjnego, kontrolę przełożenia składników paliwa i ciśnienia w komorze spalania.
Zbiorniki testowe napełniano paliwem ze zbiornika transportowego cysterny (pojemność 56,4 m3 przy zatankowaniu 16 ton) za pomocą stacji do napełniania LNG, w skład której wchodzi wymiennik ciepła, filtry, zawory i przyrządy pomiarowe. Po zakończeniu napełniania zbiorników schłodzono i napełniono linie stanowiskowe doprowadzające komponenty paliwowe do silnika.
Silnik uruchomił się i pracował normalnie. Zmiany reżimu następowały zgodnie z wpływem systemu kontroli. Począwszy od 1100 sekund temperatura gazu generatora gazu stale rosła, w wyniku czego podjęto decyzję o zatrzymaniu silnika. Zamknięcie nastąpiło na polecenie o 1160 sekundach bez komentarza. Przyczyną wzrostu temperatury był nieszczelność kolektora wylotowego ścieżki chłodzenia komory spalania, która wystąpiła podczas testu - pęknięcie spoiny zatkanej armatury technologicznej zainstalowanej na kolektorze.
Analiza wyników próby ogniowej pozwoliła na stwierdzenie:
- w trakcie pracy parametry silnika były stabilne w trybach z różnymi kombinacjami stosunku zużycia składników paliwa (2,42 do 1 - 3,03 do 1) i ciągu (6311 - 7340 kgf);
- potwierdził brak tworzenia się fazy stałej w ścieżce gazu i brak osadów koksu w ścieżce cieczy silnika;
-uzyskał niezbędne dane eksperymentalne w celu udoskonalenia metodologii obliczania chłodzenia komory spalania przy użyciu LNG jako chłodziwa;
- badano dynamikę wychodzenia toru chłodzącego komory spalania do ustalonego reżimu cieplnego;
- potwierdził poprawność rozwiązań technicznych zapewniających uruchomienie, kontrolę, regulację i inne, z uwzględnieniem właściwości LNG;
- C5.86 opracowywany z ciągiem 7,5 tf może być używany (samodzielnie lub w połączeniu) jako silnik podtrzymujący w zaawansowanych górnych stopniach i wyższych stopniach pojazdów nośnych;
-pozytywne wyniki testów ogniowych potwierdziły możliwość dalszych eksperymentów nad stworzeniem silnika pracującego na paliwie ZhK + LNG.
Podczas kolejnej próby ogniowej w 2011 roku silnik był włączany dwukrotnie. Przed pierwszym wyłączeniem silnik pracował przez 162 sekundy. Przy drugim rozruchu, przeprowadzonym w celu potwierdzenia braku tworzenia się fazy stałej w ścieżce gazu i osadów koksu w ścieżce cieczy, osiągnięto rekordowy czas pracy silnika o tych wymiarach przy jednym rozruchu – 2007 s, a potwierdzono również możliwość dławienia ciągu. Test został przerwany ze względu na rozwój komponentów paliwowych. Całkowity czas pracy tej instancji silnika wynosił 3389 sekund (cztery wtrącenia). Przeprowadzona kontrola potwierdziła brak tworzenia się fazy stałej i koksu w przewodach silnika.
Kompleks prac obliczeniowo-teoretycznych i eksperymentalnych z C5.86 nr 2 potwierdził:
- fundamentalna możliwość stworzenia silnika o wymaganych wymiarach na parze paliwowej elementów „LC+LNG” z dopalaniem gazu generatora redukcyjnego, co zapewnia utrzymanie stabilnych charakterystyk i praktyczny brak fazy stałej w gazie ścieżki i osady koksu w drogach cieczy silnika;
- możliwość wielokrotnego uruchamiania i zatrzymywania silnika;
- możliwość długotrwałej pracy silnika;
- poprawność przyjętych rozwiązań technicznych zapewniających wielokrotne uruchomienie, sterowanie, regulację z uwzględnieniem charakterystyki LNG i zabezpieczenia awaryjnego;
-Możliwości SIC RCP oznaczają długoterminowe testowanie.
