עולם הטילים והחלל נמצא בצומת דרכים: מגמות עולמיות מחייבות הפחתת העלות והגברת הבטיחות הסביבתית של שירותי החלל. על המתכננים להמציא מנועי רקטות נוזליים חדשים (LRE) המשתמשים בדלקים ידידותיים לסביבה, ומחליפים מימן נוזלי יקר ועתיר אנרגיה בגז טבעי נוזלי זול (LNG) עם תכולת מתאן של 90-98 אחוז. דלק זה יחד עם חמצן נוזלי מאפשר ליצור מנועים חדשים יעילים וזולים עם ניצול מרבי של אלמנטים קיימים בתכנון, חומר, טכנולוגי וייצור.
LNG אינו רעיל; כאשר הוא נשרף בחמצן, נוצרים אדי מים ופחמן דו חמצני. בניגוד לנפט, שנמצא בשימוש נרחב בטכנולוגיית רקטות, שפיכת LNG מתאדה במהירות מבלי לפגוע בסביבה.
מבחנים ראשונים
טמפרטורת ההצתה של גז טבעי עם אוויר והגבול התחתון של ריכוז הנפץ שלו גבוהים מאלו של אדי מימן ואדי נפט, ולכן, באזור של ריכוזים נמוכים, בהשוואה לדלקים פחמימניים אחרים, הוא פחות נפיץ.
ככלל, הפעלת LNG כדלק רקטי אינה מצריכה אמצעים נוספים למניעת שריפות ופיצוץ שלא נעשה בהם שימוש קודם לכן.
הצפיפות של LNG גבוהה פי שישה ממימן נוזלי, אבל חצי מזו של נפט. הצפיפות הנמוכה מובילה לגידול מקביל בגודל מיכל ה-LNG בהשוואה למיכל נפט. עם זאת, אם לוקחים בחשבון את היחס הגבוה יותר של מחמצן וצריכת דלק (כ-3,5 ל-1 עבור חמצן נוזלי (LC) + דלק LNG ו-2,7 ל-1 עבור LOC + דלק נפט), הנפח הכולל של LNG דלק מתודלק גדל רק ב-20 אחוזים בהתחשב בהשפעת ההתקשות הקריוגנית של החומר וכן אפשרות לשילוב בין תחתית מכלי ה-LNG וה-LNG, שקלול מיכלי הדלק יהיה קטן יחסית.
ולבסוף, הייצור וההובלה של LNG כבר מזמן שליטה.
לשכת התכנון להנדסה כימית (KB Khimmash) על שם א.מ. איסייב בקורולב, ליד מוסקבה, החלה בעבודות (כפי שהתברר, שנמשכו שנים בשל מימון דל מאוד) לפיתוח דלק ZhK + LNG בשנת 1994, כאשר תכנון - תכנון מחקרים והתקבלה החלטה ליצור מנוע חדש תוך שימוש בבסיס הסכמטי והמבני של החמצן-מימן HPC1 הקיים עם דחף של 7,5 tf, המופעל בהצלחה כחלק מהשלב העליון (Cryogenic Upper Stage) 12KRB של רכב השיגור ההודי GSLV MkI (רכב שיגור לוויין גיאוסינכרוני) ).
בשנת 1996 בוצעו בדיקות אש אוטונומיות של מחולל הגז על LC וגז טבעי כרכיבי דלק, שנועדו בעיקר לבדיקת מצבי התנעה ופעולה יציבה - 13 תכלילים אישרו את יכולת הפעולה של מחולל הגז ונתנו תוצאות שנעשה בהן שימוש. בפיתוח מחוללי גז הפחתת הפועלים במעגלים פתוחים וסגורים.
בחודשים אוגוסט-ספטמבר 1997 ערכה הלשכה לתכנון כימאש בדיקות אש של בלוק ההיגוי של מנוע KVD1 (גם באמצעות גז טבעי במקום מימן), שבהן תא סטה בשני מישורים בזווית של ± 39,5 מעלות (דחף - 200 kgf ) משולב בעיצוב יחיד, לחץ בתא - 40 ק"ג / ס"מ2), שסתומי התנעה ועצירה, מערכת הצתה פירוטכנית והנעים חשמליים - יחידת היגוי סטנדרטית אחת KVD1 עברה שישה תכלילים עם זמן פעולה כולל של יותר מ-450 שניות ולחץ בתא בטווח של 42-36 ק"ג/סמ"ר. תוצאות הבדיקה אישרו את האפשרות ליצור תא קטן באמצעות גז טבעי כנוזל קירור.
