El combustible de cuina és altament eficient per als motors coets
El coet i el món espacial en una cruïlla de camins: les tendències globals exigeixen menors costos i una major seguretat ambiental dels serveis espacials. Els dissenyadors han d’inventar nous motors de coets propulsors de líquids (LPRE) que utilitzen combustibles respectuosos amb el medi ambient, substituint l’hidrogen líquid car i altament consumidor d’energia per gas natural liquat barat (GNL) amb un contingut de metà del 90 al 98%. Aquest combustible, juntament amb l’oxigen líquid, permet crear nous motors altament eficients i econòmics amb el màxim ús d’elements de disseny, materials, tecnologies i producció pendents.
El GNL no és tòxic i, quan es crema en oxigen, es forma vapor d’aigua i diòxid de carboni. A diferència del querosè, que s’utilitza àmpliament en coets, els vessaments de GNL s’evaporen ràpidament sense perjudicar el medi ambient.
Primeres proves
La temperatura d’encesa del gas natural amb aire i el límit inferior de la seva concentració explosiva són superiors a les dels vapors d’hidrogen i querosè; per tant, a la regió de baixes concentracions, en comparació amb altres combustibles d’hidrocarburs, és menys explosiu.
En general, el funcionament del GNL com a combustible per a coets no requereix mesures addicionals de prevenció d'incendis i explosions que no s'hagin utilitzat anteriorment.
La densitat de GNL és sis vegades la de l’hidrogen líquid, però la meitat que el querosè. La densitat més baixa comporta un augment corresponent de la mida del dipòsit de GNL en comparació amb el dipòsit de querosè. Tanmateix, tenint en compte la proporció més elevada d’oxidant i consum de combustible (és d’aproximadament 3,5 a 1 per al combustible d’oxigen líquid (LC) + GNL i de 2,7 a 1 per al combustible de querosè ZhK +), el volum total del combustible ZhK + Tenint en compte l'efecte de l'enduriment criogènic del material, així com la possibilitat de combinar els fons dels tancs de LC i GNL, el pes dels tancs de combustible serà relativament petit.
I, finalment, la producció i el transport de GNL s’ha dominat durant molt de temps.
L’Oficina de Disseny d’Enginyeria Química (KB Khimmash) que porta el nom d’AM Isaev a Korolev, regió de Moscou, va començar a treballar (com va resultar, durant anys a causa d’un finançament molt escàs) en el desenvolupament del combustible ZhK + GNL el 1994, quan es van prendre els estudis de disseny - disseny i es va decidir crear un nou motor mitjançant la base esquemàtica i estructural de l'HP1 oxigen-hidrogen existent amb una empenta de 7,5 tf, operada amb èxit com a part de l'etapa superior (etapa superior criogènica) 12KRB del vehicle de llançament indi GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
L’any 1996 es van dur a terme proves de cocció autònomes d’un generador de gas que utilitzaven gas líquid líquid i gas natural com a components de combustible, principalment dirigides a comprovar els modes d’execució i funcionament estables: 13 inclusions van confirmar l’operativitat del generador de gas i van donar resultats que es van utilitzar en el desenvolupament de generadors de gas de recuperació que funcionessin en sistemes oberts i tancats.
A l’agost-setembre de 1997, el Khimmash Design Bureau va realitzar proves de foc de la unitat de direcció del motor KVD1 (també utilitzant gas natural en lloc d’hidrogen), en què es combinava una cambra desviada en dos plans amb un angle de ± 39,5 graus estructura única (empenta - 200 kgf, pressió de la cambra - 40 kg / cm2), vàlvules d’arrencada i aturada, sistema d’encesa pirotècnic i accionaments elèctrics - una unitat de direcció KVD1 estàndard va passar sis arrencades amb un temps de funcionament total de més de 450 segons i una cambra pressió en el rang de 42-36 kg / cm2. Els resultats de les proves van confirmar la possibilitat de crear una petita cambra amb gas natural com a refrigerant.
