Bahan bakar kompor sangat efisien untuk mesin roket
Dunia roket dan luar angkasa di persimpangan jalan: tren global menuntut biaya yang lebih rendah dan peningkatan keamanan lingkungan dari layanan ruang angkasa. Desainer harus menciptakan mesin roket berbahan bakar cair (LPRE) baru menggunakan bahan bakar ramah lingkungan, menggantikan hidrogen cair yang mahal dan sangat intensif energi dengan gas alam cair (LNG) murah dengan kandungan metana 90-98 persen. Bahan bakar ini, ditambah dengan oksigen cair, memungkinkan untuk membuat mesin baru yang sangat efisien dan murah dengan penggunaan maksimal elemen desain, material, teknologi, dan produksi yang sudah ada.
LNG tidak beracun, dan ketika dibakar dalam oksigen, uap air dan karbon dioksida terbentuk. Tidak seperti minyak tanah, yang banyak digunakan dalam peroketan, tumpahan LNG cepat menguap tanpa merusak lingkungan.
Tes pertama
Suhu penyalaan gas alam dengan udara dan batas bawah konsentrasi ledakannya lebih tinggi daripada uap hidrogen dan minyak tanah, oleh karena itu, di wilayah konsentrasi rendah, dibandingkan dengan bahan bakar hidrokarbon lainnya, itu kurang meledak.
Secara umum, pengoperasian LNG sebagai bahan bakar roket tidak memerlukan tindakan pencegahan kebakaran dan ledakan tambahan yang belum pernah digunakan sebelumnya.
Kepadatan LNG adalah enam kali lipat dari hidrogen cair, tetapi setengah dari minyak tanah. Kepadatan yang lebih rendah menyebabkan peningkatan yang sesuai dalam ukuran tangki LNG dibandingkan dengan tangki minyak tanah. Namun, dengan mempertimbangkan rasio oksidator dan konsumsi bahan bakar yang lebih tinggi (kira-kira 3,5 banding 1 untuk oksigen cair (LC) + bahan bakar LNG dan 2,7 banding 1 untuk bahan bakar ZhK + minyak tanah), volume total bahan bakar ZhK + pengisian bahan bakar LNG hanya meningkat sebesar 20 persen. Dengan mempertimbangkan efek pengerasan kriogenik material, serta kemungkinan menggabungkan bagian bawah tangki LC dan LNG, bobot tangki bahan bakar akan relatif kecil.
Dan terakhir, produksi dan transportasi LNG sudah lama dikuasai.
Biro Desain Teknik Kimia (KB Khimmash) dinamai AM Isaev di Korolev, Wilayah Moskow, mulai bekerja (ternyata, meregang selama bertahun-tahun karena dana yang sangat sedikit) pada pengembangan bahan bakar ZhK + LNG pada tahun 1994, ketika studi desain - desain dan keputusan dibuat untuk membuat mesin baru menggunakan skema dan dasar struktural dari HPC1 oksigen-hidrogen yang ada dengan daya dorong 7,5 tf, berhasil dioperasikan sebagai bagian dari tahap atas (Cryogenic Upper Stage) 12KRB dari kendaraan peluncuran India GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
Pada tahun 1996, tes pembakaran otonom generator gas menggunakan cairan cair dan gas alam sebagai komponen bahan bakar dilakukan, yang terutama ditujukan untuk memeriksa mode operasi start-up dan stabil - 13 inklusi mengkonfirmasi pengoperasian generator gas dan memberikan hasil yang digunakan dalam pengembangan generator gas pemulihan yang beroperasi pada skema terbuka dan tertutup.
Pada Agustus-September 1997, Biro Desain Khimmash melakukan uji kebakaran pada unit kemudi mesin KVD1 (juga menggunakan gas alam, bukan hidrogen), di mana ruang yang dibelokkan dalam dua bidang pada sudut ± 39,5 derajat digabungkan dalam a struktur tunggal (dorong - 200 kgf, tekanan ruang - 40 kg / cm2), katup start dan stop, sistem pengapian piroteknik dan penggerak listrik - satu unit kemudi KVD1 standar melewati enam start dengan total waktu pengoperasian lebih dari 450 detik dan ruang tekanan di kisaran 42–36 kg / cm2. Hasil tes mengkonfirmasi kemungkinan membuat ruang kecil menggunakan gas alam sebagai pendingin.
