Правительство РФ

Роскосмос

Росимущество

Всероссийский каталог добросовестных поставщиков товаров, работ, услуг для государственных и муниципальных нужд
 
 
 
Пресс-центр
     
 
  20.07.2017

В НИЦ РКП продолжаются огневые испытания ракетного двигателя на топливе кислород – СПГ.

Федеральная космическая программа России на 2016-2025 годы включает опытно-конструкторскую работу (ОКР) «Создание ракетных двигателей нового поколения и базовых элементов маршевых двигательных установок перспективных средств выведения».

Составной частью этой работы являются проведенные в ФКП «НИЦ РКП» испытания двигателя-демонстратора С5.86.1000-0А № 3, выполненные в соответствии с ОКР «Проведение испытаний двигателя-демонстратора, изготовленного в рамках ОКР «ПМДУ», с тягой на уровне 7,5 тс. Дефектация двигателя и анализ результатов испытаний с целью использования полученного научно-технического задела для разработки опытного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), а также подтверждения характеристик сжиженного природного газа (СПГ), используемого в качестве ракетного топлива». Такое длинное название ОКР отражает суть выполненных работ.

Заказчиком ОКР для ФКП «НИЦ РКП» является «КБхиммаш им.А.М.Исаева» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им.М.В.Хруничева». Эти предприятия входят в состав Госкорпорации Роскосмос.

5 июля 2017 г. на стенде В2 ФКП «НИЦ РКП» было проведено огневое стендовое испытание (ОСИ) двигателя С5.86.1000-0А №3 на топливе жидкий кислород – СПГ. В процессе испытания выполнено 2 включения двигателя продолжительностью 100с и 130с. Цели испытаний достигнуты. 20 июля двигатель демонтирован со стенда. Далее предстоит дефектация двигателя и углубленный анализ специалистами результатов испытаний.

Опыт безопасного проведения огневых испытаний ЖРД и ДУ на жидком водороде и кислороде испытательного комплекса НИЦ РКП был в полной мере использован при испытаниях двигателя-демонстратора на СПГ. Ранее на стенде В2 при ресурсных испытаниях двигателя-демонстратора №2, 29 сентября 2010г., длительность работы при однократном включении составила 1160с, а 28 сентября 2011 года была достигнута рекордная длительность работы двигателя такой размерности при однократном включении – 2007 с.


Фоторепортаж

Стенд В2.

Испытательный стенд В2.

Двигатель-демонстратор С5.86.1000-0А №3 на стенде В2 перед ОСИ.

 

Перед ОСИ на стенде В2

Часовая готовность

В бункере управления испытаниями стенда В2

ОСИ


Для справки

Рекордные по длительности огневые испытания многоразового ракетного двигателя на сжиженном природном газе и жидком кислороде. 28.09.2011


РЕСУРСНОЕ ИСПЫТАНИЕ ЖРД НА ТОПЛИВНОЙ ПАРЕ ЖИДКИЙ КИСЛОРОД + СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

Игорь Александрович Смирнов, генеральный конструктор КБхиммаш им. А.М. Исаева

Алексей Геннадиевич Яковлев, ведущий специалист КБхиммаш им. А.М. Исаева

Владимир Николаевич Бережной, заместитель начальника испытательной станции НИЦ РКП


СПГ для ЖРД

Топливо из кухонной конфорки весьма эффективно для ракетных двигателей

Алексей Яковлев

Ракетно-космический мир на перепутье: глобальные тенденции требуют снизить стоимость и увеличить экологическую безопасность космических услуг. Конструкторам приходится изобретать новые жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) на экологически чистых видах топлива, заменяя дорогой, крайне энергоемкий жидкий водород дешевым сжиженным природным газом (СПГ) с содержанием метана 90–98 процентов. Это горючее в паре с жидким кислородом позволяет создавать новые высокоэффективные и недорогие двигатели с максимальным использованием уже существующих элементов конструкторского, материального, технологического и производственного задела.

Подробнее...

СПГ не ядовит, при сгорании его в кислороде образуются водяной пар и двуокись углерода. В отличие от керосина, широко используемого в ракетной технике, проливы СПГ быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде.

Первые испытания

Температура воспламенения природного газа с воздухом и нижний предел его взрывоопасной концентрации выше, чем водорода и паров керосина, поэтому в области малых концентраций в сравнении с другим углеводородным горючим он менее взрывоопасен.

“ На втором включении была достигнута рекордная длительность работы двигателя такой размерности при однократном включении – 2007 секунд ”

В целом эксплуатация СПГ в качестве ракетного горючего не требует каких-либо дополнительных мер пожаровзрывопредупреждения, не применявшихся ранее.

