سوخت اجاق گاز برای موتورهای موشک بسیار کارآمد است
موشک و جهان فضایی در دوراهی: روندهای جهانی خواستار هزینه های کمتر و افزایش ایمنی محیطی خدمات فضایی است. طراحان باید موتورهای موشکی جدید مایع (LPRE) را با استفاده از سوختهای سازگار با محیط زیست اختراع کنند و هیدروژن مایع گران قیمت و پر انرژی را با گاز طبیعی مایع ارزان (LNG) با مقدار متان 90-98 درصد جایگزین کنند. این سوخت ، همراه با اکسیژن مایع ، امکان ایجاد موتورهای جدید بسیار کارآمد و ارزان را با حداکثر استفاده از عناصر موجود در طراحی ، مواد ، فناوری و تولید عقب می سازد.
LNG غیر سمی است و وقتی در اکسیژن سوزانده می شود ، بخار آب و دی اکسید کربن تشکیل می شود. برخلاف نفت سفید که به طور گسترده در موشک سازی استفاده می شود ، نشت LNG بدون آسیب رساندن به محیط زیست به سرعت تبخیر می شود.
اولین آزمایش ها
دمای اشتعال گاز طبیعی با هوا و حد پایین غلظت انفجاری آن بیشتر از بخارهای هیدروژن و نفت سفید است ؛ بنابراین ، در منطقه با غلظت کم ، در مقایسه با سایر سوختهای هیدروکربوری ، انفجار کمتری دارد.
به طور کلی ، عملکرد LNG به عنوان سوخت موشک نیازی به اقدامات اضافی پیشگیری از آتش سوزی و انفجار ندارد که قبلاً استفاده نشده بود.
چگالی LNG شش برابر هیدروژن مایع است ، اما نصف نفت سفید. چگالی کمتر منجر به افزایش اندازه مخزن LNG در مقایسه با مخزن نفت سفید می شود. با این حال ، با در نظر گرفتن نسبت بیشتر اکسید کننده و مصرف سوخت (برای اکسیژن مایع (LC) + سوخت LNG تقریبا 3.5 به 1 و برای سوخت نفت سفید ZhK + 2.7 به 1 است) ، حجم کل سوخت ZhK + سوخت LNG فقط 20 درصد افزایش می یابد. با در نظر گرفتن اثر سخت شدن سرمازدگی مواد و همچنین امکان ترکیب ته مخازن LC و LNG ، وزن مخازن سوخت نسبتاً کم خواهد بود.
و سرانجام ، تولید و حمل و نقل LNG مدتهاست که تسلط یافته است.
دفتر طراحی مهندسی شیمی (KB Khimmash) به نام AM Isaev در کورولف ، منطقه مسکو ، کار خود را (در سال 1994 به دلیل بودجه بسیار ناچیز) در توسعه سوخت ZhK + LNG در سال 1994 آغاز کرد. ، هنگامی که مطالعات طراحی - طراحی و تصمیم گیری برای ایجاد موتور جدید با استفاده از پایه شماتیک و ساختاری HPC1 اکسیژن -هیدروژن موجود با رانش 7.5 tf انجام شد ، به عنوان بخشی از مرحله فوقانی با موفقیت عمل کرد (مرحله فوقانی سرمازدگی) 12KRB از پرتابگر هندی GSLV MkI (وسیله پرتاب ماهواره Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
در سال 1996 ، آزمایشهای شلیک خودکار یک ژنراتور گاز با استفاده از مایع مایع و گاز طبیعی به عنوان اجزای سوخت انجام شد ، که عمدتا با هدف بررسی حالتهای راه اندازی و پایدار بود - 13 گنجایش عملکرد ژنراتور گاز را تأیید کرد و نتایجی که در توسعه ژنراتورهای بازیابی گاز مورد استفاده در طرح های باز و بسته مورد استفاده قرار گرفت.
در آگوست-سپتامبر 1997 ، دفتر طراحی خیماش آزمایشات آتش فرمان موتور KVD1 (همچنین با استفاده از گاز طبیعی به جای هیدروژن) انجام داد ، که در آن محفظه منحرف شده در دو صفحه با زاویه 39.5 درجه در یک ترکیب قرار گرفت. یک ساختار واحد (رانش - 200 کیلوگرم بر متر ، فشار محفظه - 40 کیلوگرم در سانتی متر مربع) ، شیرهای استارت و توقف ، سیستم احتراق پیروتکنیکی و درایوهای برقی - یک واحد فرمان استاندارد KVD1 شش شروع را با مجموع زمان کار بیش از 450 ثانیه و یک محفظه انجام داد. فشار در محدوده 42-36 کیلوگرم / سانتی متر مربع است. نتایج آزمایش امکان ایجاد یک محفظه کوچک با استفاده از گاز طبیعی به عنوان خنک کننده را تأیید کرد.
