Foguete e mundo espacial em uma encruzilhada: as tendências globais exigem custos mais baixos e maior segurança ambiental dos serviços espaciais. Os projetistas precisam inventar novos motores de foguete de propelente líquido (LPRE) usando combustíveis ecológicos, substituindo o hidrogênio líquido caro e com alto consumo de energia por gás natural liquefeito (GNL) barato com um teor de metano de 90-98 por cento. Este combustível, juntamente com o oxigênio líquido, torna possível criar novos motores altamente eficientes e baratos com o máximo aproveitamento dos elementos já existentes de design, material, tecnologia e acúmulo de produção.
O GNL não é tóxico e, quando queimado em oxigênio, forma-se vapor de água e dióxido de carbono. Ao contrário do querosene, amplamente utilizado em foguetes, os derramamentos de GNL evaporam rapidamente sem prejudicar o meio ambiente.
Primeiros testes
A temperatura de ignição do gás natural com ar e o limite inferior de sua concentração explosiva são superiores aos dos vapores de hidrogênio e querosene, portanto, na região de baixas concentrações, em comparação com outros combustíveis hidrocarbonetos, é menos explosivo.
Em geral, a operação do GNL como combustível de foguete não requer quaisquer medidas adicionais de prevenção de incêndio e explosão que não tenham sido utilizadas anteriormente.
A densidade do GNL é seis vezes maior do que o hidrogênio líquido, mas metade da do querosene. A densidade mais baixa leva a um aumento correspondente no tamanho do tanque de GNL em comparação com o tanque de querosene. No entanto, levando em consideração a maior proporção de oxidante e consumo de combustível (é de aproximadamente 3,5 para 1 para o oxigênio líquido (LC) + combustível LNG e 2,7 para 1 para o combustível ZhK + querosene), o volume total do combustível ZhK + LNG reabastecido aumenta apenas 20 por cento. Levando em consideração o efeito do endurecimento criogênico do material, bem como a possibilidade de combinar o fundo dos tanques LC e LNG, o peso dos tanques de combustível será relativamente pequeno.
E, finalmente, a produção e o transporte de GNL foram dominados há muito tempo.
O Design Bureau of Chemical Engineering (KB Khimmash) em homenagem a AM Isaev em Korolev, região de Moscou, começou a trabalhar (como se viu, estendendo-se por anos devido ao financiamento muito escasso) no desenvolvimento de combustível ZhK + LNG em 1994, quando o projeto - estudos de projeto e uma decisão foram feitos para criar um novo motor usando a base esquemática e estrutural do HPC1 de oxigênio-hidrogênio existente com um empuxo de 7,5 tf, operado com sucesso como parte do estágio superior (Estágio Superior Criogênico) 12KRB do veículo de lançamento indiano GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
Em 1996, foram realizados testes de disparo autônomo de um gerador de gás utilizando líquido líquido e gás natural como componentes do combustível, que visavam principalmente a verificação dos modos de partida e operação estável - 13 inclusões confirmaram a operabilidade do gerador de gás e deram a resultados que foram usados no desenvolvimento de geradores de gás de recuperação operando em esquemas abertos e fechados.
Em agosto-setembro de 1997, o Khimmash Design Bureau conduziu testes de incêndio da unidade de direção do motor KVD1 (também usando gás natural em vez de hidrogênio), nos quais uma câmara desviada em dois planos em um ângulo de ± 39,5 graus foi combinada em um estrutura única (empuxo - 200 kgf, pressão da câmara - 40 kg / cm2), válvulas de partida e parada, sistema de ignição pirotécnica e acionamentos elétricos - uma unidade de direção KVD1 padrão passou seis partidas com um tempo total de operação de mais de 450 segundos e uma câmara pressão na faixa de 42–36 kg / cm2. Os resultados dos testes confirmaram a possibilidade de criar uma pequena câmara usando gás natural como refrigerante.
Em agosto de 1997, KB Khimmash começou a testar um motor de circuito fechado de tamanho real com um empuxo de 7,5 tf com combustível ZhK + LNG. A base para a fabricação foi um motor KVD1 modificado de circuito fechado com pós-combustão do gás do gerador de gás redutor e resfriamento da câmara com combustível.
A bomba oxidante padrão KVD1 foi modificada: o diâmetro do impulsor da bomba foi aumentado para garantir a proporção necessária do oxidante e das cabeças da bomba de combustível. Além disso, o ajuste hidráulico das linhas do motor foi corrigido para garantir a proporção calculada dos componentes.
A utilização do motor protótipo, que havia passado anteriormente no ciclo de testes de ignição em LCD + hidrogênio líquido combustível, proporcionou a redução máxima nos custos de pesquisa.
Os testes de frio possibilitaram elaborar o método de preparação do motor e do suporte para trabalho a quente no sentido de garantir os parâmetros exigidos de GNL em tanques de bancada, resfriar o oxidante e as tubulações de combustível a temperaturas que garantam o funcionamento confiável das bombas durante o período de partida e partida estável e estável do motor.