Плотность СПГ в шесть раз выше, чем жидкого водорода, но в два раза ниже, чем керосина. Меньшая плотность ведет к соответствующему увеличению размеров бака СПГ по сравнению с керосиновым баком. Однако с учетом более высокого соотношения расходов окислителя и горючего (составляет примерно 3,5 к 1 для топлива «жидкий кислород (ЖК) + СПГ» и 2,7 к 1 для топлива «ЖК + керосин») общий объем заправляемого топлива «ЖК + СПГ» увеличивается только процентов на 20. С учетом эффекта криогенного упрочнения материала, а также возможности совмещения днищ баков ЖК и СПГ утяжеление топливных емкостей будет относительно небольшим.

И, наконец, производство и транспортировка СПГ давно уже освоены.

Конструкторское бюро химического машиностроения (КБ химмаш) имени А. М. Исаева в подмосковном Королеве приступило к работам (как оказалось, растянувшимся на годы из-за весьма скудного финансирования) по освоению топлива «ЖК + СПГ» в 1994 году, когда были проведены проектно-расчетные проработки и принято решение о создании нового двигателя с использованием схемно-конструктивной базы имеющегося кислородно-водородного КВД1 тягой 7,5 тс, успешно эксплуатируемого в составе верхней ступени (Cryogenic Upper Stage) 12КРБ индийской ракеты-носителя GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).

Фото: Виталий Кузьмин

В 1996 году прошли автономные огневые испытания газогенератора на ЖК и природном газе в качестве компонентов топлива, имевшие целью в основном проверку режимов запуска и устойчивой работы – 13 включений подтвердили работоспособность газогенератора и дали результаты, которые использовались при разработке восстановительных газогенераторов, работающих по открытой и замкнутой схемам.

В августе-сентябре 1997-го в КБ химмаш проведены огневые испытания рулевого блока двигателя КВД1 (также с использованием природного газа вместо водорода), в котором в единой конструкции совмещены отклоняемая в двух плоскостях на угол ±39,5 градуса камера (тяга – 200 кгс, давление в камере – 40 кг/см2), арматура пуска и останова, пиротехническая система зажигания и электроприводы – один штатный рулевой блок КВД1 прошел шесть включений с общей наработкой более 450 секунд и давлением в камере в диапазоне 42–36 кг/см2. Результаты испытаний подтвердили возможность создания камеры малой размерности с использованием природного газа в качестве охладителя.

В августе 1997 года КБ химмаш приступило к огневым испытаниям полноразмерного двигателя замкнутой схемы тягой 7,5 тс на топливе «ЖК + СПГ». Основой для изготовления явился доработанный двигатель КВД1 замкнутой схемы с дожиганием восстановительного газогенераторного газа и охлаждением камеры горючим.

Штатный насос окислителя КВД1 был доработан: диаметр рабочего колеса насоса увеличен для обеспечения необходимого отношения напоров насосов окислителя и горючего. Также проведена корректировка гидравлической настройки магистралей двигателя для обеспечения расчетного соотношения компонентов.

Использование двигателя-прототипа, ранее прошедшего цикл огневых испытаний на топливе «ЖК + жидкий водород», обеспечило максимальное сокращение затрат на проведение исследования.

Холодные испытания позволили отработать методику подготовки двигателя и стенда к огневой работе в части обеспечения требуемых параметров СПГ в стендовых емкостях, захолаживания магистралей окислителя и горючего до температур, гарантирующих надежную работу насосов в пусковой период и стабильный и устойчивый запуск двигателя.

Первое огневое испытание двигателя состоялось 22 августа 1997 года на стенде предприятия, которое сегодня называется Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности (НИЦ РКП). В практике КБ химмаша данные испытания являлись первым опытом использования СПГ в качестве горючего полноразмерного двигателя замкнутой схемы.

Задачей испытания было получение успешного результата за счет некоторого снижения параметров и облегчения условий работы двигателя.

Управление выходом на режим и работой на режиме осуществлялось с помощью регуляторов тяги и соотношения расходов компонентов топлива с использованием алгоритмов КВД1, учитывающих взаимо-влияние каналов управления.

Программа первого огневого испытания двигателя замкнутой схемы была выполнена полностью. Двигатель отработал заданное время, замечаний по состоянию материальной части не было.

Результаты испытания подтвердили принципиальную возможность использования в агрегатах кислородно-водородного двигателя СПГ в качестве горючего.

Газа много – кокса нет

В дальнейшем испытания были продолжены с целью более углубленного изучения процессов, связанных с использованием СПГ, проверки работы агрегатов двигателя в более широких условиях применения, оптимизации конструкторских решений.