در آگوست 1997 ، KB Khimmash شروع به شلیک موتورهای مدار بسته بسته اندازه کامل با نیروی 7.5 tf بر روی سوخت ZhK + LNG کرد. اساس تولید یک موتور KVD1 اصلاح شده با مدار بسته با سوزاندن گاز تولید کننده گاز کاهنده و خنک کردن محفظه با سوخت بود.
پمپ اکسید کننده استاندارد KVD1 اصلاح شد: قطر پروانه پمپ برای اطمینان از نسبت مورد نیاز سر اکسید کننده و پمپ سوخت افزایش یافت. همچنین تنظیم هیدرولیک خطوط موتور برای اطمینان از نسبت محاسبه شده اجزاء اصلاح شد.
استفاده از موتور نمونه اولیه ، که قبلاً چرخه آزمایش شلیک بر روی سوخت LCD + هیدروژن مایع را پشت سر گذاشته بود ، حداکثر هزینه های تحقیق را کاهش داد.
آزمایشات سرد امکان تهیه روش آماده سازی موتور و پایه برای کار گرم را از نظر اطمینان از پارامترهای مورد نیاز LNG در مخازن نیمکت ، خنک کننده اکسید کننده و خطوط سوخت در دماهایی که عملکرد قابل اطمینان پمپ ها را در طول عملیات تضمین می کند ، امکان پذیر کرد. دوره شروع و استارت موتور پایدار و پایدار
اولین آزمایش آتش موتور در 22 آگوست 1997 در غرفه این شرکت انجام شد که امروزه مرکز آزمایش علمی صنعت موشک و فضا (SRC RCP) نامیده می شود. در تمرین KB Khimmash ، این آزمایشها اولین تجربه استفاده از LNG به عنوان سوخت برای موتورهای مدار بسته اندازه کامل بود.
هدف این آزمایش بدست آوردن نتیجه موفقیت آمیز به دلیل کاهش پارامترها و تسهیل شرایط عملکرد موتور بود.
کنترل رسیدن به حالت و عملکرد در حالت با استفاده از کنترل کننده های گاز و نسبت مصرف اجزای سوخت با استفاده از الگوریتم های HPC1 ، با در نظر گرفتن تعامل کانال های کنترل انجام شد.
برنامه اولین آزمایش شلیک موتور مدار بسته به طور کامل تکمیل شد. موتور برای مدت زمان مشخصی کار کرد ، هیچ نظری در مورد وضعیت قسمت مادی وجود نداشت.
نتایج آزمایش امکان اساسی استفاده از LNG به عنوان سوخت در واحدهای موتور اکسیژن-هیدروژن را تأیید کرد.
گاز زیادی وجود دارد - بدون کک
پس از آن ، آزمایشات با هدف مطالعه عمیق تر فرآیندهای مرتبط با استفاده از LNG ، بررسی عملکرد واحدهای موتور در شرایط کاربرد گسترده تر و بهینه سازی راه حل های طراحی ادامه یافت.
در کل ، از سال 1997 تا 2005 ، پنج آزمایش شلیک دو نسخه از موتور KVD1 ، مناسب برای استفاده از سوخت ZhK + LNG ، از 17 تا 60 ثانیه طول کشید ، میزان متان در LNG - از 89.3 تا 99.5 درصد انجام شد. به
به طور کلی ، نتایج این آزمایشات امکان تعیین اصول اولیه توسعه موتور و واحدهای آن را هنگام استفاده از سوخت "ZhK + LNG" و ادامه در سال 2006 در مرحله بعدی تحقیق شامل توسعه ، تولید فراهم آورد. و آزمایش موتور C5.86. محفظه احتراق ، ژنراتور گاز ، واحد توربو پمپ و تنظیم کننده های دومی از نظر ساختاری و پارامتری به طور خاص برای کار بر روی سوخت ZhK + LNG ساخته شده اند.
تا سال 2009 ، دو آزمایش آتش موتورهای C5.86 با مدت زمان 68 و 60 ثانیه با محتوای متان در LNG 97 ، 9 و 97 ، 7 درصد انجام شد.