L'agost de 1997, KB Khimmash va començar a provar un motor de circuit tancat de mida completa amb una empenta de 7,5 tf de combustible ZhK + GNL. La base per a la fabricació era un motor KVD1 modificat d’un circuit tancat amb postcombustió del generador de gas reductor de gas i refredament de la cambra amb combustible.
Es va modificar la bomba estàndard d’oxidant KVD1: es va augmentar el diàmetre de l’impulsor de la bomba per assegurar la proporció requerida entre els caps de la bomba de combustible i l’oxidant. A més, es va corregir la posada a punt hidràulica de les línies del motor per assegurar la proporció calculada de components.
L’ús del prototip de motor, que anteriorment havia superat el cicle de proves de cocció amb combustible d’hidrogen líquid LCD +, va suposar la reducció màxima dels costos de la investigació.
Les proves en fred van permetre esbrinar el mètode de preparació del motor i del suport per a treballs en calent en termes d’assegurar els paràmetres necessaris de GNL en dipòsits de banc, refredar l’oxidant i les línies de combustible a temperatures que garanteixin un funcionament fiable de les bombes durant el període d’arrencada i arrencada estable i estable del motor.
La primera prova de foc del motor va tenir lloc el 22 d'agost de 1997 a l'estand de l'empresa, que avui es diu Centre de proves científiques de la indústria espacial i de coets (SRC RCP). A la pràctica de KB Khimmash, aquestes proves van ser la primera experiència d’utilitzar GNL com a combustible per a un motor de circuit tancat de mida completa.
L'objectiu de la prova era obtenir un resultat reeixit a causa d'una certa reducció dels paràmetres i facilitat de les condicions de funcionament del motor.
El control d’arribada al mode i funcionament en el mode es va dur a terme mitjançant controladors d’accelerador i la relació del consum de components de combustible mitjançant els algorismes HPC1, tenint en compte la interacció dels canals de control.
El programa de la primera prova de tret del motor de circuit tancat es va completar completament. El motor va funcionar durant un temps especificat, no hi va haver comentaris sobre l'estat de la peça material.
Els resultats de les proves van confirmar la possibilitat fonamental d’utilitzar GNL com a combustible a les unitats d’un motor oxigen-hidrogen.
Hi ha molt gas, sense coc
Posteriorment, es van continuar les proves amb l'objectiu d'un estudi més profund dels processos associats a l'ús de GNL, comprovant el funcionament de les unitats de motor en condicions d'aplicació més àmplies i optimitzant les solucions de disseny.
En total, del 1997 al 2005, es van dur a terme cinc proves de tret de dues còpies del motor KVD1, adaptades per a l’ús de combustible ZhK + GNL, amb una durada de 17 a 60 segons, el contingut de metà en GNL (del 89,3 al 99,5 per cent)..
En general, els resultats d’aquestes proves van permetre determinar els principis bàsics del desenvolupament del motor i les seves unitats quan s’utilitzava combustible “ZhK + LNG” i procedir el 2006 a la següent etapa d’investigació relacionada amb el desenvolupament, fabricació i fabricació i proves del motor C5.86. La cambra de combustió, el generador de gas, la turbopompa i els reguladors d’aquests últims es fabriquen estructuralment i paramètricament específicament per al funcionament amb combustible ZhK + GNL.
El 2009 es van dur a terme dues proves de foc dels motors C5.86 amb una durada de 68 i 60 segons amb un contingut de metà en GNL del 97, 9 i 97, 7 per cent.
Es van obtenir resultats positius en arrencar i aturar el motor de propulsió líquida, funcionant en modes d’estabilitat en termes d’empenta i proporció de components de combustible (d’acord amb les accions de control). Però una de les tasques principals: la verificació experimental de l’absència d’acumulació de fase sòlida al recorregut de refrigeració de la cambra (coc) i al recorregut del gas (sutge) amb girs suficientment llargs no es va poder realitzar a causa del volum limitat de tancs de GNL de banc (la durada màxima d’activació va ser de 68 segons). Per tant, el 2010 es va decidir equipar l’estand per dur a terme proves de tir amb una durada de 1000 segons com a mínim.
