يقف عالم الصواريخ والفضاء على مفترق طرق: تتطلب الاتجاهات العالمية تقليل التكلفة وزيادة السلامة البيئية لخدمات الفضاء. يتعين على المصممين ابتكار محركات صاروخية جديدة تعمل بالوقود السائل (LREs) باستخدام أنواع وقود صديقة للبيئة ، لتحل محل الهيدروجين السائل الباهظ الثمن ، والمستهلك للطاقة للغاية ، بالغاز الطبيعي المسال الرخيص (LNG) بمحتوى غاز الميثان بنسبة 90-98 في المائة. هذا الوقود المقترن بالأكسجين السائل يجعل من الممكن إنشاء محركات جديدة عالية الكفاءة وغير مكلفة مع أقصى استفادة من عناصر التصميم والمواد والتكنولوجية والإنتاجية الحالية.
الغاز الطبيعي المسال ليس سامًا ؛ فعند حرقه في الأكسجين ، يتكون بخار الماء وثاني أكسيد الكربون. على عكس الكيروسين ، الذي يستخدم على نطاق واسع في تكنولوجيا الصواريخ ، فإن انسكابات الغاز الطبيعي المسال تتبخر بسرعة دون الإضرار بالبيئة.
الاختبارات الأولى
درجة حرارة اشتعال الغاز الطبيعي مع الهواء والحد الأدنى لتركيزه المتفجر أعلى من تلك الخاصة بالهيدروجين وبخار الكيروسين ، وبالتالي ، في منطقة التركيزات المنخفضة ، بالمقارنة مع أنواع الوقود الهيدروكربوني الأخرى ، فهي أقل انفجارًا.
بشكل عام ، لا يتطلب تشغيل الغاز الطبيعي المسال كوقود للصواريخ أي إجراءات إضافية لمنع الحرائق والانفجارات لم يتم استخدامها من قبل.
كثافة الغاز الطبيعي المسال أعلى بست مرات من كثافة الهيدروجين السائل ، لكنها نصف كثافة الكيروسين. تؤدي الكثافة المنخفضة إلى زيادة مقابلة في حجم خزان الغاز الطبيعي المسال مقارنة بخزان الكيروسين. ومع ذلك ، مع الأخذ في الاعتبار النسبة الأعلى من المؤكسد واستهلاك الوقود (حوالي 3,5 إلى 1 للأكسجين السائل (LC) + وقود الغاز الطبيعي المسال و 2,7 إلى 1 لوقود LOC + الكيروسين) ، فإن الحجم الإجمالي للوقود LNG المزوّد بالوقود "يزيد بمقدار 20 فقط مع الأخذ في الاعتبار تأثير التصلب المبرد للمادة ، وكذلك إمكانية الجمع بين قيعان خزانات الغاز الطبيعي المسال والغاز الطبيعي المسال ، سيكون وزن خزانات الوقود صغيرًا نسبيًا.
وأخيرًا ، لقد تم إتقان إنتاج ونقل الغاز الطبيعي المسال منذ فترة طويلة.
بدأ مكتب تصميم الهندسة الكيميائية (KB Khimmash) الذي يحمل اسم A. M. دراسات وتم اتخاذ قرار لإنشاء محرك جديد باستخدام القاعدة التخطيطية والهيكلية لـ HPC1994 الأكسجين والهيدروجين الحالي بقوة دفع تبلغ 1 تريليون قدم ، وتم تشغيله بنجاح كجزء من المرحلة العليا (المرحلة العليا المبردة) 7,5KRB لمركبة الإطلاق الهندية GSLV MkI (مركبة إطلاق الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض)).

في عام 1996 ، تم إجراء اختبارات الحريق المستقلة لمولد الغاز على LC والغاز الطبيعي كمكونات للوقود ، والتي كانت تهدف بشكل أساسي إلى التحقق من أوضاع بدء التشغيل والتشغيل المستقر - وأكدت 13 إدراجًا تشغيل مولد الغاز وأعطت النتائج التي تم استخدامها في تطوير مولدات الغاز المختزلة العاملة في الدوائر المفتوحة والمغلقة.