Pada Agustus 1997, KB Khimmash mulai menguji coba mesin sirkuit tertutup ukuran penuh dengan daya dorong 7,5 tf pada bahan bakar ZhK + LNG. Dasar pembuatannya adalah mesin KVD1 yang dimodifikasi dari sirkuit tertutup dengan afterburning dari gas generator pereduksi dan mendinginkan ruangan dengan bahan bakar.
Pompa pengoksidasi standar KVD1 telah dimodifikasi: diameter impeler pompa ditingkatkan untuk memastikan rasio yang diperlukan dari pengoksidasi dan kepala pompa bahan bakar. Selain itu, penyetelan hidraulik saluran mesin dikoreksi untuk memastikan rasio komponen yang dihitung.
Penggunaan mesin prototipe, yang sebelumnya telah melewati siklus uji pembakaran pada LCD + bahan bakar hidrogen cair, memberikan pengurangan maksimum dalam biaya penelitian.
Tes dingin memungkinkan untuk mengetahui metode persiapan mesin dan dudukan untuk pekerjaan panas dalam hal memastikan parameter LNG yang diperlukan di tangki cadangan, mendinginkan oksidator dan saluran bahan bakar ke suhu yang menjamin pengoperasian pompa yang andal selama periode start dan start engine yang stabil dan stabil.
Uji api pertama mesin berlangsung pada 22 Agustus 1997 di stan perusahaan, yang sekarang disebut Pusat Uji Ilmiah Industri Roket dan Luar Angkasa (SRC RCP). Dalam praktik KB Khimmash, pengujian ini merupakan pengalaman pertama menggunakan LNG sebagai bahan bakar untuk mesin sirkuit tertutup ukuran penuh.
Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mendapatkan hasil yang sukses karena beberapa pengurangan parameter dan kemudahan kondisi operasi mesin.
Kontrol untuk mencapai mode dan beroperasi dalam mode dilakukan menggunakan pengontrol throttle dan rasio konsumsi komponen bahan bakar menggunakan algoritma HPC1, dengan mempertimbangkan interaksi saluran kontrol.
Program uji tembak pertama dari mesin sirkuit tertutup selesai sepenuhnya. Mesin berjalan untuk waktu yang ditentukan, tidak ada komentar tentang kondisi bagian material.
Hasil tes menegaskan kemungkinan mendasar menggunakan LNG sebagai bahan bakar di unit mesin oksigen-hidrogen.
Ada banyak gas - tidak ada coke
Selanjutnya, pengujian dilanjutkan dengan tujuan untuk mempelajari lebih mendalam proses yang terkait dengan penggunaan LNG, memeriksa pengoperasian unit mesin dalam kondisi aplikasi yang lebih luas, dan mengoptimalkan solusi desain.
Secara total, dari tahun 1997 hingga 2005, lima tes pembakaran dari dua salinan mesin KVD1, yang disesuaikan untuk penggunaan bahan bakar ZhK + LNG, berlangsung dari 17 hingga 60 detik, kandungan metana dalam LNG - dari 89,3 hingga 99,5 persen, terjadi.
Secara keseluruhan, hasil pengujian ini memungkinkan untuk menentukan prinsip dasar pengembangan mesin dan unitnya saat menggunakan bahan bakar "ZhK + LNG" dan untuk melanjutkan pada tahun 2006 ke tahap penelitian berikutnya yang melibatkan pengembangan, pembuatan dan pengujian mesin C5.86. Ruang bakar, generator gas, unit turbopump dan regulator yang terakhir secara struktural dan parametrik dibuat khusus untuk operasi pada bahan bakar ZhK + LNG.
Pada tahun 2009, dua uji kebakaran mesin C5.86 dengan durasi 68 dan 60 detik telah dilakukan dengan kandungan metana dalam LNG sebesar 97, 9 dan 97, 7 persen.