O primeiro teste de incêndio do motor ocorreu em 22 de agosto de 1997, no estande da empresa, que hoje é denominado Centro de Testes Científicos da Indústria de Foguetes e Espaciais (SRC RCP). Na prática de KB Khimmash, esses testes foram a primeira experiência de uso de GNL como combustível para um motor de circuito fechado de tamanho real.
O objetivo do teste era obter um resultado bem-sucedido devido a alguma redução nos parâmetros e facilitação das condições de operação do motor.
O controle de chegar ao modo e operar no modo foi realizado por meio de controladores de aceleração e a relação do consumo dos componentes do combustível por meio dos algoritmos HPC1, levando em consideração a interação dos canais de controle.
O programa do primeiro teste de ignição do motor em circuito fechado foi concluído na íntegra. O motor funcionou por um tempo determinado, não houve comentários sobre o estado da peça de material.
Os resultados dos testes confirmaram a possibilidade fundamental de usar GNL como combustível nas unidades de um motor de oxigênio-hidrogênio.
Há muito gás - sem coca
Posteriormente, os testes foram continuados com o objetivo de um estudo mais aprofundado dos processos associados à utilização do GNL, verificando o funcionamento das unidades motoras em condições de aplicação mais amplas e otimizando as soluções de projeto.
No total, de 1997 a 2005, foram realizados cinco testes de queima de duas cópias do motor KVD1, adaptadas para o uso do combustível ZhK + LNG, com duração de 17 a 60 segundos, teor de metano no GNL - de 89,3 a 99,5 por cento..
No conjunto, os resultados destes testes permitiram determinar os princípios básicos do desenvolvimento do motor e das suas unidades ao utilizar combustível “ZhK + LNG” e avançar em 2006 para a próxima fase de investigação envolvendo o desenvolvimento, fabrico e teste do motor C5.86. A câmara de combustão, o gerador de gás, a unidade turbo-bomba e os reguladores deste último são estrutural e parametricamente feitos especificamente para operação com combustível ZhK + LNG.
Em 2009, dois testes de incêndio dos motores C5.86 com duração de 68 e 60 segundos foram realizados com um conteúdo de metano no GNL de 97, 9 e 97,7 por cento.
Resultados positivos foram obtidos na partida e parada do motor de propelente líquido, operando em regime permanente em termos de empuxo e relação dos componentes do combustível (de acordo com as ações de controle). Mas uma das principais tarefas - a verificação experimental da ausência de acúmulo de fase sólida no trajeto de resfriamento da câmara (coque) e no trajeto do gás (fuligem) com voltas suficientemente longas - não pôde ser realizada devido ao volume limitado de tanques de LNG de bancada (a duração máxima de ativação foi de 68 segundos). Assim, em 2010, foi decidido equipar o estande para a realização de testes de tiro com duração mínima de 1000 segundos.
Como um novo local de trabalho, a bancada de testes NRC RCP foi usada para testar motores de foguete de propelente líquido de oxigênio-hidrogênio, que tem capacidades do volume correspondente. Na preparação para o teste, a experiência significativa adquirida anteriormente durante os sete testes de incêndio foi levada em consideração. No período de junho a setembro de 2010, os sistemas de bancada de hidrogênio líquido foram refinados para o uso de GNL, o motor C5.86 nº 2 foi instalado na bancada, testes abrangentes de medição, controle, sistemas de proteção de emergência e foi realizada a regulação da relação entre o consumo de combustível e a pressão na câmara de combustão.
Os tanques de bancada foram abastecidos com combustível do tanque de transporte do tanque de reabastecimento (volume - 56,4 m3 com reabastecimento de 16 toneladas) por meio de uma unidade de reabastecimento de GNL, incluindo trocador de calor, filtros, válvulas de corte e instrumentos de medição. Após o enchimento dos tanques, as linhas de bancada de abastecimento dos componentes do combustível ao motor foram resfriadas e abastecidas.
O motor ligou e funcionou normalmente. As mudanças no regime ocorreram de acordo com as influências do sistema de controle. A partir de 1100 segundos, a temperatura do gás do gerador de gás aumentou constantemente, e como resultado foi tomada a decisão de desligar o motor. O desligamento ocorreu por comando em 1160 segundos, sem quaisquer comentários. A razão para o aumento da temperatura foi o vazamento do coletor de saída do caminho de resfriamento da câmara de combustão que surgiu durante o teste - uma rachadura na costura de solda do bico de processo conectado instalado no coletor.
A análise dos resultados do teste de incêndio realizado permitiu concluir:
- no processo de operação, os parâmetros do motor eram estáveis em modos com várias combinações da relação entre o consumo dos componentes do combustível (2,42 para 1 - 3,03 para 1) e empuxo (6311 - 7340 kgf);
-confirmou a ausência de formações de fase sólida no trajeto do gás e a ausência de depósitos de coque no trajeto do líquido do motor;
- foram obtidos os dados experimentais necessários para refinar o método de cálculo do resfriamento da câmara de combustão ao usar GNL como resfriador;
- foi estudada a dinâmica da saída do canal de resfriamento da câmara de combustão para o regime térmico em regime permanente;
-confirmou a correção das soluções técnicas para garantir o start-up, controle, regulação e outras coisas, levando em consideração as peculiaridades do GNL;
-desenvolvido C5.86 com um empuxo de 7,5 tf pode ser usado (sozinho ou em combinação) como um motor de propulsão em estágios superiores promissores e estágios superiores de veículos lançadores;
- os resultados positivos dos testes de queima confirmaram a viabilidade de novos experimentos para criar um motor movido a combustível ZhK + LNG.
