История и перспективы метановых проектов

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

т*

Рис. 2. Окончание

Всего в ходе исследования рассматривалось 5 моделей: Spalart - Allmaras, k - epsilon (Extended Wall Function), k - epsilon (Low Re Yang - Shih), SST, SST Transitional. Выбор данных моделей турбулентности для исследования обусловлен анализом литературы по вычислительной газовой динамике и моделированию течения в турбомашинах.

Характеристики компрессора, полученные с использованием различных моделей турбулентности, представлены на рис. 2. Там же приведены точки, полу-

ченные при экспериментальном исследовании компрессора в ОАО «Кузнецов». Из анализа полученных данных следует, что характер протекания КПД - характеристик для всех моделей турбулентности одинаков и отличается только уровнем КПД. Результаты, наиболее близкие к экспериментальным показывает расчетная модель использующая модель турбулентности k - epsilon (Low Re Yang - Shih).

© Кривцов А. В., 2012

УДК 621.454.2.01

И. А. Куимов Научный руководитель - К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ МЕТАНОВЫХ ПРОЕКТОВ

Рассматривается проблема разработки жидкостных ракетных двигателей на топливе жидкий кислород-жидкий метан. Дан обзор современного состояния проблемы.

Глобальная тенденция ограничения стоимости космических услуг и обеспечение их экологической безопасности ставит перед конструкторами задачу созданию жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) на экологически чистых, дешевых компонентах при максимально возможном использовании элементов существующих двигателей, конструкторского, материального, технологического и производственного задела.

Одним из таких путей является создание новых двигателей на базе существующего кислородно-водородного ЖРД путем замены дорогого компонента водорода, более дешевым, сжиженным природным газом с содержанием метана 90.. .98 %.

За рубежом большое внимание криогенным углеводородным горючим вообще и природному газу (ме-

тану) в частности уделялось во время поиска путей создания оптимальных ЖРД для первой ступени многоразовых транспортных космических систем. В частности, теоретически рассматривался ЖРД тягой 340 тс на Земле с многоступенчатым сгоранием топлива «жидкий кислород - жидкий метан» типа модифицированного маршевого двигателя SSME системы Space Shuttle.

Отечественные разработчики заинтересовались метаном в середине 1990-х годов. Занимая «нишу» между керосином и водородом, метан позволяет достаточно просто создавать двигатели любой принципиальной схемы: замкнутой с окислительным газогенератором (ГГ), замкнутой с восстановительным ГГ, открытой (незамкнутой) и даже такой экзотической

Секция «Двигательные установки и системы терморегулированияЛА и КА»

для отечественного двигателестроения схемы, как т.н. «расширительная» или теплообменная, когда жидкий метан, проходя рубашку охлаждения камеры сгорания, газифицируется и вращает турбину ТНА, а потом сбрасывается в камеру сгорания и дожигается там.

В России ЖРД на природном газе и метане разрабатывают ИЦ имени М. В. Келдыша, НПО «Энерго-маш», КБ «Химмаш», ФПГ «Двигатели НК», НИИМаш и КБ «Химавтоматики».

Для КБ «Химмаш» основным направлением по созданию двигателя стала замена жидкого водорода на СПГ, применительно к кислородно-водородному двигателю КВД-1, тягой 7,5 тс, замкнутой схемы с дожиганием восстановительного газогенераторного газа, 22 августа 1997 состоялись огневые испытания полноразмерного двигателя.

Разработка программы испытаний двигателя и соответственно доработка двигателя проводились с учетом: минимального финансирования работ для изготовления необходимой материальной части; характеристик стенда; недостаточного опыта использования компонентов ЖК + СПГ в полномасштабном двигателе замкнутой схемы; необходимости накопления знаний для решения инженерно-технических проблем и создания двигателя на данных компонентах.