Hasil positif diperoleh saat menghidupkan dan menghentikan mesin berbahan bakar cair, beroperasi pada mode kondisi tunak dalam hal daya dorong dan rasio komponen bahan bakar (sesuai dengan tindakan kontrol). Tetapi salah satu tugas utama - verifikasi eksperimental tidak adanya akumulasi fase padat di jalur pendinginan ruang (kokas) dan di jalur gas (jelaga) dengan nyala yang cukup lama - tidak dapat dilakukan karena volume terbatas tangki LNG bangku (durasi penyalaan maksimum adalah 68 detik). Oleh karena itu, pada tahun 2010, keputusan dibuat untuk melengkapi stand untuk melakukan tes tembak dengan durasi minimal 1000 detik.
Sebagai tempat kerja baru, bangku uji NRC RCP digunakan untuk menguji mesin roket propelan cair oksigen-hidrogen, yang memiliki kapasitas volume yang sesuai. Dalam persiapan untuk tes, pengalaman signifikan yang diperoleh sebelumnya selama tujuh tes kebakaran diperhitungkan. Pada periode Juni hingga September 2010, sistem bangku hidrogen cair disempurnakan untuk penggunaan LNG, mesin C5.86 No. 2 dipasang di bangku, tes komprehensif pengukuran, kontrol, sistem perlindungan darurat, dan pengaturan rasio konsumsi bahan bakar dan tekanan di ruang bakar dilakukan.
Tangki bangku diisi dengan bahan bakar dari tangki pengangkut tanker pengisian bahan bakar (volume - 56,4 m3 dengan pengisian bahan bakar 16 ton) menggunakan unit pengisian bahan bakar LNG, termasuk penukar panas, filter, katup penutup, dan alat ukur. Setelah pengisian tangki selesai, jalur bangku untuk memasok komponen bahan bakar ke mesin didinginkan dan diisi.
Mesin hidup dan berjalan normal. Perubahan rezim terjadi sesuai dengan pengaruh sistem kontrol. Dari 1100 detik, suhu gas generator gas terus meningkat, sebagai akibatnya keputusan dibuat untuk menghentikan mesin. Shutdown terjadi atas perintah pada 1160 detik tanpa komentar apa pun. Alasan kenaikan suhu adalah kebocoran manifold outlet dari jalur pendinginan ruang bakar yang muncul selama pengujian - retakan pada jahitan las dari nosel proses terpasang yang dipasang pada manifold.
Analisis hasil uji api yang dilakukan memungkinkan untuk menyimpulkan:
- dalam proses operasi, parameter mesin stabil dalam mode dengan berbagai kombinasi rasio konsumsi komponen bahan bakar (2,42 banding 1 - 3,03 banding 1) dan daya dorong (6311 - 7340 kgf);
-mengkonfirmasi tidak adanya formasi fase padat di jalur gas dan tidak adanya endapan kokas di jalur cair mesin;
- data eksperimen yang diperlukan diperoleh untuk menyempurnakan metode perhitungan untuk pendinginan ruang bakar saat menggunakan LNG sebagai pendingin;
- dinamika keluarnya saluran pendingin ruang bakar ke rezim termal kondisi tunak telah dipelajari;
-mengkonfirmasi kebenaran solusi teknis untuk memastikan start-up, kontrol, regulasi dan hal-hal lain, dengan mempertimbangkan kekhasan LNG;
-dikembangkan C5.86 dengan daya dorong 7,5 tf dapat digunakan (sendiri atau dalam kombinasi) sebagai mesin propulsi di tahap atas dan tahap atas kendaraan peluncuran yang menjanjikan;
- hasil positif dari tes pembakaran mengkonfirmasi kelayakan eksperimen lebih lanjut untuk membuat mesin yang berjalan dengan bahan bakar ZhK + LNG.
Pada tes kebakaran berikutnya pada tahun 2011, mesin dihidupkan dua kali. Sebelum shutdown pertama, mesin berjalan selama 162 detik. Pada start-up kedua, dilakukan untuk mengkonfirmasi tidak adanya pembentukan fase padat di jalur gas dan endapan kokas di jalur cair, rekor durasi pengoperasian mesin dimensi ini dengan start tunggal - 2007 detik tercapai, serta kemungkinan throttling dorong telah dikonfirmasi. Pengujian dihentikan karena menipisnya komponen bahan bakar. Total waktu pengoperasian mesin virtual ini adalah 3389 detik (empat start). Deteksi cacat yang dilakukan mengkonfirmasi tidak adanya fase padat dan pembentukan kokas di jalur mesin.