نتایج مثبت در شروع و توقف موتور مایع پیشران ، عملکرد در حالتهای پایدار از نظر رانش و نسبت اجزای سوخت (مطابق با اقدامات کنترل) به دست آمد. اما یکی از وظایف اصلی - تأیید تجربی عدم تجمع فاز جامد در مسیر خنک کننده محفظه (کک) و در مسیر گاز (دوده) با روشنایی کافی طولانی - نمی تواند به دلیل حجم محدود انجام شود. مخازن LNG نیمکت (حداکثر مدت زمان روشن شدن 68 ثانیه بود). بنابراین ، در سال 2010 ، تصمیم گرفته شد که غرفه ای برای انجام آزمایش های شلیک با مدت حداقل 1000 ثانیه تجهیز شود.
به عنوان یک محل کار جدید ، نیمکت آزمایش NRC RCP برای آزمایش موتورهای موشک اکسیژن-هیدروژن مایع پیشران استفاده شد که دارای ظرفیت های مربوطه است. در آماده سازی برای آزمایش ، تجربه قابل توجهی که قبلاً در طول هفت آزمایش آتش به دست آمده بود ، در نظر گرفته شد. در بازه زمانی ژوئن تا سپتامبر 2010 ، سیستم های نیمکت هیدروژن مایع برای استفاده از LNG تصفیه شدند ، موتور C5.86 شماره 2 روی نیمکت نصب شد ، آزمایشات جامع اندازه گیری ، کنترل ، سیستم های حفاظت اضطراری و تنظیم نسبت مصرف سوخت و فشار در محفظه احتراق انجام شد.
مخازن نیمکت از مخزن حمل و نقل تانکر سوختگیری (حجم - 56.4 متر مکعب با سوختگیری 16 تن) با استفاده از یک واحد سوختگیری LNG ، شامل مبدل حرارتی ، فیلترها ، شیرهای خاموش و ابزارهای اندازه گیری پر شده است. پس از اتمام پر شدن مخازن ، خطوط تأمین قطعات سوخت موتور خنک و پر می شوند.
موتور روشن شد و به طور عادی کار کرد. تغییرات رژیم مطابق با تأثیرات سیستم کنترل صورت گرفت. از 1100 ثانیه ، دمای گاز مولد گاز دائماً افزایش می یابد ، در نتیجه تصمیم برای توقف موتور گرفته می شود. خاموش شدن به دستور 1160 ثانیه بدون هیچ گونه اظهار نظری انجام شد. دلیل افزایش دما نشت منیفولد خروجی مسیر خنک کننده محفظه احتراق است که در حین آزمایش بوجود آمد - شکافی در درز جوش نازل فرآیند متصل به منیفولد نصب شده است.
تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش آتش انجام شده به این نتیجه می رسد:
- در روند کار ، پارامترهای موتور در حالتهای مختلف با ترکیبات مختلف نسبت مصرف اجزای سوخت (2.42 به 1 - 3.03 به 1) و رانش (6311 - 7340 کیلوگرم بر ثانیه) پایدار بودند.
-عدم وجود تشکیلات فاز جامد در مسیر گاز و عدم وجود رسوبات کک در مسیر مایع موتور را تأیید کرد.
- داده های تجربی لازم برای اصلاح روش محاسبه برای خنک کننده محفظه احتراق هنگام استفاده از LNG به عنوان خنک کننده بدست آمد.
- پویایی خروج کانال خنک کننده محفظه احتراق به رژیم حرارتی حالت پایدار مورد مطالعه قرار گرفته است.
-صحت راه حل های فنی برای اطمینان از راه اندازی ، کنترل ، تنظیم و موارد دیگر را با در نظر گرفتن ویژگی های LNG تأیید کرد.
-توسعه یافته C5.86 با رانش 7.5 tf می تواند (به تنهایی یا به صورت ترکیبی) به عنوان یک پیشرانه در مراحل بالایی و مراحل بالای خودروهای پرتاب کننده مورد استفاده قرار گیرد.
- نتایج مثبت آزمایش های شلیک امکان آزمایش های بیشتر برای ایجاد موتور در حال کار با سوخت ZhK + LNG را تأیید کرد.
در آزمایش آتش سوزی بعدی در سال 2011 ، موتور دو بار روشن شد. قبل از اولین خاموش شدن ، موتور 162 ثانیه کار می کرد. در راه اندازی دوم ، که برای تأیید عدم تشکیل فاز جامد در مسیر گاز و رسوبات کک در مسیر مایع انجام شد ، رکورد طول مدت عملکرد یک موتور با این اندازه با یک بار شروع - 2007 ثانیه به دست آمد ، و همچنین احتمال رانش رانش تأیید شد. این آزمایش به دلیل اتمام اجزای سوخت متوقف شد. کل زمان کار این نمونه موتور 3389 ثانیه (چهار شروع) بود. تشخیص عیب انجام شده عدم وجود فاز جامد و تشکیل کک در مسیرهای موتور را تأیید کرد.