في أغسطس وسبتمبر 1997 ، أجرى مكتب تصميم Khimmash اختبارات الحريق لكتلة التوجيه لمحرك KVD1 (باستخدام الغاز الطبيعي أيضًا بدلاً من الهيدروجين) ، حيث انحرفت الغرفة في طائرتين بزاوية ± 39,5 درجة (الاتجاه - 200 كجم ق ) مدمجة في تصميم واحد ، الضغط في الغرفة - 40 كجم / سم 2) ، صمامات التشغيل والإيقاف ، نظام الإشعال الناري والمحركات الكهربائية - دخلت وحدة التوجيه القياسية KVD1 من خلال ستة شوائب مع وقت تشغيل إجمالي يزيد عن 450 ثانية والضغط في الحجرة في حدود 42-36 كجم / سم 2. أكدت نتائج الاختبار إمكانية إنشاء حجرة صغيرة باستخدام الغاز الطبيعي كمبرد.
في أغسطس 1997 ، بدأ مكتب تصميم Khimmash في إطلاق اختبارات لمحرك دائرة مغلقة بالحجم الكامل بقوة دفع 7,5 تريليون قدم باستخدام وقود ZhK + LNG. كان أساس التصنيع عبارة عن محرك KVD1 ذو دائرة مغلقة معدلة مع الاحتراق اللاحق لغاز مولد الغاز المختزل وتبريد الغرفة بالوقود.
تم تعديل مضخة المؤكسد القياسية KVD1: تمت زيادة قطر المكره للمضخة لتوفير نسبة الضغط المطلوبة لمضخات الوقود والمؤكسد. كما تم تعديل الضبط الهيدروليكي لخطوط المحرك لضمان النسبة المحسوبة للمكونات.
تضمن استخدام المحرك النموذجي ، الذي اجتاز في السابق دورة من اختبارات الحريق على الوقود "LC + الهيدروجين السائل" ، الحد الأقصى من خفض تكلفة الدراسة.
جعلت الاختبارات الباردة من الممكن وضع منهجية لإعداد المحرك والوقوف للعمل الساخن من حيث ضمان المعلمات المطلوبة للغاز الطبيعي المسال في الخزانات القائمة ، وتبريد المؤكسد وخطوط الوقود إلى درجات الحرارة التي تضمن التشغيل الموثوق للمضخات أثناء فترة بدء التشغيل وبدء تشغيل المحرك بشكل مستقر ومستقر.
تم إجراء أول اختبار لإطلاق النار للمحرك في 22 أغسطس 1997 في جناح الشركة ، والذي يسمى اليوم مركز البحث والاختبار الخاص بصناعة الصواريخ والفضاء (SIC RCP). في ممارسة مكتب تصميم خماش ، كانت هذه الاختبارات أول تجربة لاستخدام الغاز الطبيعي المسال كوقود لمحرك دائرة مغلقة بالحجم الكامل.
كان الهدف من الاختبار هو الحصول على نتيجة ناجحة بسبب بعض الانخفاض في المعلمات وتسهيل تشغيل المحرك.
تم تنفيذ التحكم في الإخراج إلى النظام والتشغيل في النظام باستخدام منظمات الدفع ونسبة استهلاك مكونات الوقود باستخدام خوارزميات HPC1 ، والتي تأخذ في الاعتبار التأثير المتبادل لقنوات التحكم.
اكتمل برنامج أول اختبار إطلاق لمحرك الدائرة المغلقة بالكامل. عمل المحرك في الوقت المحدد ، ولم تكن هناك تعليقات على حالة الجزء المادي.
