Thế giới tên lửa và vũ trụ ở ngã ba đường: xu hướng toàn cầu đòi hỏi chi phí thấp hơn và tăng cường an toàn môi trường của các dịch vụ vũ trụ. Các nhà thiết kế phải phát minh ra động cơ tên lửa đẩy chất lỏng mới (LPRE) sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường, thay thế hydro lỏng đắt tiền, tiêu tốn nhiều năng lượng bằng khí tự nhiên hóa lỏng giá rẻ (LNG) với hàm lượng mêtan từ 90–98%. Nhiên liệu này, cùng với oxy lỏng, có thể tạo ra các động cơ mới hiệu quả cao và rẻ tiền với việc sử dụng tối đa các yếu tố hiện có về thiết kế, vật liệu, công nghệ và sản xuất.
LNG không độc, khi đốt cháy trong oxy sẽ tạo thành hơi nước và khí cacbonic. Không giống như dầu hỏa, được sử dụng rộng rãi trong tên lửa, LNG tràn bay hơi nhanh chóng mà không gây hại cho môi trường.
Các bài kiểm tra đầu tiên
Nhiệt độ bốc cháy của khí thiên nhiên với không khí và giới hạn dưới của nồng độ gây nổ của nó cao hơn nhiệt độ cháy của hơi hydro và dầu hỏa, do đó, ở vùng có nồng độ thấp, so với các nhiên liệu hydrocacbon khác, nó ít nổ hơn.
Nhìn chung, hoạt động của LNG làm nhiên liệu tên lửa không yêu cầu thêm bất kỳ biện pháp phòng chống cháy nổ nào mà trước đây chưa được sử dụng.
Tỷ trọng của LNG gấp sáu lần so với hydro lỏng, nhưng một nửa so với dầu hỏa. Tỷ trọng thấp hơn dẫn đến kích thước của bể chứa LNG tăng lên tương ứng so với bể chứa dầu hỏa. Tuy nhiên, có tính đến tỷ lệ chất ôxy hóa và mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn (khoảng 3,5-1 cho nhiên liệu oxy lỏng (LC) + LNG và 2,7-1 cho nhiên liệu ZhK + dầu hỏa), tổng thể tích của nhiên liệu ZhK + LNG được tiếp nhiên liệu chỉ tăng 20%. Có tính đến ảnh hưởng của việc đông cứng vật liệu, cũng như khả năng kết hợp đáy của các bồn chứa LC và LNG, trọng lượng của các bồn chứa nhiên liệu sẽ tương đối nhỏ.
Và cuối cùng, việc sản xuất và vận chuyển LNG từ lâu đã được làm chủ.
Cục Thiết kế Kỹ thuật Hóa học (KB Khimmash) được đặt theo tên của AM Isaev ở Korolev, Vùng Moscow, bắt đầu làm việc (hóa ra là kéo dài nhiều năm do kinh phí rất ít ỏi) về việc phát triển nhiên liệu ZhK + LNG vào năm 1994, khi thiết kế - nghiên cứu thiết kế và đưa ra quyết định tạo ra một động cơ mới sử dụng sơ đồ và cơ sở cấu trúc của oxy-hydro HPC1 hiện có với lực đẩy 7,5 tf, vận hành thành công như một phần của giai đoạn trên (Cryogenic Upper Stage) 12KRB của xe phóng GSLV MkI (Xe phóng vệ tinh đồng bộ địa lý) của Ấn Độ.
Vào năm 1996, các thử nghiệm đốt tự động của một máy phát khí sử dụng chất lỏng lỏng và khí tự nhiên làm thành phần nhiên liệu đã được thực hiện, chủ yếu nhằm mục đích kiểm tra chế độ khởi động và hoạt động ổn định - 13 bao gồm xác nhận khả năng hoạt động của máy phát khí và đưa ra kết quả đã được sử dụng trong việc phát triển các máy phát điện khí thu hồi hoạt động trên các sơ đồ đóng và mở.