مجموعه ای از کارهای نظری و تجربی با C5.86 شماره 2 تأیید شده است:
- امکان اساسی ایجاد موتور با اندازه مورد نیاز بر روی جفت سوخت اجزای "ZhK + LNG" با سوزاندن گاز ژنراتور کاهنده ، که حفظ ویژگیهای پایدار و عدم وجود فاز جامد در عمل را تضمین می کند. مسیرهای گاز و رسوبات کک در مسیرهای مایع موتور ؛
-امکان شروع و توقف چندگانه موتور ؛
-امکان عملکرد طولانی مدت موتور ؛
-صحت راه حل های فنی اتخاذ شده برای اطمینان از راه اندازی ، کنترل ، مقررات متعدد ، با در نظر گرفتن ویژگی های LNG و حفاظت اضطراری ؛
-قابلیت های NIC RCP برای آزمایشات بلند مدت است.
همچنین ، با همکاری NRC RCP ، فناوری حمل و نقل ، سوخت گیری و ترموستات توده های بزرگ LNG توسعه یافته و راه حل های تکنولوژیکی توسعه یافته است که عملاً برای روش سوخت گیری محصولات پروازی کاربرد دارد.
LNG - مسیری برای پروازهای قابل استفاده مجدد
با توجه به این واقعیت که اجزاء و مجموعه های موتور نمایشی C5.86 شماره 2 به دلیل محدودیت بودجه به میزان مناسب بهینه نشده بودند ، حل تعدادی از مشکلات به طور کامل امکان پذیر نبود ، از جمله:
شفاف سازی خواص ترموفیزیکی LNG به عنوان یک مایع خنک کننده.
به دست آوردن داده های اضافی برای بررسی همگرایی ویژگی های واحدهای اصلی هنگام شبیه سازی روی آب و کار بر روی LNG ؛
تأیید تجربی تأثیر احتمالی ترکیب گاز طبیعی بر ویژگی های واحدهای اصلی ، از جمله مسیرهای خنک کننده محفظه احتراق و ژنراتور گاز ؛
تعیین ویژگی های موتورهای موشک پیشرانه مایع در طیف وسیع تری از تغییرات در حالت های عملکرد و پارامترهای اساسی هر دو با یک و چند شروع.
بهینه سازی فرآیندهای پویا در هنگام راه اندازی
برای حل این مشکلات ، KB Khimmash یک موتور ارتقاء یافته C5.86A شماره 2A تولید کرد که واحد توربو پمپ آن برای اولین بار مجهز به توربین استارت ، توربین اصلی ارتقا یافته و پمپ سوخت بود. مسیر خنک کننده محفظه احتراق مدرن شده و سوزن دریچه گاز نسبت به سوخت دوباره طراحی شده است.
آزمایش آتش موتور در 13 سپتامبر 2013 انجام شد (میزان متان در LNG - 94.6). برنامه آزمایشی سه سوئیچ با طول کل 1500 ثانیه (1300 + 100 + 100) ارائه داد. شروع و عملکرد موتور در حالت عادی پیش رفت ، اما در 532 ثانیه سیستم حفاظت اضطراری فرمان خاموش شدن اضطراری را ایجاد کرد. علت تصادف ، ورود یک ذره فلزی خارجی به مسیر جریان پمپ اکسید کننده بود.
علیرغم حادثه ، C5.86A شماره 2A مدت زیادی کار کرد. برای اولین بار ، یک موتور برای استفاده به عنوان بخشی از مرحله موشک راه اندازی شد ، که نیاز به راه اندازی متعدد دارد ، طبق طرح اجرا شده با استفاده از یک باتری فشار قابل شارژ روی کشتی. یک حالت عملکرد پایدار برای یک حالت رانش داده شده و حداکثر نسبت مصرفی اجزای سوخت که قبلاً متوجه شده بود به دست آمد. ذخایر احتمالی برای افزایش رانش و افزایش نسبت مصرف اجزای سوخت تعیین شده است.
اکنون KB Khimmash در حال تکمیل ساخت نسخه جدیدی از C5.86 برای آزمایش حداکثر منبع ممکن از نظر زمان کارکرد و تعداد راه اندازی است. این موتور باید به نمونه اولیه یک موتور واقعی با سوخت ZhK + LNG تبدیل شود ، که کیفیت جدیدی به مراحل بالای خودروهای پرتاب کننده می بخشد و به سیستم های حمل و نقل قابل استفاده مجدد روح می بخشد. با کمک آنها ، فضا نه تنها برای محققان و مخترعان ، بلکه احتمالاً فقط برای مسافران در دسترس خواهد بود.
