El combustible para estufas es altamente eficiente para motores de cohetes.
El mundo de los cohetes y el espacio en una encrucijada: las tendencias mundiales exigen costos más bajos y una mayor seguridad ambiental de los servicios espaciales. Los diseñadores tienen que inventar nuevos motores de cohetes de propulsión líquida (LPRE) utilizando combustibles ecológicos, reemplazando el costoso hidrógeno líquido de alto consumo energético por gas natural licuado (GNL) barato con un contenido de metano del 90 al 98 por ciento. Este combustible, junto con el oxígeno líquido, permite crear nuevos motores altamente eficientes y económicos con el máximo aprovechamiento de los elementos ya existentes de diseño, material, tecnología y backlog de producción.
El GNL no es tóxico y cuando se quema en oxígeno se forma vapor de agua y dióxido de carbono. A diferencia del queroseno, que se usa ampliamente en cohetería, los derrames de GNL se evaporan rápidamente sin dañar el medio ambiente.
Primeras pruebas
La temperatura de ignición del gas natural con el aire y el límite inferior de su concentración explosiva son superiores a los de los vapores de hidrógeno y queroseno, por lo que en la región de bajas concentraciones, en comparación con otros combustibles de hidrocarburos, es menos explosivo.
En general, la operación de GNL como combustible para cohetes no requiere ninguna medida adicional de prevención de incendios y explosiones que no se haya utilizado anteriormente.
La densidad del GNL es seis veces mayor que la del hidrógeno líquido, pero la mitad que la del queroseno. La menor densidad conduce a un aumento correspondiente en el tamaño del tanque de GNL en comparación con el tanque de queroseno. Sin embargo, teniendo en cuenta la relación más alta de oxidante y consumo de combustible (es de aproximadamente 3,5 a 1 para el combustible de oxígeno líquido (LC) + GNL y de 2,7 a 1 para el combustible de queroseno ZhK +), el volumen total del combustible ZhK + LNG repostado aumenta sólo en un 20 por ciento. Teniendo en cuenta el efecto del endurecimiento criogénico del material, así como la posibilidad de combinar los fondos de los tanques de LC y LNG, el peso de los tanques de combustible será relativamente pequeño.
Y finalmente, la producción y el transporte de GNL se domina desde hace mucho tiempo.
La Oficina de Diseño de Ingeniería Química (KB Khimmash) que lleva el nombre de AM Isaev en Korolev, región de Moscú, comenzó a trabajar (como resultó, extendiéndose durante años debido a una financiación muy escasa) en el desarrollo de combustible ZhK + LNG en 1994, cuando el diseño - estudios de diseño y se tomó la decisión de crear un nuevo motor utilizando la base esquemática y estructural del HPC1 de oxígeno-hidrógeno existente con un empuje de 7.5 tf, operado con éxito como parte de la etapa superior (Etapa superior criogénica) 12KRB del vehículo de lanzamiento indio GSLV MkI (vehículo de lanzamiento de satélite geosincrónico).
En 1996, se llevaron a cabo pruebas de encendido autónomo de un generador de gas utilizando líquido líquido y gas natural como componentes de combustible, que tenían como objetivo principal verificar el arranque y los modos de operación estable: 13 inclusiones confirmaron la operabilidad del generador de gas y dieron la resultados que se utilizaron en el desarrollo de generadores de recuperación de gas que operan en esquemas abiertos y cerrados.
En agosto-septiembre de 1997, la Oficina de Diseño de Khimmash realizó pruebas de fuego de la unidad de dirección del motor KVD1 (también utilizando gas natural en lugar de hidrógeno), en las que una cámara desviada en dos planos en un ángulo de ± 39,5 grados se combinó en un estructura simple (empuje - 200 kgf, presión de la cámara - 40 kg / cm2), válvulas de arranque y parada, sistema de encendido pirotécnico y accionamientos eléctricos: una unidad de dirección KVD1 estándar pasó seis arranques con un tiempo de funcionamiento total de más de 450 segundos y una cámara presión en el rango de 42 a 36 kg / cm2. Los resultados de la prueba confirmaron la posibilidad de crear una pequeña cámara utilizando gas natural como refrigerante.