Ponadto wspólnie z Centrum Badawczym RCP opracowano technologię transportu, tankowania i kontroli temperatury dużych mas LNG oraz opracowano rozwiązania technologiczne, które mają praktyczne zastosowanie w procedurze tankowania produktów lotniczych.
LNG - droga do lotów wielokrotnego użytku
Ze względu na to, że komponenty i zespoły demonstracyjnego silnika nr 5.86 C2 nie zostały zoptymalizowane w odpowiedniej ilości ze względu na ograniczone środki finansowe, nie udało się w pełni rozwiązać szeregu zadań, w tym:
wyjaśnienie właściwości termofizycznych LNG jako chłodziwa;
uzyskanie dodatkowych danych do sprawdzenia zbieżności charakterystyk głównych jednostek w symulacji na wodzie i pracy na LNG;
eksperymentalna weryfikacja ewentualnego wpływu składu gazu ziemnego na charakterystykę głównych bloków, w tym na ścieżki chłodzenia komory spalania i generatora gazu;
wyznaczanie charakterystyk LRE w szerszym zakresie trybów pracy i głównych parametrów zarówno dla odpaleń pojedynczych, jak i wielokrotnych;
optymalizacja procesów dynamicznych przy starcie.
Aby rozwiązać te problemy, biuro projektowe Chimmash wyprodukowało zmodernizowany silnik S5.86A nr 2A, którego turbopompę po raz pierwszy wyposażono w turbinę rozruchową, zmodernizowaną turbinę główną i pompę paliwową. Zmodernizowano tor schładzania komory spalania oraz przeprojektowano iglicę przepustnicy stosunku paliwa.
Próbę ogniową silnika przeprowadzono 13 września 2013 r. (zawartość metanu w LNG wynosi 94,6%). Program testowy obejmował trzy inkluzje o łącznym czasie trwania 1500 sekund (1300 + 100 + 100). Uruchomienie i praca silnika w trybie były normalne, jednak po 532 sekundach system ochrony awaryjnej wygenerował polecenie awaryjnego wyłączenia. Przyczyną wypadku było dostanie się obcej cząstki metalu do drogi przepływu pompy utleniacza.
Mimo wypadku C5.86A nr 2A pracował dość długo. Po raz pierwszy uruchomienie silnika przeznaczonego do użycia w ramach etapu rakietowego wymagającego wielokrotnych startów przeprowadzono zgodnie z zaimplementowanym schematem z wykorzystaniem pokładowego akumulatora ciśnieniowego wielokrotnego ładowania. Stabilny tryb pracy uzyskuje się dla danego trybu ciągu i maksimum dotychczas zaimplementowanego wskaźnika zużycia paliwa. Wyznaczono możliwe rezerwy na zwiększenie ciągu i zwiększenie wskaźnika zużycia składnika paliwowego.
Teraz KB Khimmash kończy produkcję nowej kopii C5.86 w celu przetestowania maksymalnego możliwego zasobu pod względem czasu pracy i liczby wtrąceń. Powinien stać się prototypem prawdziwego silnika zasilanego LK + LNG, który nada nową jakość górnym stopniom pojazdów nośnych i tchnie życie w systemy transportowe wielokrotnego użytku. Z ich pomocą przestrzeń stanie się dostępna nie tylko dla badaczy i wynalazców, ale być może po prostu dla podróżników.
Świat rakiet i kosmosu znajduje się na rozdrożu: światowe trendy wymagają obniżenia kosztów i zwiększenia bezpieczeństwa środowiskowego usług kosmicznych. Projektanci muszą wynaleźć nowe silniki rakietowe na paliwo ciekłe (LRE) wykorzystujące przyjazne dla środowiska paliwa, zastępując drogi, niezwykle energochłonny ciekły wodór tanim skroplonym gazem ziemnym (LNG) o zawartości metanu 90-98 procent. Paliwo to w połączeniu z ciekłym tlenem umożliwia tworzenie nowych wysokosprawnych i niedrogich silników przy maksymalnym wykorzystaniu istniejących elementów rezerwy konstrukcyjnej, materiałowej, technologicznej i produkcyjnej.