أكدت نتائج الاختبار الإمكانية الأساسية لاستخدام الغاز الطبيعي المسال كوقود في وحدات محرك الأكسجين والهيدروجين.
الكثير من الغاز - لا فحم الكوك
بعد ذلك ، استمرت الاختبارات بهدف إجراء دراسة أكثر تعمقًا للعمليات المرتبطة باستخدام الغاز الطبيعي المسال ، واختبار تشغيل وحدات المحرك في ظروف تطبيق أوسع ، وتحسين حلول التصميم.
في المجموع ، من 1997 إلى 2005 ، أجريت خمسة اختبارات حريق لنسختين من محرك KVD1 ، تم تكييفهما لاستخدام وقود ZhK + LNG ، واستمرت من 17 إلى 60 ثانية ، وكان محتوى الميثان في الغاز الطبيعي المسال من 89,3 إلى 99,5 بالمائة.
بشكل عام ، أتاحت نتائج هذه الاختبارات تحديد المبادئ الأساسية لتطوير المحرك ووحداته باستخدام وقود ZhK + CNG والانتقال إلى المرحلة التالية من البحث في عام 2006 ، والتي تتضمن التطوير والتصنيع والاختبار من محرك C5.86. تم تصميم غرفة الاحتراق ومولد الغاز ووحدة المضخة التوربينية وأدوات التحكم الخاصة بهذه الأخيرة بشكل هيكلي ومعالمي خصيصًا للتشغيل على الوقود "LC + LNG".
بحلول عام 2009 ، تم إجراء اختبارين للحريق لمحركات C5.86 لمدة 68 و 60 ثانية مع محتوى غاز الميثان في الغاز الطبيعي المسال بنسبة 97,9 و 97,7 في المائة.
تم الحصول على نتائج إيجابية في إطلاق وإغلاق LRE ، والتشغيل في ظروف الحالة المستقرة من حيث الدفع ونسبة مكونات الوقود (وفقًا لإجراءات التحكم). لكن إحدى المهام الرئيسية - التحقق التجريبي من عدم تراكم الطور الصلب في مسار تبريد الغرفة (فحم الكوك) وفي مسار الغاز (السخام) مع تشغيل طويل بما فيه الكفاية - لا يمكن إجراؤها بسبب الحجم المحدود لمنصة الغاز الطبيعي المسال الخزانات (كانت أقصى مدة تبديل 68 ثانية).). لذلك ، في عام 2010 ، تقرر تجهيز المنصة لاختبارات الحريق لمدة لا تقل عن 1000 ثانية.
كمكان عمل جديد ، تم استخدام موقف مركز الأبحاث التابع للحزب الشيوعي الروسي لاختبار محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل الأكسجين والهيدروجين ، والتي تحتوي على خزانات بالحجم المناسب. استعدادًا للاختبار ، تم أخذ خبرة كبيرة في الاعتبار ، والتي تم الحصول عليها مسبقًا خلال سبعة اختبارات إطلاق. في الفترة من يونيو إلى سبتمبر 2010 ، تم الانتهاء من أنظمة الهيدروجين السائل لاستخدام الغاز الطبيعي المسال ، وتم تثبيت محرك C5.86 رقم 2 على المنصة ، وفحوصات شاملة للقياس ، والتحكم ، وأنظمة الحماية في حالات الطوارئ ، وتنظيم النسبة من مكونات الوقود والضغط في غرفة الاحتراق.
تم ملء خزانات الاختبار بالوقود من خزان النقل للناقلة (الحجم - 56,4 م 3 مع إعادة التزود بالوقود 16 طنًا) باستخدام وحدة تعبئة الغاز الطبيعي المسال ، بما في ذلك المبادل الحراري والمرشحات والصمامات وأدوات القياس. بعد اكتمال ملء الخزانات ، تم تبريد خطوط مقاعد البدلاء لتزويد مكونات الوقود إلى المحرك وملؤها.
