Raket- en ruimtewereld op een kruispunt: wereldwijde trends vragen om lagere kosten en verhoogde milieuveiligheid van ruimtediensten. Ontwerpers moeten nieuwe raketmotoren voor vloeibare stuwstof (LPRE) uitvinden die gebruik maken van milieuvriendelijke brandstoffen, waarbij dure, zeer energie-intensieve vloeibare waterstof wordt vervangen door goedkoop vloeibaar gemaakt aardgas (LNG) met een methaangehalte van 90-98 procent. Deze brandstof, in combinatie met vloeibare zuurstof, maakt het mogelijk om nieuwe, zeer efficiënte en goedkope motoren te creëren met een maximaal gebruik van reeds bestaande elementen van ontwerp, materiaal, technologie en productieachterstand.
LNG is niet giftig en bij verbranding in zuurstof worden waterdamp en kooldioxide gevormd. In tegenstelling tot kerosine, dat veel wordt gebruikt in raketten, verdampt LNG-lozing snel zonder het milieu te schaden.
Eerste testen
De ontstekingstemperatuur van aardgas met lucht en de ondergrens van zijn explosieve concentratie zijn hoger dan die van waterstof- en kerosinedampen; daarom is het in het gebied van lage concentraties, in vergelijking met andere koolwaterstofbrandstoffen, minder explosief.
In het algemeen vereist de exploitatie van LNG als raketbrandstof geen aanvullende brand- en explosiepreventiemaatregelen die niet eerder zijn toegepast.
De dichtheid van LNG is zes keer die van vloeibare waterstof, maar de helft van die van kerosine. De lagere dichtheid leidt tot een overeenkomstige toename van de grootte van de LNG-tank in vergelijking met de kerosinetank. Rekening houdend met de hogere verhouding van oxidatiemiddel en brandstofverbruik (het is ongeveer 3,5 op 1 voor de vloeibare zuurstof (LC) + LNG-brandstof en 2,7 op 1 voor de ZhK + kerosinebrandstof), is het totale volume van de ZhK + brandstof bijgetankte LNG neemt slechts met 20 procent toe. Rekening houdend met het effect van cryogene uitharding van het materiaal, evenals de mogelijkheid om de bodems van LC- en LNG-tanks te combineren, zal het gewicht van de brandstoftanks relatief klein zijn.
En tot slot is de productie en het transport van LNG al lang onder de knie.
Het Design Bureau of Chemical Engineering (KB Khimmash), vernoemd naar AM Isaev in Korolev, regio Moskou, begon (zoals later bleek, zich jarenlang uit te strekken vanwege zeer magere financiering) aan de ontwikkeling van ZhK + LNG-brandstof in 1994, toen de ontwerp-ontwerpstudies en een beslissing werd genomen om een nieuwe motor te maken met behulp van de schematische en structurele basis van de bestaande zuurstof-waterstof HPC1 met een stuwkracht van 7,5 tf, met succes gebruikt als onderdeel van de bovenste trap (Cryogene bovenste trap) 12KRB van het Indiase draagraket GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
In 1996 werden autonome ontstekingstests uitgevoerd van een gasgenerator met vloeibare vloeistof en aardgas als brandstofcomponenten, die voornamelijk gericht waren op het controleren van de opstart- en stabiele bedrijfsmodi - 13 insluitsels bevestigden de werking van de gasgenerator en gaven de resultaten die werden gebruikt bij de ontwikkeling van generatoren voor terugwinningsgas die op open en gesloten schema's werkten.
In augustus-september 1997 voerde het Khimmash Design Bureau brandtesten uit van de stuureenheid van de KVD1-motor (ook met aardgas in plaats van waterstof), waarbij een in twee vlakken afgebogen kamer onder een hoek van ± 39,5 graden werd gecombineerd in een enkele structuur (stuwkracht - 200 kgf, kamerdruk - 40 kg/cm2), start- en stopkleppen, pyrotechnisch ontstekingssysteem en elektrische aandrijvingen - één standaard KVD1-stuureenheid heeft zes starts gepasseerd met een totale bedrijfstijd van meer dan 450 seconden en een kamer druk in het bereik van 42-36 kg / cm2. De testresultaten bevestigden de mogelijkheid om een kleine kamer te creëren met aardgas als koelmiddel.