LNG nie jest toksyczny, podczas spalania w tlenie powstaje para wodna i dwutlenek węgla. W przeciwieństwie do nafty, która jest szeroko stosowana w technologii rakietowej, wycieki LNG szybko odparowują bez szkody dla środowiska.
Pierwszy test
Temperatura zapłonu gazu ziemnego z powietrzem i dolna granica jego stężenia wybuchowego jest wyższa niż wodoru i par nafty, dlatego w rejonie niskich stężeń jest mniej wybuchowy w porównaniu z innymi paliwami węglowodorowymi.
Generalnie eksploatacja LNG jako paliwa rakietowego nie wymaga żadnych dodatkowych środków przeciwpożarowych i przeciwwybuchowych, które nie były wcześniej stosowane.
Gęstość LNG jest sześciokrotnie większa niż ciekłego wodoru, ale o połowę mniejsza niż nafty. Niższa gęstość prowadzi do odpowiedniego wzrostu wielkości zbiornika LNG w porównaniu do zbiornika na naftę. Jednak biorąc pod uwagę wyższy stosunek zużycia utleniacza i paliwa (około 3,5 do 1 dla ciekłego tlenu (LC) + paliwo LNG i 2,7 do 1 dla LOC + paliwo nafta), łączna objętość zatankowanego paliwa LOC + LNG” wzrasta o tylko 20 proc.. Biorąc pod uwagę efekt utwardzenia kriogenicznego materiału, a także możliwość łączenia dna zbiorników LNG i LNG, waga zbiorników paliwowych będzie stosunkowo niewielka.
I wreszcie produkcja i transport LNG od dawna są opanowane.
Biuro Projektowe Inżynierii Chemicznej (KB Chimmash) im. A. M. Isaeva w Korolowie pod Moskwą rozpoczęło (jak się okazało, ciągnące się latami z powodu bardzo skąpych funduszy) prace nad opracowaniem paliwa ZhK + LNG w 1994 roku, kiedy projekt - obliczenia badania i podjęto decyzję o stworzeniu nowego silnika wykorzystującego schematycznie i konstrukcyjnie bazę istniejącego tlenowo-wodorowego HPC1 o ciągu 7,5 tf, z powodzeniem eksploatowanego w ramach górnego stopnia (Cryogenic Upper Stage) 12KRB indyjskiej rakiety nośnej GSLV MkI (geosynchroniczny pojazd do wystrzeliwania satelitów) ).
W 1996 roku przeprowadzono autonomiczne testy pożarowe generatora gazu na LC i gazie ziemnym jako składnikach paliwa, które miały głównie na celu sprawdzenie trybów rozruchu i stabilnej pracy - 13 wtrąceń potwierdziło sprawność generatora gazu i dało wyniki, które zostały wykorzystane w rozwoju redukcyjnych generatorów gazu pracujących w obiegach otwartych i zamkniętych.
W sierpniu-wrześniu 1997 r. Biuro Projektowe Chimmash przeprowadziło próby ogniowe bloku kierowniczego silnika KVD1 (również z wykorzystaniem gazu ziemnego zamiast wodoru), w których komora odchylała się w dwóch płaszczyznach pod kątem ± 39,5 stopnia (ciąg - 200 kgf ) jest połączony w jedną konstrukcję, ciśnienie w komorze - 40 kg/cm2), zawory start i stop, pirotechniczny układ zapłonowy i napędy elektryczne - jedna zwykła jednostka sterująca KVD1 przeszła sześć wtrąceń o łącznym czasie pracy ponad 450 sekund i ciśnienie w komorze w zakresie 42–36 kg/cm2. Wyniki testów potwierdziły możliwość stworzenia małej komory wykorzystującej jako chłodziwo gaz ziemny.
W sierpniu 1997 r. Biuro Projektowe Chimmash rozpoczęło próby wypalania pełnowymiarowego silnika o obiegu zamkniętym o ciągu 7,5 tf na paliwie ZhK + LNG. Podstawą do produkcji był zmodyfikowany silnik KVD1 o obiegu zamkniętym z dopalaniem gazu z generatora gazu redukcyjnego i chłodzeniem komory paliwem.