באוגוסט 1997, הלשכה לתכנון חימאש החלה בניסויי ירי של מנוע במעגל סגור בגודל מלא עם דחף של 7,5 tf תוך שימוש בדלק ZhK + LNG. הבסיס לייצור היה מנוע KVD1 במעגל סגור שונה עם שריפה לאחרית של גז מחולל הגז המפחית וקירור החדר בדלק.
משאבת המחמצן הסטנדרטית KVD1 שונתה: קוטר אימפלר המשאבה הוגדל כדי לספק את יחס הלחץ הנדרש של משאבות המחמצן ומשאבות הדלק. כמו כן, הכוונון ההידראולי של קווי המנוע הותאם כדי להבטיח את היחס המחושב של הרכיבים.
השימוש במנוע אב הטיפוס, שעבר בעבר מחזור של בדיקות אש בדלק "LC + מימן נוזלי", הבטיח את ההוזלה המקסימלית בעלות המחקר.
בדיקות קור אפשרו לחשב את המתודולוגיה להכנת המנוע והעמידה לעבודה חמה מבחינת הבטחת הפרמטרים הנדרשים של LNG במיכלי העמדה, קירור קווי המחמצן והדלק לטמפרטורות המבטיחות פעילות אמינה של המשאבות במהלך תקופת התנעה והתנעת מנוע יציבה ויציבה.
ניסוי האש הראשון של המנוע התקיים ב-22 באוגוסט 1997 בדוכן המיזם, שנקרא היום מרכז המחקר והבדיקה של תעשיית הרקטות והחלל (SIC RCP). בתרגול של משרד התכנון של חימאש, בדיקות אלו היו החוויה הראשונה של שימוש ב-LNG כדלק למנוע מעגל סגור בגודל מלא.
מטרת הבדיקה הייתה להשיג תוצאה מוצלחת עקב הפחתה מסוימת בפרמטרים ולהקל על פעולת המנוע.
בקרת התפוקה למשטר והתפעול במשטר בוצעה באמצעות ווסת דחף ויחס צריכת רכיבי הדלק באמצעות האלגוריתמים HPC1, הלוקחים בחשבון את ההשפעה ההדדית של ערוצי בקרה.
תוכנית מבחן הירי הראשון של מנוע המעגל הסגור הושלמה במלואה. המנוע עבד במשך הזמן שצוין, לא היו הערות על מצב החלק החומרי.
תוצאות הבדיקה אישרו את האפשרות הבסיסית של שימוש ב-LNG כדלק ביחידות מנועי חמצן-מימן.
הרבה גז - בלי קולה
בהמשך, נמשכו הבדיקות במטרה לחקור יותר לעומק את התהליכים הקשורים בשימוש ב-LNG, בדיקת פעולת יחידות המנוע בתנאי יישום רחבים יותר וייעול פתרונות התכנון.
בסך הכל, מ-1997 עד 2005, התקיימו חמש בדיקות אש של שני עותקים של מנוע KVD1, המותאם לשימוש בדלק ZhK + LNG, שנמשכו בין 17 ל-60 שניות, תכולת המתאן ב-LNG הייתה מ-89,3 ל-99,5 אחוזים.
ככלל, תוצאות בדיקות אלו אפשרו לקבוע את העקרונות הבסיסיים לפיתוח המנוע ויחידותיו באמצעות דלק ZhK + CNG ולעבור לשלב המחקר הבא בשנת 2006, הכולל פיתוח, ייצור ובדיקה. של מנוע C5.86. תא הבעירה, מחולל הגז, יחידת משאבת הטורבו והבקרות של האחרון מיוצרים באופן מבני ופרמטרי במיוחד לפעולה על הדלק "LC + LNG".
עד שנת 2009, בוצעו שני בדיקות אש של מנועי C5.86 באורך של 68 ו-60 שניות עם תכולת מתאן ב-LNG של 97,9 ו-97,7 אחוזים.