In augustus 1997 begon KB Khimmash met het afvuren van tests van een full-size gesloten circuitmotor met een stuwkracht van 7,5 tf op ZhK + LNG-brandstof. De basis voor de fabricage was een gemodificeerde KVD1-motor met een gesloten circuit met naverbranding van het reducerende gasgeneratorgas en koeling van de kamer met brandstof.
De standaard oxidatiepomp KVD1 werd aangepast: de diameter van de pompwaaier werd vergroot om de vereiste verhouding van de oxidatiemiddel- en brandstofpompkoppen te garanderen. Ook werd de hydraulische afstemming van de motorleidingen gecorrigeerd om de berekende verhouding van componenten te garanderen.
Het gebruik van de prototypemotor, die eerder de cyclus van ontstekingstests op LCD + vloeibare waterstofbrandstof had doorstaan, zorgde voor de maximale verlaging van de onderzoekskosten.
Koude tests maakten het mogelijk om de methode voor het voorbereiden van de motor en de standaard voor heet werk uit te werken in termen van het waarborgen van de vereiste parameters van LNG in tafeltanks, het koelen van het oxidatiemiddel en de brandstofleidingen tot temperaturen die een betrouwbare werking van de pompen garanderen tijdens de startperiode en stabiele en stabiele start van de motor.
De eerste brandtest van de motor vond plaats op 22 augustus 1997 op de stand van de onderneming, die tegenwoordig het Scientific Test Center of the Rocket and Space Industry (SRC RCP) wordt genoemd. In de praktijk van KB Khimmash waren deze tests de eerste ervaring met het gebruik van LNG als brandstof voor een full-size gesloten-circuitmotor.
Het doel van de test was om een succesvol resultaat te verkrijgen door een aantal reducties in parameters en vergemakkelijking van de bedrijfsomstandigheden van de motor.
De controle van het bereiken van de modus en het werken in de modus werd uitgevoerd met behulp van gasregelaars en de verhouding van het verbruik van brandstofcomponenten met behulp van de HPC1-algoritmen, rekening houdend met de interactie van regelkanalen.
Het programma van de eerste ontstekingstest van de motor met gesloten circuit werd volledig afgerond. De motor liep een bepaalde tijd, er waren geen opmerkingen over de staat van het materiële deel.
De testresultaten bevestigden de fundamentele mogelijkheid om LNG als brandstof te gebruiken in de eenheden van een zuurstof-waterstofmotor.
Er is veel gas - geen cola
Vervolgens werden de tests voortgezet met als doel een meer diepgaande studie van de processen die samenhangen met het gebruik van LNG, het controleren van de werking van motorunits in bredere toepassingsomstandigheden en het optimaliseren van ontwerpoplossingen.
In totaal vonden van 1997 tot 2005 vijf ontstekingstests plaats van twee exemplaren van de KVD1-motor, aangepast voor het gebruik van ZhK + LNG-brandstof, met een duur van 17 tot 60 seconden, het methaangehalte in LNG - van 89,3 tot 99,5 procent..
Over het geheel genomen hebben de resultaten van deze tests het mogelijk gemaakt om de basisprincipes van de ontwikkeling van de motor en zijn eenheden te bepalen bij het gebruik van "ZhK + LNG"-brandstof en om in 2006 over te gaan tot de volgende onderzoeksfase met betrekking tot de ontwikkeling, fabricage en testen van de C5.86-motor. De verbrandingskamer, gasgenerator, turbopompeenheid en regelaars van deze laatste zijn structureel en parametrisch speciaal gemaakt voor gebruik op ZhK + LNG-brandstof.
In 2009 werden twee brandtesten van de C5.86-motoren met een duur van 68 en 60 seconden uitgevoerd met een methaangehalte in LNG van 97, 9 en 97, 7 procent.
Positieve resultaten werden verkregen bij het starten en stoppen van de motor met vloeibare stuwstof, werkend in stationaire modi wat betreft stuwkracht en de verhouding van brandstofcomponenten (in overeenstemming met de regelacties). Maar een van de hoofdtaken - de experimentele verificatie van de afwezigheid van accumulatie van vaste fase in het koelpad van de kamer (cokes) en in het gaspad (roet) met voldoende lange windingen - kon niet worden uitgevoerd vanwege het beperkte volume van bank-LNG-tanks (de maximale inschakelduur was 68 seconden). Daarom is in 2010 besloten om de standaard uit te rusten voor het uitvoeren van schiettests met een duur van minimaal 1000 seconden.