بدأ المحرك وعمل بشكل طبيعي. حدثت تغييرات في النظام وفقًا لتأثير نظام التحكم. بدءًا من 1100 ثانية ، كانت درجة حرارة غاز مولد الغاز تتزايد باستمرار ، ونتيجة لذلك تم اتخاذ قرار بإيقاف المحرك. تم الإغلاق عند الأمر في 1160 ثانية دون تعليق. كان سبب الزيادة في درجة الحرارة هو تسرب مخرج مخرج مسار تبريد غرفة الاحتراق الذي حدث أثناء الاختبار - صدع في اللحام لتركيب عملية مسدودة مثبتة على المشعب.
أتاح تحليل نتائج اختبار الحريق استنتاج ما يلي:
- أثناء التشغيل ، كانت معلمات المحرك مستقرة في أوضاع مع مجموعات مختلفة من نسبة استهلاك مكونات الوقود (2,42 إلى 1 - 3,03 إلى 1) والتوجه (6311 - 7340 كجم) ؛
- أكد عدم وجود تكوينات المرحلة الصلبة في مسار الغاز وعدم وجود رواسب فحم الكوك في المسار السائل للمحرك ؛
- الحصول على البيانات التجريبية اللازمة لتحسين منهجية حساب تبريد غرفة الاحتراق عند استخدام الغاز الطبيعي المسال كمبرد ؛
- تمت دراسة ديناميات خروج مجرى التبريد لغرفة الاحتراق إلى النظام الحراري الثابت ؛
- أكد على صحة الحلول التقنية لضمان الإطلاق والتحكم والتنظيم وأشياء أخرى ، مع مراعاة خصائص الغاز الطبيعي المسال.
- يمكن استخدام المحرك C5.86 الذي يتم تطويره بقوة دفع 7,5 تريليون قدم (بمفرده أو مجتمعة) كمحرك داعم في المراحل العليا والمراحل العليا من مركبات الإطلاق ؛
أكدت النتائج الإيجابية لاختبارات الحريق جدوى إجراء مزيد من التجارب على إنشاء محرك يعمل بوقود ZhK + LNG.
في اختبار الحريق التالي في عام 2011 ، تم تشغيل المحرك مرتين. قبل الإغلاق الأول ، عمل المحرك لمدة 162 ثانية. في البداية الثانية ، تم إجراؤها لتأكيد عدم تكوين الطور الصلب في مسار الغاز ورواسب فحم الكوك في المسار السائل ، تم تحقيق مدة تشغيل قياسية لمحرك بهذا البعد مع بداية واحدة - 2007 ثانية ، و كما تم تأكيد إمكانية الاختناق بالضغط. تم إنهاء الاختبار بسبب تطوير مكونات الوقود. كان إجمالي وقت التشغيل لهذا المحرك 3389 ثانية (أربعة شوائب). أكد الفحص الذي تم إجراؤه عدم وجود تكوينات من المرحلة الصلبة وفحم الكوك في مجاري المحرك.
أكد مجمع الأعمال الحسابية-النظرية والتجريبية مع C5.86 رقم 2:
- الاحتمال الأساسي لإنشاء محرك بالأبعاد المطلوبة على زوج الوقود من مكونات "LC + LNG" مع الاحتراق اللاحق لغاز المولد المختزل ، مما يضمن الحفاظ على الخصائص المستقرة والغياب العملي لمرحلة صلبة في مسارات الغاز ورواسب فحم الكوك في المسارات السائلة للمحرك ؛
- إمكانية التشغيل والإيقاف المتعدد للمحرك ؛
- إمكانية تشغيل المحرك على المدى الطويل ؛
- صحة الحلول التقنية المعتمدة لضمان الإطلاق المتعدد والتحكم والتنظيم ، مع مراعاة خصائص الغاز الطبيعي المسال والحماية في حالات الطوارئ ؛
- قدرات حامل SIC RCP للاختبار على المدى الطويل.