Zmodyfikowano standardową pompę utleniacza KVD1: zwiększono średnicę wirnika pompy, aby zapewnić wymagany stosunek ciśnienia pompy utleniacza i pompy paliwa. Dostosowano również hydrauliczne strojenie linii silnika, aby zapewnić obliczony stosunek komponentów.
Zastosowanie prototypowego silnika, który wcześniej przeszedł cykl prób ogniowych na paliwie „LC + ciekły wodór”, zapewniło maksymalne obniżenie kosztów badań.
Testy na zimno pozwoliły na opracowanie metodyki przygotowania silnika i stanowiska do pracy gorącej pod kątem zapewnienia wymaganych parametrów LNG w zbiornikach stanowiskowych, schłodzenia przewodów utleniacza i paliwowych do temperatur gwarantujących niezawodną pracę pomp podczas okres rozruchu oraz stabilny i stabilny rozruch silnika.
Pierwsza próba ogniowa silnika odbyła się 22 sierpnia 1997 roku na stoisku przedsiębiorstwa, które dziś nosi nazwę Centrum Badawczo-Testowe Przemysłu Rakietowego i Kosmicznego (SIC RCP). W praktyce Biura Projektowego Chimmash testy te były pierwszym doświadczeniem wykorzystania LNG jako paliwa do pełnowymiarowego silnika o obiegu zamkniętym.
Celem testu było uzyskanie pozytywnego wyniku ze względu na pewne obniżenie parametrów oraz ułatwienie pracy silnika.
Sterowanie wyjściem do reżimu i pracę w reżimie zrealizowano za pomocą regulatorów ciągu oraz wskaźnika zużycia składników paliwa z wykorzystaniem algorytmów HPC1, które uwzględniają wzajemny wpływ kanałów sterowania.
Program pierwszej próby zapłonowej silnika obiegu zamkniętego został w całości zrealizowany. Silnik pracował przez określony czas, nie było uwag co do stanu części materialnej.
Wyniki badań potwierdziły fundamentalną możliwość wykorzystania LNG jako paliwa w tlenowo-wodorowych jednostkach silnikowych.
Dużo gazu - bez koksu
W przyszłości testy były kontynuowane w celu pogłębienia procesów związanych z wykorzystaniem LNG, testowania działania jednostek silnikowych w szerszych warunkach aplikacyjnych oraz optymalizacji rozwiązań konstrukcyjnych.
Łącznie w latach 1997-2005 odbyło się pięć prób ogniowych dwóch egzemplarzy silnika KVD1, przystosowanego do stosowania paliwa ZhK+ LNG, trwających od 17 do 60 sekund, zawartość metanu w LNG wynosiła od 89,3 do 99,5%.
Ogólnie rzecz biorąc, wyniki tych testów pozwoliły określić podstawowe zasady rozwoju silnika i jego jednostek wykorzystujących paliwo ZhK + CNG i przejść do kolejnego etapu badań w 2006 roku, który obejmuje rozwój, produkcję i testowanie silnika C5.86. Komora spalania, generator gazu, zespół turbopompy oraz elementy sterujące tej ostatniej są konstrukcyjnie i parametrycznie zaprojektowane specjalnie do pracy na paliwie LPG + LNG.
Do 2009 roku przeprowadzono dwa testy ogniowe silników C5.86 o czasie trwania 68 i 60 sekund przy zawartości metanu w LNG 97,9 i 97,7 proc.
Pozytywne wyniki uzyskano w zakresie uruchamiania i wyłączania LRE, pracy w warunkach ustalonych w zakresie ciągu i proporcji składników paliwa (zgodnie z działaniami kontrolnymi). Jednak jedno z głównych zadań - eksperymentalna weryfikacja braku akumulacji fazy stałej w ścieżce chłodzenia komory (koksu) oraz w ścieżce gazu (sadza) przy odpowiednio długim włączeniu - nie mogło zostać wykonane ze względu na ograniczoną objętość stanowiska LNG zbiorniki (maksymalny czas przełączania wynosił 68 sekund). Dlatego w 2010 roku postanowiono wyposażyć stanowisko do testów ogniowych trwających co najmniej 1000 sekund.