En agosto de 1997, KB Khimmash comenzó a realizar pruebas de un motor de circuito cerrado de tamaño completo con un empuje de 7.5 tf con combustible ZhK + LNG. La base para la fabricación fue un motor KVD1 modificado de circuito cerrado con postcombustión del gas generador de gas reductor y enfriamiento de la cámara con combustible.
Se modificó la bomba de oxidante estándar KVD1: se aumentó el diámetro del impulsor de la bomba para garantizar la relación requerida de los cabezales de la bomba de combustible y el oxidante. Además, se corrigió el ajuste hidráulico de las líneas del motor para garantizar la relación calculada de componentes.
El uso del motor prototipo, que previamente había pasado el ciclo de pruebas de encendido en LCD + combustible de hidrógeno líquido, proporcionó la máxima reducción en los costos de investigación.
Las pruebas en frío permitieron determinar el método de preparación del motor y el soporte para el trabajo en caliente en términos de asegurar los parámetros requeridos de GNL en los tanques de banco, enfriar el oxidante y las líneas de combustible a temperaturas que garanticen el funcionamiento confiable de las bombas durante la operación. período de arranque y arranque estable y estable del motor.
La primera prueba de fuego del motor tuvo lugar el 22 de agosto de 1997 en el stand de la empresa, que hoy se denomina Centro de Pruebas Científicas de la Industria Espacial y de Cohetes (SRC RCP). En la práctica de KB Khimmash, estas pruebas fueron la primera experiencia en el uso de GNL como combustible para un motor de circuito cerrado de tamaño completo.
El objetivo de la prueba fue obtener un resultado exitoso debido a una cierta reducción de los parámetros y la facilitación de las condiciones de funcionamiento del motor.
El control de alcanzar el modo y operar en el modo se realizó mediante controladores de aceleración y la relación del consumo de componentes de combustible mediante los algoritmos HPC1, teniendo en cuenta la interacción de los canales de control.
El programa de la primera prueba de encendido del motor de circuito cerrado se completó en su totalidad. El motor funcionó durante un tiempo especificado, no hubo comentarios sobre el estado de la pieza material.
Los resultados de las pruebas confirmaron la posibilidad fundamental de utilizar GNL como combustible en las unidades de un motor de oxígeno-hidrógeno.
Hay mucho gas, no hay coca
Posteriormente, se continuaron las pruebas con el objetivo de profundizar en el estudio de los procesos asociados al uso de GNL, verificar el funcionamiento de las unidades de motor en condiciones de aplicación más amplias y optimizar las soluciones de diseño.
En total, de 1997 a 2005, se llevaron a cabo cinco pruebas de encendido de dos copias del motor KVD1, adaptadas para el uso de combustible ZhK + LNG, con una duración de 17 a 60 segundos, el contenido de metano en LNG - de 89,3 a 99,5 por ciento..
En conjunto, los resultados de estas pruebas permitieron determinar los principios básicos del desarrollo del motor y sus unidades cuando se utiliza combustible “ZhK + LNG” y pasar en 2006 a la siguiente etapa de investigación que implica el desarrollo, fabricación. y prueba del motor C5.86. La cámara de combustión, el generador de gas, la unidad de turbobomba y los reguladores de este último están hechos estructural y paramétricamente específicamente para funcionar con combustible ZhK + LNG.
Para 2009, se realizaron dos pruebas de fuego de los motores C5.86 con una duración de 68 y 60 segundos con un contenido de metano en GNL de 97, 9 y 97, 7 por ciento.