תוצאות חיוביות הושגו בשיגור ובהשבתה של ה-LRE, פעולה בתנאי מצב יציב מבחינת דחף ויחס מרכיבי הדלק (בהתאם לפעולות בקרה). אבל אחת המשימות העיקריות - אימות ניסיוני של היעדר הצטברות פאזה מוצקה בנתיב הקירור של החדר (קוק) ובנתיב הגז (פיח) עם הפעלה ארוכה מספיק - לא ניתן היה לבצע עקב נפח מוגבל של ספסל LNG טנקים (משך ההחלפה המרבי היה 68 שניות). לכן, בשנת 2010, הוחלט לצייד את הדוכן לבדיקות אש באורך של 1000 שניות לפחות.
כמקום עבודה חדש, נעשה שימוש בדוכן של מרכז המחקר של המפלגה הקומוניסטית הרוסית לבדיקת מנועי רקטות נוזלי חמצן-מימן, שיש לו מיכלים בנפח המתאים. לקראת הניסוי נלקח בחשבון ניסיון משמעותי שהושג בעבר במהלך שבעה מבחני ירי. בתקופה מיוני עד ספטמבר 2010 סוכמו מערכות מימן נוזלי בספסל לשימוש ב-LNG, על הספסל הותקן מנוע C5.86 מס' 2, בדיקות מקיפות של מדידה, בקרה, מערכות הגנה לשעת חירום, ויסות היחס של רכיבי דלק ולחץ בתא הבעירה בוצעו.
מיכלי הבדיקה מולאו בדלק ממיכל ההובלה של המכלית (נפח - 56,4 מ"ק בתדלוק 3 טון) באמצעות יחידת מילוי LNG הכוללת מחליף חום, מסננים, שסתומים ומכשירי מדידה. לאחר השלמת מילוי המיכלים, קיררו ומילאו קווי הספסל לאספקת רכיבי דלק למנוע.
המנוע התניע ופעל כרגיל. שינויים במשטר התרחשו בהתאם להשפעת מערכת הבקרה. החל מ-1100 שניות, טמפרטורת גז מחולל הגז עלתה כל הזמן, וכתוצאה מכך הוחלט להפסיק את המנוע. הכיבוי התרחש בפקודה בשעה 1160 שניות ללא תגובה. הסיבה לעלייה בטמפרטורה הייתה דליפה של סעפת היציאה של נתיב הקירור של תא השריפה שהתרחשה במהלך הבדיקה - סדק ברתוך של אביזר תהליך סתום שהותקן על סעפת.
ניתוח תוצאות בדיקת האש אפשרו להסיק:
- בתהליך הפעולה, פרמטרי המנוע היו יציבים במצבים עם שילובים שונים של יחס הצריכה של רכיבי דלק (2,42 עד 1 - 3,03 עד 1) ודחף (6311 - 7340 ק"ג);
- אישר את היעדר תצורות פאזה מוצקה בנתיב הגז ואת היעדר משקעי קוק בנתיב הנוזל של המנוע;
- השיג את הנתונים הניסויים הדרושים כדי לחדד את המתודולוגיה לחישוב הקירור של תא הבעירה בעת שימוש ב-LNG כנוזל קירור;
- נחקרה הדינמיקה של היציאה ממערכת הקירור של תא הבעירה למשטר התרמי היציב;
-אישר את נכונות הפתרונות הטכניים כדי להבטיח שיגור, בקרה, ויסות ודברים אחרים, תוך התחשבות במאפיינים של LNG;
- C5.86 המפותח עם דחף של 7,5 tf יכול לשמש (לבד או בשילוב) כמנוע מקיים בשלבים עליונים מתקדמים ובשלבים עליונים של רכבי שיגור;
תוצאות חיוביות של בדיקות אש אישרו את היתכנותם של ניסויים נוספים ביצירת מנוע הפועל על דלק ZhK + LNG.
במבחן האש הבא ב-2011 הופעל המנוע פעמיים. לפני הכיבוי הראשון, המנוע פעל במשך 162 שניות. בהתנעה השנייה, שבוצעה כדי לאשר את היעדר היווצרות פאזה מוצקה בנתיב הגז ומשקעי קוקה בנתיב הנוזל, הושג משך שיא של פעולת מנוע מממד זה עם התנעה יחידה - 2007 שניות. אושרה גם אפשרות של מצערת דחף. הבדיקה הופסקה עקב פיתוח רכיבי דלק. זמן הפעולה הכולל של מופע זה של המנוע היה 3389 שניות (ארבעה תכלילים). הבדיקה שבוצעה אישרה היעדר תצורות של שלב מוצק וקוקס בתעלות המנוע.