Als nieuwe werkplek werd de NRC RCP-testbank gebruikt voor het testen van zuurstof-waterstof vloeibare stuwstof raketmotoren, die capaciteiten hebben van het overeenkomstige volume. Ter voorbereiding van de proef is rekening gehouden met de significante ervaring die eerder tijdens de zeven brandproeven is opgedaan. In de periode van juni tot september 2010 werden de banksystemen van vloeibare waterstof verfijnd voor het gebruik van LNG, werd de C5.86-motor nr. 2 op de bank geïnstalleerd, uitgebreide tests van de meet-, regel-, noodbeveiligingssystemen en regeling van de verhouding van brandstofverbruik en druk in de verbrandingskamer werden uitgevoerd.
De banktanks zijn gevuld met brandstof uit de transporttank van de tankwagen (volume - 56,4 m3 bij een tankbeurt van 16 ton) met behulp van een LNG-tankinstallatie inclusief warmtewisselaar, filters, afsluiters en meetinstrumenten. Nadat het vullen van de tanks was voltooid, werden de bankleidingen voor de toevoer van brandstofcomponenten naar de motor afgekoeld en gevuld.
De motor startte en liep normaal. De veranderingen in het regime vonden plaats in overeenstemming met de invloeden van het controlesysteem. Vanaf 1100 seconden liep de temperatuur van het gasgeneratorgas constant op, waardoor besloten werd de motor af te zetten. De uitschakeling vond plaats op commando om 1160 seconden zonder enige opmerkingen. De reden voor de temperatuurstijging was de lekkage van het uitlaatspruitstuk van het koelpad van de verbrandingskamer die ontstond tijdens de test - een scheur in de lasnaad van het verstopte procesmondstuk dat op het spruitstuk was geïnstalleerd.
De analyse van de resultaten van de uitgevoerde brandtest maakte het mogelijk om te concluderen:
- tijdens het bedrijf waren de motorparameters stabiel in modi met verschillende combinaties van de verhouding van het verbruik van brandstofcomponenten (2,42 tot 1 - 3,03 tot 1) en stuwkracht (6311 - 7340 kgf);
-bevestigde de afwezigheid van vaste-faseformaties in het gaspad en de afwezigheid van cokesafzettingen in het vloeistofpad van de motor;
- de nodige experimentele gegevens werden bekomen om de rekenmethode voor de koeling van de verbrandingskamer bij gebruik van LNG als koeler te verfijnen;
- de dynamiek van de uitgang van het koelkanaal van de verbrandingskamer naar het stationaire thermische regime is bestudeerd;
-bevestigde de juistheid van technische oplossingen om opstart, controle, regulering en andere zaken te verzekeren, rekening houdend met de eigenaardigheden van LNG;
-ontwikkelde C5.86 met een stuwkracht van 7,5 tf kan worden gebruikt (alleen of in combinatie) als voortstuwingsmotor in veelbelovende bovenste trappen en bovenste trappen van draagraketten;
- de positieve resultaten van de ontstekingstests bevestigden de haalbaarheid van verdere experimenten om een motor te creëren die draait op ZhK + LNG-brandstof.
Bij de volgende brandtest in 2011 werd de motor twee keer aangezet. Voor de eerste uitschakeling liep de motor 162 seconden. Bij de tweede start, uitgevoerd om de afwezigheid van vorming van vaste fase in het gaspad en cokesafzettingen in het vloeistofpad te bevestigen, werd een recordduur van een motor van deze dimensie met een enkele start behaald - 2007 seconden, evenals de mogelijkheid van stuwkrachtbeperking werd bevestigd. De test werd stopgezet vanwege de uitputting van brandstofcomponenten. De totale bedrijfstijd van dit motorexemplaar was 3389 seconden (vier starts). De uitgevoerde foutdetectie bevestigde de afwezigheid van vaste fase en cokesvorming in de motorpaden.