Se obtuvieron resultados positivos al arrancar y detener el motor de propulsante líquido, operando en modo de estado estacionario en términos de empuje y la relación de los componentes del combustible (de acuerdo con las acciones de control). Pero una de las tareas principales, la verificación experimental de la ausencia de acumulación de fase sólida en la ruta de enfriamiento de la cámara (coque) y en la ruta del gas (hollín) con encendidos suficientemente largos, no se pudo realizar debido al volumen limitado. de los tanques de GNL de banco (la duración máxima de encendido fue de 68 segundos). Por lo tanto, en 2010, se tomó la decisión de equipar el soporte para realizar pruebas de disparo con una duración de al menos 1000 segundos.
Como nuevo lugar de trabajo, el banco de pruebas NRC RCP se utilizó para probar motores de cohetes propulsores líquidos de oxígeno-hidrógeno, que tiene capacidades del volumen correspondiente. En preparación para la prueba, se tuvo en cuenta la significativa experiencia adquirida anteriormente durante las siete pruebas de fuego. En el período de junio a septiembre de 2010 se refinaron los sistemas de banco de hidrógeno líquido para el uso de GNL, se instaló en el banco el motor C5.86 No. 2, pruebas integrales de los sistemas de medición, control, protección de emergencia, y Se llevó a cabo la regulación de la relación de consumo de combustible y presión en la cámara de combustión.
Los tanques de banco se llenaron con combustible del tanque de transporte del tanque de reabastecimiento de combustible (volumen - 56,4 m3 con un reabastecimiento de combustible de 16 toneladas) utilizando una unidad de reabastecimiento de GNL, que incluye un intercambiador de calor, filtros, válvulas de cierre e instrumentos de medición. Una vez que se completó el llenado de los tanques, las líneas de banco para suministrar componentes de combustible al motor se enfriaron y se llenaron.
El motor arrancó y funcionó normalmente. Los cambios de régimen se produjeron de acuerdo con las influencias del sistema de control. Desde 1100 segundos, la temperatura del gas generador de gas aumentó constantemente, como resultado de lo cual se tomó la decisión de detener el motor. El apagado tuvo lugar por orden de 1160 segundos sin ningún comentario. La razón del aumento de temperatura fue la fuga del colector de salida de la ruta de enfriamiento de la cámara de combustión que surgió durante la prueba: una grieta en la costura de soldadura de la boquilla de proceso obstruida instalada en el colector.
El análisis de los resultados de la prueba de fuego realizada permitió concluir:
- en el proceso de operación, los parámetros del motor se mantuvieron estables en modos con varias combinaciones de la relación del consumo de componentes de combustible (2,42 a 1 - 3,03 a 1) y empuje (6311 - 7340 kgf);
-confirmó la ausencia de formaciones de fase sólida en la ruta del gas y la ausencia de depósitos de coque en la ruta del líquido del motor;
- se obtuvieron los datos experimentales necesarios para refinar el método de cálculo para el enfriamiento de la cámara de combustión cuando se usa GNL como enfriador;
- se ha estudiado la dinámica de salida del canal de enfriamiento de la cámara de combustión al régimen térmico de estado estacionario;
-Confirmó la corrección de las soluciones técnicas para asegurar la puesta en marcha, el control, la regulación y otras cosas, teniendo en cuenta las peculiaridades del GNL;
-el C5.86 desarrollado con un empuje de 7.5 tf se puede usar (solo o en combinación) como motor de propulsión en etapas superiores prometedoras y etapas superiores de vehículos de lanzamiento;
- los resultados positivos de las pruebas de encendido confirmaron la viabilidad de nuevos experimentos para crear un motor que funcione con combustible ZhK + LNG.
En la siguiente prueba de fuego en 2011, el motor se encendió dos veces. Antes de la primera parada, el motor funcionó durante 162 segundos. En la segunda puesta en marcha, realizada para confirmar la ausencia de formación de fase sólida en la ruta de gas y depósitos de coque en la ruta de líquido, se logró una duración récord de operación de un motor de esta dimensión con un solo arranque - 2007 segundos, así como también se confirmó la posibilidad de estrangulamiento del empuje. La prueba se interrumpió debido al agotamiento de los componentes del combustible. El tiempo de funcionamiento total de esta instancia de motor fue 3389 segundos (cuatro arranques). La detección de fallas realizada confirmó la ausencia de fase sólida y formación de coque en las rutas del motor.