המכלול של עבודות חישוביות-תיאורטיות וניסיוניות עם C5.86 מס' 2 אישר:
- האפשרות הבסיסית ליצור מנוע במימד הנדרש על צמד הדלק של רכיבי "LC + LNG" עם שריפת לאחר של גז המחולל המפחית, מה שמבטיח שמירה על מאפיינים יציבים והיעדר מעשי של שלב מוצק בנתיבי הגז ומשקעי קוקה בנתיבי הנוזל של המנוע;
- אפשרות של התנעה ועצירה מרובות של המנוע;
- האפשרות לפעול לטווח ארוך של המנוע;
- נכונות הפתרונות הטכניים שאומצו כדי להבטיח שיגור, בקרה, ויסות מרובים, תוך התחשבות במאפיינים של LNG והגנה לשעת חירום;
-היכולות של SIC RCP מייצגות בדיקות ארוכות טווח.
כמו כן, יחד עם מרכז המחקר של ה-RCP פותחה טכנולוגיה להובלה, תדלוק ובקרת טמפרטורה של מסות גדולות של LNG ופותחו פתרונות טכנולוגיים שישימים באופן מעשי להליך תדלוק מוצרי טיסה.
LNG - הדרך לטיסות לשימוש חוזר
בשל העובדה שהרכיבים והמכלולים של מנוע ההדגמה מס' 5.86 C2 לא עברו אופטימיזציה בכמות הראויה עקב מימון מוגבל, לא ניתן היה לפתור באופן מלא מספר משימות, כולל:
הבהרת התכונות התרמופיזיקליות של LNG כנוזל קירור;
השגת נתונים נוספים לבדיקת התכנסות המאפיינים של היחידות העיקריות בסימולציה על מים ועבודה על LNG;
אימות ניסיוני של ההשפעה האפשרית של הרכב הגז הטבעי על המאפיינים של היחידות העיקריות, כולל נתיבי הקירור של תא הבעירה ומחולל הגז;
קביעת מאפייני LRE במגוון רחב יותר של מצבי פעולה ופרמטרים עיקריים הן עבור ירי בודד והן עבור ירי מרובה;
אופטימיזציה של תהליכים דינמיים בעת ההפעלה.
כדי לפתור את הבעיות הללו, ייצרה Khimmash Design Bureau מנוע מודרני מסוג S5.86A מס' 2A, שיחידת משאבת הטורבו הייתה מצוידת לראשונה בטורבינת התחלה, טורבינה ראשית מודרנית ומשאבת דלק. מסלול הקירור של תא הבעירה עבר מודרניזציה ומחט המצערת ביחס הדלק עוצבה מחדש.
בדיקת האש של המנוע בוצעה ב-13 בספטמבר 2013 (תכולת המתאן ב-LNG היא 94,6%). תוכנית הבדיקה כללה שלושה תכלילים עם משך כולל של 1500 שניות (1300 + 100 + 100). ההתנעה והתפעול של המנוע במצב היו תקינים, אולם ב-532 שניות, מערכת ההגנה לשעת חירום יצרה פקודת כיבוי חירום. הסיבה לתאונה הייתה חדירת חלקיק מתכת זר למסלול הזרימה של משאבת המחמצן.
למרות התאונה, C5.86A מס' 2A עבד זמן רב למדי. לראשונה, שוגר מנוע המיועד לשימוש כחלק משלב רקטי הדורש שיגורים מרובים על פי התוכנית המיושמת באמצעות מצבר לחץ נטען. מצב פעולה יציב מתקבל עבור מצב דחף נתון והמקסימום של היחס שיושם קודם לכן של צריכת הדלק. נקבעות רזרבות אפשריות להגברת הדחף ולהגדלת היחס בין צריכת רכיבי הדלק.
כעת KB Khimmash משלימה את הייצור של עותק חדש של C5.86 לבדיקת המשאב המקסימלי האפשרי מבחינת זמן פעולה ומספר הכלולים. הוא אמור להפוך לאב טיפוס של מנוע אמיתי המופעל על ידי LK + LNG, שיעניק איכות חדשה לשלבים העליונים של רכבי השיגור ויפיח חיים במערכות הובלה לשימוש חוזר. בעזרתם, החלל יהפוך נגיש לא רק עבור חוקרים וממציאים, אלא, אולי, פשוט עבור מטיילים.