Jako nowe miejsce pracy wykorzystano stanowisko Centrum Badawczego Rosyjskiej Partii Komunistycznej do testowania tlenowo-wodorowych silników rakietowych na paliwo ciekłe, posiadające zbiorniki o odpowiedniej pojemności. Przygotowując się do testu, uwzględniono znaczne doświadczenie, które wcześniej uzyskano podczas siedmiu prób ogniowych. W okresie od czerwca do września 2010 r. zakończono laboratoryjne instalacje ciekłego wodoru do wykorzystania LNG, na stanowisku zainstalowano silnik C5.86 nr 2, kompleksowe przeglądy pomiarowe, kontrolne, systemy zabezpieczenia awaryjnego, kontrolę przełożenia składników paliwa i ciśnienia w komorze spalania.
Zbiorniki testowe napełniano paliwem ze zbiornika transportowego cysterny (pojemność 56,4 m3 przy zatankowaniu 16 ton) za pomocą stacji do napełniania LNG, w skład której wchodzi wymiennik ciepła, filtry, zawory i przyrządy pomiarowe. Po zakończeniu napełniania zbiorników schłodzono i napełniono linie stanowiskowe doprowadzające komponenty paliwowe do silnika.
Silnik uruchomił się i pracował normalnie. Zmiany reżimu następowały zgodnie z wpływem systemu kontroli. Począwszy od 1100 sekund temperatura gazu generatora gazu stale rosła, w wyniku czego podjęto decyzję o zatrzymaniu silnika. Zamknięcie nastąpiło na polecenie o 1160 sekundach bez komentarza. Przyczyną wzrostu temperatury był nieszczelność kolektora wylotowego ścieżki chłodzenia komory spalania, która wystąpiła podczas testu - pęknięcie spoiny zatkanej armatury technologicznej zainstalowanej na kolektorze.
Analiza wyników próby ogniowej pozwoliła na stwierdzenie:
- w trakcie pracy parametry silnika były stabilne w trybach z różnymi kombinacjami stosunku zużycia składników paliwa (2,42 do 1 - 3,03 do 1) i ciągu (6311 - 7340 kgf);
- potwierdził brak tworzenia się fazy stałej w ścieżce gazu i brak osadów koksu w ścieżce cieczy silnika;
-uzyskał niezbędne dane eksperymentalne w celu udoskonalenia metodologii obliczania chłodzenia komory spalania przy użyciu LNG jako chłodziwa;
- badano dynamikę wychodzenia toru chłodzącego komory spalania do ustalonego reżimu cieplnego;
- potwierdził poprawność rozwiązań technicznych zapewniających uruchomienie, kontrolę, regulację i inne, z uwzględnieniem właściwości LNG;
- C5.86 opracowywany z ciągiem 7,5 tf może być używany (samodzielnie lub w połączeniu) jako silnik podtrzymujący w zaawansowanych górnych stopniach i wyższych stopniach pojazdów nośnych;
-pozytywne wyniki testów ogniowych potwierdziły możliwość dalszych eksperymentów nad stworzeniem silnika pracującego na paliwie ZhK + LNG.
Podczas kolejnej próby ogniowej w 2011 roku silnik był włączany dwukrotnie. Przed pierwszym wyłączeniem silnik pracował przez 162 sekundy. Przy drugim rozruchu, przeprowadzonym w celu potwierdzenia braku tworzenia się fazy stałej w ścieżce gazu i osadów koksu w ścieżce cieczy, osiągnięto rekordowy czas pracy silnika o tych wymiarach przy jednym rozruchu – 2007 s, a potwierdzono również możliwość dławienia ciągu. Test został przerwany ze względu na rozwój komponentów paliwowych. Całkowity czas pracy tej instancji silnika wynosił 3389 sekund (cztery wtrącenia). Przeprowadzona kontrola potwierdziła brak tworzenia się fazy stałej i koksu w przewodach silnika.