Vào tháng 8 đến tháng 9 năm 1997, Phòng thiết kế Khimmash đã tiến hành thử nghiệm lửa của bộ phận lái của động cơ KVD1 (cũng sử dụng khí tự nhiên thay vì hydro), trong đó một buồng bị lệch trong hai mặt phẳng ở một góc ± 39,5 độ được kết hợp trong một cấu trúc đơn (lực đẩy - 200 kgf, áp suất buồng - 40 kg / cm2), van khởi động và van dừng, hệ thống đánh lửa pháo hoa và truyền động điện - một đơn vị lái KVD1 tiêu chuẩn đã vượt qua sáu lần khởi động với tổng thời gian hoạt động hơn 450 giây và một buồng áp suất trong khoảng 42–36 kg / cm2. Kết quả thử nghiệm đã xác nhận khả năng tạo ra một buồng nhỏ sử dụng khí tự nhiên làm chất làm mát.
Vào tháng 8 năm 1997, KB Khimmash bắt đầu bắn thử nghiệm một động cơ mạch kín kích thước đầy đủ với lực đẩy 7,5 tf trên nhiên liệu ZhK + LNG. Cơ sở cho việc chế tạo là một động cơ KVD1 được sửa đổi một mạch kín với việc đốt cháy khí sinh ra khí khử và làm mát buồng chứa bằng nhiên liệu.
Bơm oxy hóa tiêu chuẩn KVD1 đã được sửa đổi: đường kính của cánh bơm được tăng lên để đảm bảo tỷ lệ yêu cầu của đầu bơm nhiên liệu và oxy hóa. Ngoài ra, việc điều chỉnh thủy lực của các dòng động cơ đã được hiệu chỉnh để đảm bảo tỷ lệ tính toán của các thành phần.
Việc sử dụng động cơ nguyên mẫu, trước đó đã vượt qua chu kỳ thử nghiệm bắn trên LCD + nhiên liệu hydro lỏng, giúp giảm chi phí nghiên cứu tối đa.
Các thử nghiệm lạnh giúp tìm ra phương pháp chuẩn bị động cơ và giá đỡ để làm việc nóng về mặt đảm bảo các thông số yêu cầu của LNG trong bồn chứa để bàn, làm mát chất ôxy hóa và đường nhiên liệu đến nhiệt độ đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của máy bơm trong quá trình thời kỳ khởi động và khởi động động cơ ổn định và bền bỉ.
Cuộc thử lửa đầu tiên của động cơ diễn ra vào ngày 22 tháng 8 năm 1997 tại chân đế của xí nghiệp, mà ngày nay được gọi là Trung tâm Thử nghiệm Khoa học của Công nghiệp Tên lửa và Vũ trụ (SRC RCP). Trong thực tế của KB Khimmash, những thử nghiệm này là trải nghiệm đầu tiên về việc sử dụng LNG làm nhiên liệu cho động cơ mạch kín kích thước đầy đủ.
Mục tiêu của thử nghiệm là thu được kết quả thành công do giảm một số thông số và tạo điều kiện thuận lợi cho các điều kiện vận hành của động cơ.
Việc kiểm soát việc đạt tới chế độ và vận hành ở chế độ được thực hiện bằng cách sử dụng bộ điều khiển bướm ga và tỷ lệ tiêu thụ các thành phần nhiên liệu bằng cách sử dụng thuật toán HPC1, có tính đến sự tương tác của các kênh điều khiển.
Chương trình bắn thử động cơ mạch kín đầu tiên đã được hoàn thành toàn bộ. Động cơ đã chạy trong một thời gian quy định, không có nhận xét nào về tình trạng của bộ phận vật liệu.
Kết quả thử nghiệm đã xác nhận khả năng cơ bản của việc sử dụng LNG làm nhiên liệu trong các tổ máy của động cơ oxy-hydro.