Com a nou lloc de treball, el banc de proves NRC RCP es va utilitzar per provar motors de coets oxigen-hidrogen amb combustible líquid, que té capacitats del volum corresponent. En la preparació de la prova, es va tenir en compte la significativa experiència adquirida anteriorment durant les set proves de foc. Durant el període de juny a setembre de 2010, es van perfeccionar els sistemes de banc d’hidrogen líquid per a l’ús de GNL, es va instal·lar el motor C5.86 núm. es va dur a terme la regulació de la relació de consum de combustible i pressió a la cambra de combustió.
Els tancs de banc es van omplir de combustible procedent del tanc de transport del cisterne de proveïment (volum - 56,4 m3 amb un subministrament de 16 tones) mitjançant una unitat de subministrament de GNL, inclòs un bescanviador de calor, filtres, vàlvules d’aturada i instruments de mesura. Després de completar l'ompliment dels tancs, es van refredar i omplir les línies de banc per subministrar components de combustible al motor.
El motor va arrencar i va funcionar amb normalitat. Els canvis en el règim es van produir d'acord amb les influències del sistema de control. A partir dels 1100 segons, la temperatura del generador de gas augmentava constantment, com a resultat de la qual es va decidir aturar el motor. L'aturada es va produir a l'ordre de 1160 segons sense cap menció. El motiu de l’augment de la temperatura va ser la fuita del col·lector de sortida del recorregut de refrigeració de la cambra de combustió que va sorgir durant la prova: una esquerda a la costura de soldadura del broquet de procés endollat instal·lat al col·lector.
L’anàlisi dels resultats de la prova de foc realitzada va permetre concloure:
- en el procés de funcionament, els paràmetres del motor van ser estables en modes amb diverses combinacions de la relació del consum de components de combustible (2,42 a 1 - 3,03 a 1) i empenta (6311 - 7340 kgf);
-confirmar l'absència de formacions de fase sòlida al recorregut del gas i l'absència de dipòsits de coc al recorregut del líquid del motor;
- es van obtenir les dades experimentals necessàries per refinar el mètode de càlcul per al refredament de la cambra de combustió quan s’utilitza GNL com a refrigerador;
- s'ha estudiat la dinàmica de la sortida del canal de refrigeració de la cambra de combustió al règim tèrmic d'estat estacionari;
-confirmar la correcció de les solucions tècniques per garantir la posada en marxa, control, regulació i altres coses, tenint en compte les peculiaritats del GNL;
-el C5.86 desenvolupat amb una empenta de 7,5 tf es pot utilitzar (sol o en combinació) com a motor de propulsió en les etapes superiors i superiors prometedores dels vehicles de llançament;
- Els resultats positius de les proves de tir van confirmar la viabilitat de nous experiments per crear un motor que funcionés amb combustible ZhK + GNL.
A la següent prova de foc del 2011, es va engegar el motor dues vegades. Abans del primer apagat, el motor funcionava durant 162 segons. En la segona posada en marxa, realitzada per confirmar l'absència de formació de fase sòlida al recorregut de gas i dipòsits de coc al recorregut de líquid, es va aconseguir una durada rècord d'operació d'un motor d'aquesta dimensió amb un únic arrencada: es van aconseguir 2007 segons, així com es va confirmar la possibilitat de limitar l'empenta. La prova es va interrompre a causa de l'esgotament dels components del combustible. El temps total de funcionament d'aquesta instància del motor va ser de 3389 segons (quatre arrencades). La detecció de defectes realitzada va confirmar l'absència de fase sòlida i formació de coque als camins del motor.