Een reeks theoretisch en experimenteel werk met C5.86 nr. 2 bevestigd:
- de fundamentele mogelijkheid om een motor van de vereiste afmeting te creëren op het brandstofpaar van de componenten "ZhK + LNG" met de naverbranding van het reducerende generatorgas, wat zorgt voor het behoud van stabiele kenmerken en de praktische afwezigheid van een vaste fase in de gaspaden en cokesafzettingen in de vloeistofpaden van de motor;
-de mogelijkheid om de motor meermaals te starten en te stoppen;
-de mogelijkheid van langdurige werking van de motor;
-de juistheid van de goedgekeurde technische oplossingen om te zorgen voor meervoudig opstarten, controle, regulering, rekening houdend met de kenmerken van LNG en noodbescherming;
- Mogelijkheden van de NIC RCP staan voor langdurige tests.
Ook is in samenwerking met NRC RCP een technologie ontwikkeld voor het transporteren, tanken en thermostatiseren van grote massa's LNG en zijn er technologische oplossingen ontwikkeld die praktisch toepasbaar zijn voor de procedure voor het tanken van vluchtproducten.
LNG - de weg naar herbruikbare vluchten
Vanwege het feit dat de componenten en samenstellingen van de demonstratiemotor C5.86 No. 2 vanwege beperkte financiering niet in de juiste mate waren geoptimaliseerd, was het niet mogelijk om een aantal problemen volledig op te lossen, waaronder:
verduidelijking van de thermofysische eigenschappen van LNG als koelmiddel;
het verkrijgen van aanvullende gegevens om de convergentie van de kenmerken van de hoofdeenheden te controleren bij simulatie op water en werken op LNG;
experimentele verificatie van de mogelijke invloed van de samenstelling van aardgas op de kenmerken van de hoofdeenheden, inclusief de koelpaden van de verbrandingskamer en gasgenerator;
bepaling van de kenmerken van raketmotoren met vloeibare stuwstof in een breder scala van veranderingen in bedrijfsmodi en basisparameters, zowel bij enkelvoudige als meervoudige starts;
optimalisatie van dynamische processen bij het opstarten.
Om deze problemen op te lossen, vervaardigde KB Khimmash een verbeterde C5.86A No. 2A-motor, waarvan de turbopompeenheid voor het eerst was uitgerust met een startturbine, een verbeterde hoofdturbine en een brandstofpomp. Het koelpad in de verbrandingskamer is gemoderniseerd en de gasnaald voor de brandstofverhouding is opnieuw ontworpen.
Op 13 september 2013 werd een brandtest van de motor uitgevoerd (methaangehalte in LNG - 94,6%). Het testprogramma voorzag in drie schakelaars met een totale duur van 1500 seconden (1300 + 100 + 100). Het starten en bedienen van de motor in de modus verliep normaal, maar na 532 seconden genereerde het noodbeveiligingssysteem een noodstopcommando. De oorzaak van het ongeval was het binnendringen van een vreemd metaaldeeltje in het stroompad van de oxidatiepomp.
Ondanks het ongeval heeft C5.86A No. 2A geruime tijd gewerkt. Voor de eerste keer werd een motor gelanceerd, bedoeld voor gebruik als onderdeel van een rakettrap, die meerdere starts vereist, volgens het geïmplementeerde schema met behulp van een ingebouwde oplaadbare drukaccumulator. Een stabiele bedrijfsmodus werd verkregen voor een gegeven stuwkrachtmodus en het maximum van de eerder gerealiseerde verhouding van het verbruik van brandstofcomponenten. Mogelijke reserves voor het opvoeren van stuwkracht en het verhogen van de verhouding van het verbruik van brandstofcomponenten zijn bepaald.
Nu voltooit KB Khimmash de productie van een nieuw exemplaar van C5.86 voor het testen van de maximaal mogelijke bron in termen van bedrijfstijd en het aantal starts. Het moet een prototype worden van een echte motor op ZhK + LNG-brandstof, die een nieuwe kwaliteit zal geven aan de bovenste trappen van draagraketten en herbruikbare transportsystemen nieuw leven zal inblazen. Met hun hulp komt er niet alleen ruimte voor onderzoekers en uitvinders, maar mogelijk alleen voor reizigers.