Có rất nhiều khí - không có than cốc
Sau đó, các thử nghiệm được tiếp tục với mục đích nghiên cứu sâu hơn về các quy trình liên quan đến việc sử dụng LNG, kiểm tra hoạt động của các đơn vị động cơ trong các điều kiện ứng dụng rộng rãi hơn và tối ưu hóa các giải pháp thiết kế.
Tổng cộng, từ năm 1997 đến năm 2005, năm cuộc thử nghiệm bắn hai bản sao của động cơ KVD1, được điều chỉnh để sử dụng nhiên liệu ZhK + LNG, kéo dài từ 17 đến 60 giây, hàm lượng mêtan trong LNG - từ 89,3 đến 99,5%, đã diễn ra..
Nhìn chung, kết quả của các thử nghiệm này cho phép xác định các nguyên tắc cơ bản của sự phát triển của động cơ và các đơn vị của nó khi sử dụng nhiên liệu “ZhK + LNG” và để tiến hành trong năm 2006 sang giai đoạn nghiên cứu tiếp theo liên quan đến phát triển, chế tạo. và thử nghiệm động cơ C5.86. Buồng đốt, máy phát khí, bộ phận phản lực tuốc bin và bộ điều chỉnh của buồng đốt sau được chế tạo theo cấu trúc và tham số đặc biệt để hoạt động trên nhiên liệu ZhK + LNG.
Đến năm 2009, hai cuộc thử lửa của động cơ C5.86 với thời lượng 68 và 60 giây đã được thực hiện với hàm lượng khí mêtan trong LNG là 97, 9 và 97, 7%.
Kết quả khả quan thu được khi khởi động và dừng động cơ đẩy chất lỏng, hoạt động ở chế độ trạng thái ổn định về lực đẩy và tỷ lệ thành phần nhiên liệu (phù hợp với các hành động điều khiển). Nhưng một trong những nhiệm vụ chính - xác minh bằng thực nghiệm về sự không tích tụ pha rắn trong đường dẫn làm mát của buồng (than cốc) và trong đường dẫn khí (bồ hóng) với thời gian bật đủ dài - không thể thực hiện được do thể tích hạn chế. của xe tăng LNG băng ghế dự bị (thời gian bật tối đa là 68 giây). Vì vậy, năm 2010, người ta đã quyết định trang bị giá đỡ để thực hiện các bài kiểm tra bắn với thời lượng ít nhất 1000 giây.
Là một nơi làm việc mới, băng thử nghiệm NRC RCP được sử dụng để thử nghiệm động cơ tên lửa đẩy chất lỏng oxy-hydro, có dung tích tương ứng. Để chuẩn bị cho thử nghiệm, kinh nghiệm quan trọng thu được trước đó trong bảy lần thử lửa đã được tính đến. Trong giai đoạn từ tháng 6 đến tháng 9 năm 2010, các hệ thống hyđrô lỏng đã được tinh chế để sử dụng LNG, động cơ C5.86 số 2 được lắp đặt trên băng ghế dự bị, các bài kiểm tra toàn diện về hệ thống đo lường, điều khiển, bảo vệ khẩn cấp, và Việc điều chỉnh tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu và áp suất trong buồng đốt được thực hiện.
Các thùng dự bị được đổ đầy nhiên liệu từ thùng vận chuyển của tàu tiếp nhiên liệu (thể tích - 56,4 m3 với lượng tiếp nhiên liệu 16 tấn) bằng cách sử dụng bộ tiếp nhiên liệu LNG, bao gồm bộ trao đổi nhiệt, bộ lọc, van đóng và dụng cụ đo lường. Sau khi hoàn thành việc đổ đầy các thùng chứa, các đường băng cung cấp các thành phần nhiên liệu cho động cơ được làm mát và đổ đầy.