أيضًا ، جنبًا إلى جنب مع مركز الأبحاث في RCP ، تم تطوير تقنية لنقل كميات كبيرة من الغاز الطبيعي المسال وإعادة التزود بالوقود والتحكم في درجة الحرارة ، كما تم تطوير حلول تكنولوجية قابلة للتطبيق عمليًا على إجراءات إعادة تزويد منتجات الطيران بالوقود.
الغاز الطبيعي المسال - الطريق إلى رحلات جوية قابلة لإعادة الاستخدام
نظرًا لحقيقة أن مكونات وتجميعات المحرك التوضيحي C5.86 رقم 2 لم يتم تحسينها بالقدر المناسب بسبب التمويل المحدود ، لم يكن من الممكن حل عدد من المهام بشكل كامل ، بما في ذلك:
توضيح الخصائص الفيزيائية الحرارية للغاز الطبيعي المسال كمبرد ؛
الحصول على بيانات إضافية للتحقق من تقارب خصائص الوحدات الرئيسية في محاكاة المياه والعمل على الغاز الطبيعي المسال ؛
التحقق التجريبي من التأثير المحتمل لتكوين الغاز الطبيعي على خصائص الوحدات الرئيسية ، بما في ذلك مسارات التبريد لغرفة الاحتراق ومولد الغاز ؛
تحديد خصائص LRE في مجموعة واسعة من أوضاع التشغيل والمعلمات الرئيسية لكل من عمليات إطلاق النار الفردية والمتعددة ؛
تحسين العمليات الديناميكية عند بدء التشغيل.
لحل هذه المشكلات ، قام مكتب تصميم Khimmash بتصنيع محرك S5.86A رقم 2A حديث ، تم تجهيز وحدة المضخة التوربينية لأول مرة بتوربينات انطلاق وتوربين رئيسي حديث ومضخة وقود. تم تحديث مسار تبريد غرفة الاحتراق وإعادة تشكيل إبرة دواسة الوقود.
تم إجراء اختبار الحريق للمحرك في 13 سبتمبر 2013 (نسبة غاز الميثان في الغاز الطبيعي المسال 94,6٪). تضمن برنامج الاختبار ثلاثة شوائب بمدة إجمالية قدرها 1500 ثانية (1300 + 100 + 100). كان بدء وتشغيل المحرك في الوضع طبيعيًا ، ومع ذلك ، في 532 ثانية ، أصدر نظام الحماية في حالات الطوارئ أمر إيقاف طارئ. كان سبب الحادث هو دخول جسيم معدني غريب في مسار تدفق مضخة المؤكسد.
على الرغم من الحادث ، عملت C5.86A رقم 2A لفترة طويلة. لأول مرة ، تم إطلاق محرك مصمم للاستخدام كجزء من مرحلة الصواريخ التي تتطلب عمليات إطلاق متعددة وفقًا للمخطط المنفذ باستخدام مجمع ضغط قابل لإعادة الشحن على متن الطائرة. يتم الحصول على وضع تشغيل مستقر لطريقة دفع معينة والحد الأقصى لنسبة استهلاك الوقود المطبقة مسبقًا. يتم تحديد الاحتياطيات الممكنة لتعزيز الدفع وزيادة نسبة استهلاك مكونات الوقود.
تستكمل KB Khimmash الآن تصنيع نسخة جديدة من C5.86 لاختبارها لأقصى قدر ممكن من الموارد من حيث وقت التشغيل وعدد الإضافات. يجب أن يصبح نموذجًا أوليًا لمحرك حقيقي يتم تشغيله بواسطة LK + LNG ، مما يمنح جودة جديدة للمراحل العليا من مركبات الإطلاق وينفخ الحياة في أنظمة النقل القابلة لإعادة الاستخدام. بمساعدتهم ، ستصبح المساحة متاحة ليس فقط للباحثين والمخترعين ، ولكن ربما للمسافرين فقط.