Всего с 1997 по 2005 год прошло пять огневых испытаний двух экземпляров двигателя КВД1, адаптированного для использования топлива «ЖК + СПГ», длительностью от 17 до 60 секунд, содержание метана в СПГ – от 89,3 до 99,5 процента.

В целом результаты этих испытаний позволили определить основные принципы разработки двигателя и его агрегатов при использовании топлива «ЖК + СПГ» и перейти в 2006 году к следующему этапу исследований, предусматривающих разработку, изготовление и испытание двигателя С5.86. Камера сгорания, газогенератор, турбонасосный агрегат и органы регулирования последнего конструктивно и параметрически выполнены специально для работы на топливе «ЖК + СПГ».

К 2009 году проведено два огневых испытания двигателей С5.86 продолжительностью 68 и 60 секунд при содержании метана в СПГ 97,9 и 97,7 процента.

Были получены положительные результаты по запуску и останову ЖРД, работе на установившихся режимах по тяге и соотношению компонентов топлива (в соответствии с управляющими воздействиями). Но одна из основных задач – экспериментальная проверка отсутствия накопления твердой фазы в тракте охлаждения камеры (кокса) и в газовом тракте (сажи) при достаточно длительных включениях – не могла быть выполнена из-за ограниченного объема стендовых емкостей СПГ (максимальная длительность включения составляла 68 секунд). Поэтому в 2010 году принято решение дооборудовать стенд для проведения огневых испытаний длительностью не менее 1000 секунд.

В качестве нового рабочего места был использован стенд НИЦ РКП для испытаний кислородно-водородных ЖРД, обладающий емкостями соответствующего объема. При подготовке к испытанию был учтен значительный опыт, полученный ранее при проведении семи огневых испытаний. В период с июня по сентябрь 2010 года стендовые системы жидкого водорода дорабатывались для использования СПГ, на стенд установлен двигатель С5.86 № 2, проведены комплексные проверки систем измерения, управления, аварийной защиты, регулирования соотношения расходов компонентов топлива и давления в камере сгорания.

Заправка стендовых емкостей горючим производилась из транспортной емкости заправщика (объем – 56,4 м3 с заправкой 16 т) с помощью блока заправки СПГ, включающего теплообменник, фильтры, запорную арматуру, средства измерения. После завершения заправки емкостей стендовые магистрали подачи компонентов топлива в двигатель захолаживались и заполнялись.

Двигатель запустился и работал нормально. Изменения режима происходили в соответствии с воздействиями системы управления. С 1100 секунды температура газогенераторного газа постоянно нарастала, вследствие чего было принято решение об останове двигателя. Выключение прошло по команде на 1160 секунде без замечаний. Причиной роста температуры явилась возникшая в ходе испытания негерметичность выходного коллектора тракта охлаждения камеры сгорания – трещина в сварном шве заглушенного технологического штуцера, установленного на коллекторе.

Анализ результатов проведенного огневого испытания позволил заключить:

• в процессе работы параметры двигателя были стабильны на режимах при различных сочетаниях соотношения расходов компонентов топлива (2,42 к 1 – 3,03 к 1) и тяги (6311 – 7340 кгс);

• подтверждены отсутствие образований твердой фазы в газовом тракте и отсутствие коксовых отложений в жидкостном тракте двигателя;

• получены необходимые экспериментальные данные для уточнения методики расчета охлаждения камеры сгорания при использовании СПГ в качестве охладителя;

• исследована динамика выхода охлаждающего тракта камеры сгорания на установившийся тепловой режим;

• подтверждена правильность технических решений по обеспечению запуска, управления, регулирования и прочего с учетом особенностей СПГ;

• разрабатываемый С5.86 тягой 7,5 тс может быть использован (в одиночку или в связке) как маршевый двигатель в перспективных разгонных блоках и верхних ступенях ракет-носителей;

• положительные результаты огневых испытаний подтвердили целесообразность дальнейших экспериментов по созданию двигателя на топливе «ЖК + СПГ».

На следующем огневом испытании в 2011 году выполнено двукратное включение двигателя. До первого выключения двигатель проработал 162 секунды. На втором включении, проведенном для подтверждения отсутствия образований твердой фазы в газовом тракте и коксовых отложений в жидкостном тракте, была достигнута рекордная длительность работы двигателя такой размерности при однократном включении – 2007 секунд, а также подтверждены возможности дросселирования тяги. Испытание было прекращено по выработке компонентов топлива. Суммарная наработка данного экземпляра двигателя составила 3389 секунд (четыре включения). Проведенная дефектация подтвердила отсутствие образований твердой фазы и кокса в трактах двигателя.

Комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных работ с С5.86 № 2 подтвердил:

• принципиальную возможность создания двигателя необходимой размерности на топливной паре компонентов «ЖК + СПГ» с дожиганием восстановительного генераторного газа, обеспечивающего поддержание стабильных характеристик и практическое отсутствие твердой фазы в газовых трактах и коксовых отложений в жидкостных трактах двигателя;

• возможность многократного запуска и останова двигателя;

• возможность продолжительной работы двигателя;

• правильность принятых технических решений по обеспечению многократного запуска, управления, регулирования с учетом особенностей СПГ и аварийной защиты;

• возможности стенда НИЦ РКП по проведению длительных испытаний.

Также совместно с НИЦ РКП разработана технология транспортировки, заправки и термостатирования больших масс СПГ и отработаны технологические решения, практически применимые для процедуры заправки летных изделий.

СПГ – путь к многоразовым полетам

Вследствие того что узлы и агрегаты двигателя-демонстратора С5.86 № 2 из-за ограниченного финансирования были оптимизированы не в должном объеме, не удалось решить в полной мере ряд задач, в том числе:

• уточнение теплофизических свойств СПГ как охладителя;

• получение дополнительных данных для проверки сходимости характеристик основных агрегатов при моделировании на воде и работе на СПГ;

• экспериментальная проверка возможного влияния состава природного газа на характеристики основных агрегатов, в том числе трактов охлаждения камеры сгорания и газогенератора;

• определение характеристик ЖРД в более широком диапазоне изменения режимов работы и основных параметров как при единичном, так и при многократных включениях;

• оптимизация динамических процессов при запуске.

Для решения этих задач КБ химмаш изготовило модернизированный двигатель С5.86А № 2А, турбонасосный агрегат которого впервые оснащался пусковой турбиной, модернизированными основной турбиной и насосом горючего. Модернизирован тракт охлаждения камеры сгорания и перепрофилирована игла дросселя соотношения компонентов топлива.

Огневое испытание двигателя было проведено 13 сентября 2013 года (содержание метана в СПГ – 94,6%). Программа испытаний предусматривала три включения общей длительностью 1500 секунд (1300 + 100 + 100). Запуск и работа двигателя на режиме проходили нормально, однако на 532 секунде система аварийной защиты сформировала команду на аварийное выключение. Причиной аварии явилось попадание посторонней металлической частицы в проточную часть насоса окислителя.

Несмотря на аварию, С5.86А № 2А проработал достаточно долгое время. Впервые был проведен запуск двигателя, предназначенного для использования в составе ракетной ступени, требующей многократного запуска, по реализованной схеме с применением бортового пополняемого аккумулятора давления. Получен устойчивый режим работы при заданном режиме по тяге и максимальном из реализованных ранее соотношении расходов компонентов топлива. Определены возможные резервы по форсированию тяги и повышению соотношения расходов компонентов топлива.

Сейчас КБ химмаш завершает изготовление нового экземпляра С5.86 для испытаний на максимально возможный ресурс по времени работы и количеству включений. Он должен стать прототипом реального двигателя на топливе «ЖК + СПГ», который придаст новое качество верхним ступеням ракет-носителей и вдохнет жизнь в многоразовые транспортные системы. С их помощью космос станет доступным не только для исследователей и изобретателей, но, возможно, и просто для путешественников.

Алексей Яковлев,

главный конструктор по криогенным двигателям КБ химмаш имени А. М. Исаева

Материал опубликован в журнале ROOM, главный редактор И. АШУРБЕЙЛИ

Опубликовано 14 октября в выпуске № 5 от 2015 года

Подробнее: www.vko.ru



 
 
 
 
 

 
 
 
Новости Роскосмоса
     
 
  16.10.2017

ИКИ РАН. ВПЕРВЫЕ ЗАРЕГИСТРИРОВАН МОМЕНТ СЛИЯНИЯ ДВУХ НЕЙТРОННЫХ ЗВЁЗД
 
  11.10.2017

ЦНИИМАШ. МАКЕТ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ Н-1 ПЕРЕДАН В ЭКСПОЗИЦИЮ ЦЕНТРА «КОСМОНАВТИКА И АВИАЦИЯ» НА ВДНХ
 
  07.10.2017

#СПУТНИК60. ВЫСТАВКИ В МОСКОВСКИХ ПАРКАХ
 
 
 
 
Аренда
     
  Охраняемый комплекс, общей площадью порядка 4700 кв.м., стоимость за 1 кв.м. приблизительно 150 руб. в месяц. Обеспечен инженерными коммуникациями. Тел. для справок (496) 546-37-30  
 
 
Наш адрес
     
  Россия, 141320,
Московская обл.,
Сергиево-Посадский район,
г. Пересвет,
ул. Бабушкина, д. 9
 
 
 

web-master