Động cơ nổ máy và chạy bình thường. Những thay đổi trong chế độ diễn ra phù hợp với những ảnh hưởng của hệ thống kiểm soát. Từ 1100 giây, nhiệt độ của khí sinh ra khí không ngừng tăng lên, do đó quyết định dừng động cơ được đưa ra. Việc tắt máy diễn ra theo lệnh lúc 1160 giây mà không có bất kỳ nhận xét nào. Lý do cho sự gia tăng nhiệt độ là sự rò rỉ của ống góp đầu ra của đường dẫn làm mát buồng đốt phát sinh trong quá trình thử nghiệm - một vết nứt trên đường hàn của vòi phun quá trình cắm được lắp trên ống góp.
Việc phân tích các kết quả của cuộc thử lửa đã tiến hành có thể đưa ra kết luận:
- Trong quá trình vận hành, các thông số động cơ ổn định ở các chế độ với sự kết hợp khác nhau giữa tỷ lệ tiêu hao các thành phần nhiên liệu (2,42 - 1 - 3,03 - 1) và lực đẩy (6311 - 7340 kgf);
-Khẳng định sự vắng mặt của pha rắn trong đường dẫn khí và không có cặn than cốc trong đường dẫn chất lỏng của động cơ;
- các dữ liệu thực nghiệm cần thiết đã thu được để hoàn thiện phương pháp tính toán làm mát buồng đốt khi sử dụng LNG làm chất làm mát;
- động lực học của lối ra kênh làm mát của buồng đốt đến chế độ nhiệt ở trạng thái ổn định đã được nghiên cứu;
-Xác nhận tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật để đảm bảo khởi động, kiểm soát, quy định và những thứ khác, có tính đến tính đặc thù của LNG;
- C5.86 được phát triển với lực đẩy 7,5 tf có thể được sử dụng (một mình hoặc kết hợp) làm động cơ đẩy trong các giai đoạn trên và giai đoạn trên của phương tiện phóng đầy hứa hẹn;
- kết quả khả quan của các thử nghiệm nung đã khẳng định tính khả thi của các thử nghiệm tiếp theo để tạo ra động cơ chạy bằng nhiên liệu ZhK + LNG.
Ở lần thử lửa tiếp theo vào năm 2011, động cơ đã được bật lên hai lần. Trước lần tắt máy đầu tiên, động cơ đã chạy trong 162 giây. Trong lần khởi động thứ hai, được thực hiện để xác nhận sự không hình thành pha rắn trong đường dẫn khí và đóng cặn trong đường dẫn chất lỏng, thời gian hoạt động kỷ lục của động cơ có kích thước này chỉ với một lần khởi động - 2007 giây đã đạt được, cũng như khả năng điều chỉnh lực đẩy đã được xác nhận. Thử nghiệm đã bị dừng do cạn kiệt các thành phần nhiên liệu. Tổng thời gian hoạt động của phiên bản động cơ này là 3389 giây (bốn lần khởi động). Việc phát hiện lỗ hổng được thực hiện đã xác nhận sự không có pha rắn và sự hình thành cốc trong đường dẫn động cơ.
Một tập hợp các công việc lý thuyết và thực nghiệm với C5.86 số 2 đã xác nhận:
- khả năng cơ bản để tạo ra một động cơ có kích thước yêu cầu trên cặp nhiên liệu của các thành phần "ZhK + LNG" với sự đốt cháy sau khi đốt cháy khí của máy phát điện khử, đảm bảo duy trì các đặc tính ổn định và thực tế không có pha rắn trong đường dẫn khí và cặn than cốc trong đường dẫn chất lỏng của động cơ;
- khả năng khởi động và dừng động cơ nhiều lần;
- khả năng hoạt động lâu dài của động cơ;
- tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật đã được thông qua để đảm bảo nhiều hoạt động khởi động, kiểm soát, điều chỉnh, có tính đến các tính năng của LNG và bảo vệ khẩn cấp;
-Các khả năng của NIC RCP đứng cho các thử nghiệm dài hạn.