Двигатель отработал заданное время, замечаний по состоянию материальной части после испытания не было. Получен удельный импульс порядка 370 с, что на 15-20 с больше, чем у высотного кислородно-керосинового двигателя [1]. Кроме того, в отличие от керосина, СПГ практически не токсичен. Пятна пролива природного газа быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде. В целом результаты этих испытаний позволили определить основные принципы разработки двигателя и его агрегатов при использовании в качестве компонентов ЖК + СПГ и перейти в 2006 г. к следующему этапу исследования: разработке, изготовлению и испытанию двигателя С5.86.

В мае 2007 года было проведено успешное испытание ЖРД, работающего на компонентах топлива кислород - сжиженный природный газ (СПГ), разработки ФГУП КБ «Химмаш». Продолжительность испытания составила 69 секунд. Данное испытание проводилось в рамках работ по Федеральной космической программе России по созданию ракетных двигателей для перспективных космических средств выведения, в том числе многоразовых, а также в интересах российско-французского сотрудничества в области перспективных средств выведения «УРАЛ».

29 сентября 2010 г. на стенде НИЦ РКП состоялось огневое ресурсное испытание двигателя-демонстратора С5.86.1000-0 № 2. Цели: подтверждение работоспособности двигателя на длительном включении при различных сочетаниях отношений компонентов и давлений в камере; контроль накопления (или подтверждение отсутствия накопления) твердой фазы на внутренних поверхностях газового тракта, включая внутренние поверхности газогенератора, газовода, турбины, форсуночной головки каме-

ры сгорания, и отсутствия коксовых отложений в тракте охлаждения. Была достигнута рекордная продолжительность работы двигателя такой размерности на новой топливной паре при однократном включении - 1160.38 сек. Давление в камере ЖРД при испытании на основном режиме составляло от 50 до 60 кгс/см2, соотношение компонентов топлива - от 2.84 до 3.04.

Также было отмечено, что создание двигателя на компонентах ЖК + СПГ требует продолжения научно-исследовательских, теоретических и экспериментальных работ, направленных на оптимизацию технических решений по обеспечению запуска, управления и регулирования, моделирование режимов работы двигателя и обеспечение его работоспособности. При этом основными проблемами, которые целесообразно решить до перехода к опытно-конструкторской разработке (или одновременно с этим), являются:

- экспериментальная проверка отсутствия накопления твердой фазы при достаточно длительных включениях и после штатного останова, как в тракте охлаждения камеры, так и в газовом тракте (для этого требуется установка на стенд соответствующих емкостей);

- разработка математической модели двигателя с учетом полученных экспериментальных данных;

- проверка сходимости характеристик основных агрегатов (камеры, газогенератора, турбонасосного агрегата) при их использовании, проверках и настройке на воде, СПГ;

- более глубокая оптимизация системы запуска двигателя;

- экспериментальная проверка возможного влияния состава природного газа на характеристики основных агрегатов;

- получение экспериментальных данных по охлаждающим свойствам СПГ, характеру изменения параметров гидравлического тракта камеры на различных режимах работы камеры (при различных температурах и давлениях) [2; 3].

Библиографические ссылки

1. Энергетические возможности кислородно-метановых ЖРД с дожиганием восстановительного газа / И. А. Клепиков, А. В. Цветова, В. Т. Буканов,

B. В. Мирошкин и др. М. : НПО Энергомаш, 2001.

C. 3-11.

2. ЖРД на метановом горючем. История, состояние и перспектива / И. А. Клепиков, В. Т. Буканов, В. В. Мирошкин и др. // Сб. трудов НПО Энергомаш. 2000. № 18. С. 192-204.

3. Морозов В. И., Заславский Е. Л., Морозов Р. Ф., Орлов Н. Н., Смирнов И. А., Яковлев А. Г. Российские жидкостные ракетные двигатели на экологически чистых компонентах топлива для разгонных блоков ракет-носителей // Междунар. науч. журнал «Альтернативная энергетика и экология». № 3. 2008.

© Куимов И. А., 2012