Satu set kerja teoretis dan eksperimental dengan C5.86 No. 2 dikonfirmasi:
- kemungkinan mendasar untuk membuat mesin dengan dimensi yang diperlukan pada pasangan bahan bakar komponen "ZhK + LNG" dengan afterburning dari gas generator pereduksi, yang memastikan pemeliharaan karakteristik stabil dan tidak adanya fase padat secara praktis dalam jalur gas dan endapan kokas di jalur cairan mesin;
-kemungkinan menghidupkan dan mematikan mesin berkali-kali;
-kemungkinan pengoperasian mesin jangka panjang;
-kebenaran solusi teknis yang diadopsi untuk memastikan beberapa start-up, kontrol, regulasi, dengan mempertimbangkan fitur LNG dan perlindungan darurat;
-Kemampuan NIC RCP berdiri untuk tes jangka panjang.
Juga, bekerja sama dengan NRC RCP, sebuah teknologi untuk transportasi, pengisian bahan bakar, dan termostat LNG dalam jumlah besar telah dikembangkan dan solusi teknologi telah dikembangkan yang secara praktis dapat diterapkan untuk prosedur pengisian bahan bakar produk penerbangan.
LNG - jalur menuju penerbangan yang dapat digunakan kembali
Dikarenakan komponen dan rakitan mesin demonstrator C5.86 No. 2 karena keterbatasan dana tidak dioptimalkan secara optimal, maka beberapa permasalahan tidak dapat diselesaikan secara tuntas, antara lain:
klarifikasi sifat termofisika LNG sebagai pendingin;
memperoleh data tambahan untuk memeriksa konvergensi karakteristik unit utama saat melakukan simulasi di air dan beroperasi di LNG;
verifikasi eksperimental kemungkinan pengaruh komposisi gas alam pada karakteristik unit utama, termasuk jalur pendinginan ruang bakar dan generator gas;
penentuan karakteristik mesin roket propelan cair dalam rentang yang lebih luas dari perubahan mode operasi dan parameter dasar baik dengan start tunggal maupun ganda;
optimalisasi proses dinamis saat startup.
Untuk mengatasi masalah ini, KB Khimmash memproduksi mesin C5.86A No. 2A yang ditingkatkan, unit pompa turbo yang untuk pertama kalinya dilengkapi dengan turbin starter, turbin utama yang ditingkatkan, dan pompa bahan bakar. Jalur pendinginan ruang bakar telah dimodernisasi dan jarum throttle rasio bahan bakar telah didesain ulang.
Uji kebakaran mesin dilakukan pada 13 September 2013 (kandungan metana dalam LNG - 94,6%). Program pengujian disediakan untuk tiga sakelar dengan total durasi 1500 detik (1300 + 100 + 100). Start dan pengoperasian mesin dalam mode berjalan normal, tetapi pada 532 detik sistem proteksi darurat menghasilkan perintah shutdown darurat. Penyebab kecelakaan itu adalah masuknya partikel logam asing ke jalur aliran pompa oksidator.
Meski mengalami kecelakaan, C5.86A No. 2A bekerja cukup lama. Untuk pertama kalinya, sebuah mesin diluncurkan, dimaksudkan untuk digunakan sebagai bagian dari tahap roket, yang membutuhkan banyak start-up, sesuai dengan skema yang diterapkan menggunakan akumulator tekanan isi ulang onboard. Mode operasi yang stabil diperoleh untuk mode dorong yang diberikan dan maksimum dari rasio konsumsi komponen bahan bakar yang direalisasikan sebelumnya. Kemungkinan cadangan untuk meningkatkan daya dorong dan meningkatkan rasio konsumsi komponen bahan bakar telah ditentukan.
Sekarang KB Khimmash sedang menyelesaikan pembuatan salinan baru C5.86 untuk pengujian sumber daya maksimum yang mungkin dalam hal waktu pengoperasian dan jumlah permulaan. Ini harus menjadi prototipe mesin nyata pada bahan bakar ZhK + LNG, yang akan memberikan kualitas baru ke tahap atas kendaraan peluncuran dan menghidupkan kembali sistem transportasi yang dapat digunakan kembali. Dengan bantuan mereka, ruang akan tersedia tidak hanya untuk peneliti dan penemu, tetapi, mungkin, hanya untuk pelancong.