Es va confirmar un conjunt de treballs teòrics i experimentals amb el número C5.86 núm. 2:
- la possibilitat fonamental de crear un motor de la dimensió requerida al parell de combustible dels components "ZhK + LNG" amb la postcombustió del generador reductor de gas, que garanteix el manteniment de característiques estables i l'absència pràctica d'una fase sòlida al camins de gas i dipòsits de coc als camins de líquids del motor;
-la possibilitat d'arrencar i aturar múltiples motors;
-la possibilitat de funcionament a llarg termini del motor;
-la correcció de les solucions tècniques adoptades per garantir una posada en marxa, control, regulació múltiples, tenint en compte les característiques del GNL i la protecció d'emergència;
-Capacitats de la NIC RCP per a proves a llarg termini.
A més, en cooperació amb NRC RCP, s’ha desenvolupat una tecnologia per al transport, l’abastiment i la termoestació de grans masses de GNL i s’han desenvolupat solucions tecnològiques pràcticament aplicables al procediment de repostatge de productes de vol.
GNL: el camí cap als vols reutilitzables
A causa del fet que els components i els conjunts del motor de demostració C5.86 núm. 2 a causa del finançament limitat no es van optimitzar en la mesura adequada, no va ser possible resoldre completament una sèrie de problemes, inclosos:
clarificació de les propietats termofísiques del GNL com a refrigerant;
obtenir dades addicionals per comprovar la convergència de les característiques de les unitats principals quan simulen a l'aigua i funcionen amb GNL;
verificació experimental de la possible influència de la composició del gas natural en les característiques de les unitats principals, inclosos els camins de refrigeració de la cambra de combustió i del generador de gas;
determinació de les característiques dels motors de coet de combustible líquid en una gamma més àmplia de canvis en els modes de funcionament i els paràmetres bàsics, tant amb arrencades simples com múltiples;
optimització de processos dinàmics a l’inici.
Per solucionar aquests problemes, KB Khimmash va fabricar un motor C5.86A núm. 2A actualitzat, la unitat de turbobomba del qual estava equipada per primera vegada amb una turbina d’arrencada, una turbina principal actualitzada i una bomba de combustible. El recorregut de refrigeració de la cambra de combustió s’ha modernitzat i s’ha redissenyat l’agulla de l’accelerador de la proporció de combustible.
El 13 de setembre de 2013 es va realitzar una prova de foc del motor (contingut de metà en GNL - 94,6%). El programa de prova preveia tres commutadors amb una durada total de 1500 segons (1300 + 100 + 100). L'arrencada i el funcionament del motor en el mode van continuar amb normalitat, però als 532 segons el sistema de protecció d'emergència va generar una ordre d'apagada d'emergència. La causa de l’accident va ser l’entrada d’una partícula de metall estranya al recorregut de la bomba oxidant.
Tot i l'accident, el C5.86A núm. 2A va funcionar durant força temps. Per primera vegada es va llançar un motor, destinat a ser utilitzat com a part d’una etapa de coets, que requereix arrencades múltiples, segons l’esquema implementat mitjançant un acumulador de pressió recarregable a bord. Es va obtenir un mode de funcionament estable per a un mode d’empenta determinat i el màxim de la proporció realitzada anteriorment del consum de components de combustible. S'han determinat les possibles reserves per augmentar l'empenta i augmentar la proporció de consum de components de combustible.
Ara KB Khimmash està completant la fabricació d’una nova còpia de C5.86 per provar el màxim recurs possible en termes de temps d’operació i el nombre d’arrencades. Hauria de convertir-se en un prototip d’un motor real de combustible ZhK + GNL, que donaria una nova qualitat a les fases superiors dels vehicles de llançament i donaria vida als sistemes de transport reutilitzables. Amb la seva ajuda, l’espai estarà disponible no només per a investigadors i inventors, sinó, possiblement, només per a viatgers.