Un conjunto de trabajo teórico y experimental con C5.86 No. 2 confirmó:
- la posibilidad fundamental de crear un motor de la dimensión requerida en el par combustible de los componentes "ZhK + LNG" con la postcombustión del gas generador reductor, lo que asegura el mantenimiento de características estables y la práctica ausencia de una fase sólida en el vías de gas y depósitos de coque en las vías de líquido del motor;
-la posibilidad de múltiples arranques y paradas del motor;
-la posibilidad de funcionamiento a largo plazo del motor;
-la corrección de las soluciones técnicas adoptadas para asegurar múltiples puestas en marcha, control, regulación, teniendo en cuenta las características de GNL y protección de emergencia;
-Las capacidades del NIC RCP son sinónimo de pruebas a largo plazo.
Asimismo, en cooperación con NRC RCP, se ha desarrollado una tecnología para el transporte, repostaje y termostatización de grandes masas de GNL y se han desarrollado soluciones tecnológicas que son prácticamente aplicables para el procedimiento de repostaje de productos de vuelo.
GNL: el camino hacia vuelos reutilizables
Debido al hecho de que los componentes y ensamblajes del motor de demostración C5.86 No. 2 debido a la financiación limitada no se optimizaron en la medida adecuada, no fue posible resolver por completo una serie de problemas, que incluyen:
aclaración de las propiedades termofísicas del GNL como refrigerante;
obtener datos adicionales para verificar la convergencia de las características de las unidades principales al simular en agua y operar con GNL;
verificación experimental de la posible influencia de la composición del gas natural en las características de las unidades principales, incluidas las rutas de enfriamiento de la cámara de combustión y el generador de gas;
determinación de las características de los motores de cohetes de propulsión líquida en una gama más amplia de cambios en los modos de funcionamiento y parámetros básicos, tanto con arranques únicos como múltiples;
optimización de procesos dinámicos al inicio.
Para resolver estos problemas, KB Khimmash fabricó un motor C5.86A No. 2A mejorado, cuya unidad de turbobomba estaba equipada por primera vez con una turbina de arranque, una turbina principal mejorada y una bomba de combustible. La ruta de enfriamiento de la cámara de combustión se ha modernizado y la aguja del acelerador de la relación de combustible se ha rediseñado.
Se llevó a cabo una prueba de fuego del motor el 13 de septiembre de 2013 (contenido de metano en GNL - 94,6%). El programa de prueba proporcionó tres interruptores con una duración total de 1500 segundos (1300 + 100 + 100). El arranque y el funcionamiento del motor en el modo procedieron normalmente, pero a los 532 segundos el sistema de protección de emergencia generó un comando de parada de emergencia. La causa del accidente fue la entrada de una partícula de metal extraño en la trayectoria de flujo de la bomba oxidante.
A pesar del accidente, C5.86A No. 2A funcionó durante bastante tiempo. Por primera vez, se lanzó un motor, destinado a ser utilizado como parte de una etapa de cohete, que requiere múltiples arranques, según el esquema implementado utilizando un acumulador de presión recargable a bordo. Se obtuvo un modo de funcionamiento estable para un modo de empuje dado y el máximo de la relación de consumo de componentes de combustible obtenida previamente. Se han determinado las posibles reservas para impulsar el empuje y aumentar la relación de consumo de componentes de combustible.
Ahora KB Khimmash está completando la fabricación de una nueva copia de C5.86 para probar el máximo recurso posible en términos de tiempo de funcionamiento y número de arranques. Debería convertirse en un prototipo de motor real con combustible ZhK + LNG, que dará una nueva calidad a las etapas superiores de los vehículos de lanzamiento y dará vida a los sistemas de transporte reutilizables. Con su ayuda, el espacio estará disponible no solo para investigadores e inventores, sino, posiblemente, solo para viajeros.