No teste de incêndio seguinte, em 2011, o motor foi ligado duas vezes. Antes do primeiro desligamento, o motor funcionou por 162 segundos. No segundo arranque, efectuado para confirmar a ausência de formação de fase sólida no percurso do gás e depósitos de coque no percurso do líquido, obteve-se uma duração recorde de funcionamento de um motor desta dimensão com arranque único - obteve-se 2007 segundos, bem como a possibilidade de throttling de empuxo foi confirmada. O teste foi interrompido devido ao esgotamento dos componentes do combustível. O tempo total de operação desta instância do motor foi de 3389 segundos (quatro partidas). A detecção de falhas realizada confirmou a ausência de fase sólida e formação de coque nos caminhos do motor.
Um conjunto de trabalhos teóricos e experimentais com C5.86 No. 2 confirmou:
- a possibilidade fundamental de criar um motor com as dimensões exigidas no par combustível dos componentes "ZhK + LNG" com a pós-combustão do gás do gerador redutor, o que garante a manutenção de características estáveis e a ausência prática de fase sólida no caminhos de gás e depósitos de coque nos caminhos de líquido do motor;
-a possibilidade de múltiplas partidas e paradas do motor;
-a possibilidade de operação do motor a longo prazo;
- a correção das soluções técnicas adotadas para garantir o múltiplo arranque, controlo, regulação, tendo em conta as características do GNL e da proteção de emergência;
-Capacidades do NIC RCP significam testes de longo prazo.
Além disso, em cooperação com a NRC RCP, foi desenvolvida uma tecnologia para transporte, reabastecimento e termostatização de grandes massas de GNL e foram desenvolvidas soluções tecnológicas que são praticamente aplicáveis para o procedimento de reabastecimento de produtos de voo.
GNL - o caminho para voos reutilizáveis
Devido ao fato de que os componentes e conjuntos do motor de demonstração C5.86 No. 2, devido ao financiamento limitado, não foram otimizados na medida adequada, não foi possível resolver completamente uma série de problemas, incluindo:
clarificação das propriedades termofísicas do LNG como refrigerante;
obtenção de dados adicionais para verificar a convergência das características das unidades principais em simulação na água e operação em GNL;
verificação experimental da possível influência da composição do gás natural nas características das unidades principais, incluindo as vias de refrigeração da câmara de combustão e do gerador de gás;
determinação das características dos motores de foguete de propelente líquido em uma ampla gama de mudanças nos modos de operação e parâmetros básicos, tanto com partidas simples como múltiplas;
otimização de processos dinâmicos na inicialização.
Para resolver esses problemas, KB Khimmash fabricou um motor C5.86A No. 2A atualizado, cuja unidade turbo-bomba foi pela primeira vez equipada com uma turbina de partida, uma turbina principal atualizada e uma bomba de combustível. O caminho de resfriamento da câmara de combustão foi modernizado e a agulha do acelerador de proporção de combustível foi redesenhada.
O teste de incêndio do motor foi realizado em 13 de setembro de 2013 (teor de metano no GNL - 94,6%). O programa de teste forneceu três interruptores com uma duração total de 1500 segundos (1300 + 100 + 100). A partida e a operação do motor no modo ocorreram normalmente, mas aos 532 segundos o sistema de proteção de emergência gerou um comando de desligamento de emergência. A causa do acidente foi a entrada de uma partícula de metal estranho no caminho do fluxo da bomba oxidante.
Apesar do acidente, o C5.86A No. 2A funcionou por muito tempo. Pela primeira vez, foi lançado um motor, destinado a ser utilizado como parte de um estágio de foguete, que requer múltiplos arranques, de acordo com o esquema implementado usando um acumulador de pressão recarregável a bordo. Um modo de operação estável foi obtido para um determinado modo de empuxo e o máximo da relação anteriormente realizada de consumo de componentes de combustível. As reservas possíveis para impulsionar o impulso e aumentar a proporção do consumo de componentes de combustível foram determinadas.
Agora KB Khimmash está concluindo a fabricação de uma nova cópia do C5.86 para testar o máximo de recursos possível em termos de tempo de operação e número de partidas. Deve se tornar um protótipo de um motor real com combustível ZhK + LNG, que dará uma nova qualidade aos estágios superiores dos veículos de lançamento e dará vida aos sistemas de transporte reutilizáveis. Com a ajuda deles, o espaço ficará disponível não apenas para pesquisadores e inventores, mas, possivelmente, apenas para viajantes.