Ngoài ra, với sự hợp tác của NRC RCP, một công nghệ vận chuyển, tiếp nhiên liệu và điều nhiệt lượng lớn LNG đã được phát triển và các giải pháp công nghệ đã được phát triển để áp dụng thực tế cho quy trình tiếp nhiên liệu cho các sản phẩm bay.
LNG - con đường dẫn đến các chuyến bay có thể tái sử dụng
Do các thành phần và cụm lắp ráp của động cơ xe máy C5.86 số 2 do kinh phí hạn hẹp đã không được tối ưu hóa ở mức độ phù hợp nên không thể giải quyết triệt để một số vấn đề, bao gồm:
làm rõ các đặc tính nhiệt lý của LNG như một chất làm mát;
thu thập dữ liệu bổ sung để kiểm tra sự hội tụ các đặc tính của các tổ máy chính khi mô phỏng trên nước và vận hành trên LNG;
thực nghiệm xác minh ảnh hưởng có thể có của thành phần khí thiên nhiên đến các đặc tính của các tổ máy chính, bao gồm cả đường dẫn làm mát của buồng đốt và bộ tạo khí;
xác định các đặc tính của động cơ tên lửa đẩy chất lỏng trong phạm vi thay đổi rộng hơn về chế độ vận hành và các thông số cơ bản cả khi khởi động một lần và nhiều lần;
tối ưu hóa các quy trình động khi khởi động.
Để giải quyết những vấn đề này, KB Khimmash đã sản xuất động cơ C5.86A số 2A được nâng cấp, đơn vị bơm turbo lần đầu tiên được trang bị tuabin khởi động, tuabin chính được nâng cấp và bơm nhiên liệu. Đường dẫn làm mát buồng đốt đã được hiện đại hóa và kim bướm ga tỷ lệ nhiên liệu được thiết kế lại.
Một cuộc thử lửa của động cơ đã được thực hiện vào ngày 13 tháng 9 năm 2013 (hàm lượng mêtan trong LNG - 94,6%). Chương trình thử nghiệm cung cấp cho ba công tắc với tổng thời lượng 1500 giây (1300 + 100 + 100). Việc khởi động và vận hành động cơ ở chế độ này vẫn diễn ra bình thường, nhưng ở giây thứ 532, hệ thống bảo vệ khẩn cấp tạo ra lệnh tắt khẩn cấp. Nguyên nhân của vụ tai nạn là do một hạt kim loại lạ xâm nhập vào đường dẫn dòng chảy của bơm chất oxy hóa.
Dù bị tai nạn nhưng C5.86A số 2A hoạt động khá lâu. Lần đầu tiên, một động cơ được phóng, nhằm mục đích sử dụng như một phần của giai đoạn tên lửa, đòi hỏi nhiều lần khởi động, theo sơ đồ đã thực hiện bằng cách sử dụng bộ tích áp có thể sạc lại trên bo mạch. Chế độ vận hành ổn định đạt được đối với một chế độ lực đẩy nhất định và tỷ lệ tiêu thụ các thành phần nhiên liệu tối đa đã thực hiện trước đó. Dự trữ có thể có để tăng lực đẩy và tăng tỷ lệ tiêu thụ các thành phần nhiên liệu đã được xác định.
Hiện KB Khimmash đang hoàn thành việc sản xuất một bản sao mới của C5.86 để thử nghiệm nguồn tài nguyên tối đa có thể về thời gian hoạt động và số lần bắt đầu. Nó sẽ trở thành một nguyên mẫu của một động cơ thực sự sử dụng nhiên liệu ZhK + LNG, điều này sẽ mang lại chất lượng mới cho các giai đoạn trên của các phương tiện phóng và thổi sức sống vào các hệ thống vận tải có thể tái sử dụng. Với sự giúp đỡ của họ, không gian sẽ trở nên sẵn có không chỉ cho các nhà nghiên cứu và nhà phát minh, mà có thể chỉ dành cho khách du lịch.