Kompleks prac obliczeniowo-teoretycznych i eksperymentalnych z C5.86 nr 2 potwierdził:
- fundamentalna możliwość stworzenia silnika o wymaganych wymiarach na parze paliwowej elementów „LC+LNG” z dopalaniem gazu generatora redukcyjnego, co zapewnia utrzymanie stabilnych charakterystyk i praktyczny brak fazy stałej w gazie ścieżki i osady koksu w drogach cieczy silnika;
- możliwość wielokrotnego uruchamiania i zatrzymywania silnika;
- możliwość długotrwałej pracy silnika;
- poprawność przyjętych rozwiązań technicznych zapewniających wielokrotne uruchomienie, sterowanie, regulację z uwzględnieniem charakterystyki LNG i zabezpieczenia awaryjnego;
-Możliwości SIC RCP oznaczają długoterminowe testowanie.
Ponadto wspólnie z Centrum Badawczym RCP opracowano technologię transportu, tankowania i kontroli temperatury dużych mas LNG oraz opracowano rozwiązania technologiczne, które mają praktyczne zastosowanie w procedurze tankowania produktów lotniczych.
LNG - droga do lotów wielokrotnego użytku
Ze względu na to, że komponenty i zespoły demonstracyjnego silnika nr 5.86 C2 nie zostały zoptymalizowane w odpowiedniej ilości ze względu na ograniczone środki finansowe, nie udało się w pełni rozwiązać szeregu zadań, w tym:
wyjaśnienie właściwości termofizycznych LNG jako chłodziwa;
uzyskanie dodatkowych danych do sprawdzenia zbieżności charakterystyk głównych jednostek w symulacji na wodzie i pracy na LNG;
eksperymentalna weryfikacja ewentualnego wpływu składu gazu ziemnego na charakterystykę głównych bloków, w tym na ścieżki chłodzenia komory spalania i generatora gazu;
wyznaczanie charakterystyk LRE w szerszym zakresie trybów pracy i głównych parametrów zarówno dla odpaleń pojedynczych, jak i wielokrotnych;
optymalizacja procesów dynamicznych przy starcie.
Aby rozwiązać te problemy, biuro projektowe Chimmash wyprodukowało zmodernizowany silnik S5.86A nr 2A, którego turbopompę po raz pierwszy wyposażono w turbinę rozruchową, zmodernizowaną turbinę główną i pompę paliwową. Zmodernizowano tor schładzania komory spalania oraz przeprojektowano iglicę przepustnicy stosunku paliwa.
Próbę ogniową silnika przeprowadzono 13 września 2013 r. (zawartość metanu w LNG wynosi 94,6%). Program testowy obejmował trzy inkluzje o łącznym czasie trwania 1500 sekund (1300 + 100 + 100). Uruchomienie i praca silnika w trybie były normalne, jednak po 532 sekundach system ochrony awaryjnej wygenerował polecenie awaryjnego wyłączenia. Przyczyną wypadku było dostanie się obcej cząstki metalu do drogi przepływu pompy utleniacza.
Mimo wypadku C5.86A nr 2A pracował dość długo. Po raz pierwszy uruchomienie silnika przeznaczonego do użycia w ramach etapu rakietowego wymagającego wielokrotnych startów przeprowadzono zgodnie z zaimplementowanym schematem z wykorzystaniem pokładowego akumulatora ciśnieniowego wielokrotnego ładowania. Stabilny tryb pracy uzyskuje się dla danego trybu ciągu i maksimum dotychczas zaimplementowanego wskaźnika zużycia paliwa. Wyznaczono możliwe rezerwy na zwiększenie ciągu i zwiększenie wskaźnika zużycia składnika paliwowego.
Teraz KB Khimmash kończy produkcję nowej kopii C5.86 w celu przetestowania maksymalnego możliwego zasobu pod względem czasu pracy i liczby wtrąceń. Powinien stać się prototypem prawdziwego silnika zasilanego LK + LNG, który nada nową jakość górnym stopniom pojazdów nośnych i tchnie życie w systemy transportowe wielokrotnego użytku. Z ich pomocą przestrzeń stanie się dostępna nie tylko dla badaczy i wynalazców, ale być może po prostu dla podróżników.
informacja