Статья поступила в редакцию 06.10.2011. Ред. рег. № 1123
The article has entered in publishing office 06.10.11. Ed. reg. No. 1123
УДК 629.7.036.54-63
ПРИМЕНЕНИЕ ОПЫТА СОЗДАНИЯ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫХ
ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КБХА В РАЗРАБОТКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В.И. Пригожин, В.С. Рачук, А.Р. Савич, А.В. Шостак
ОАО КБ Химавтоматики 394006 Воронеж, ул. Ворошилова, д. 20 E-mail: cadbik@inbox.ru
Заключение совета рецензентов: 16.10.11 Заключение совета экспертов: 20.10.11 Принято к публикации: 25.10.11
Проанализировано, что при создании автономных систем энергообеспечения водородосжигающие энергоустановки парогазового и паротурбинного циклов при электрических мощностях более 1-10 МВт(э) эффективнее, чем, например, энергоустановки на основе топливных элементов. При больших мощностях стационарных энергетических систем востребованы водородосжигающие и гибридные турбоустановки, в которых могут быть объединены электрохимический и термодинамический методы получения электроэнергии.
Ключевые слова: водородно-кислородные жидкостные ракетные двигатели КБХА, экологически чистые энергоустановки, водородно-кислородные парогенераторы.
CREATION EXPERIENCE APPLICATION OF KBKhA OXYGEN-HYDROGEN LIQUID ROCKET ENGINES IN DEVELOPMENT OF ECOLOGICALLY CLEAR POWER PLANTS OF INDUSTRIAL PURPOSE
V.I. Prigozhin, V.S. Rachuk, A.R. Savich, A.V. Shostak
Design Bureau of Chemical Automatics 20 Voroshilov str., Voronezh, 394006, Russia E-mail: cadbik@inbox.ru
Referred: 16.10.11 Expertise: 20.10.11 Accepted: 25.10.11
It has been analyzed that hydrogen-scorching power-plants of steam-to-gas and steam-turbine cycles at electric powers more than 1-10 MW(e) during creation of autonomous systems are more efficient than, for example, power-plants on the basis of fuel components. At high powers of stationary energy systems there are claimed hydrogen-scorching and hybrid turboplants, that can combine electrochemical and thermodynamic methods of electric power production.
Keywords: KBKhA-developed hydrogen-oxygen liquid rocket engines, ecologically friendly power units, hydrogen-oxygen steam generators.
f** ^ у
Él*
Александр Викторович Шостак
Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент Воронежского государственного технического университета (2005 г.). Академический советник Российской инженерной академии (1998 г.), зам. генерального конструктора Открытого акционерного общества «Конструкторское бюро хи-мавтоматики».
Участвовал в отработке мощного кислородно-водородного ЖРД для второй ступени РН «Энергия» на испытательных стендах НИИХИММАШа, НИИМАШа, в подготовке и проведении огневых стендовых и летных испытаний двигателя в составе блока «Ц» РН «Энергия». Один из организаторов разработки кислородно-керосинового двигателя для третьей ступени РН «Союз-2», РН «Ангара» и других двигателей и установок. Лауреат премии Правительства РФ (1997 г.).
Образование: Харьковский авиационный институт (1979 г.).
Область научных интересов: разработка жидкостных ракетных двигателей.
Публикации: более 20.
Открытое акционерное общество «Конструкторское бюро химавтоматики» (КБХА) является одним из мировых лидеров по созданию жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) для космических ракет-носителей (РН) и межконтинентальных баллистических ракет.
Образованное 13 октября 1941 г., КБХА в годы Великой Отечественной войны вело разработку агрегатов непосредственного впрыска топлива для авиационных моторов, широко эксплуатировавшихся на боевых самолетах.
Начиная с 1958 г. КБ создает ЖРД для РН космического назначения. Установленные на всемирно известных ракетах «Луна», «Восток», «Молния», «Восход», «Союз», «Протон», «Энергия», они обеспечили выполнение целого ряда исторических задач по освоению человеком космоса, в том числе первые в мире полеты к Луне, фотографирование ее обратной стороны, запуск первого человека в космос, первые в мире групповые полеты космонавтов и т. д.
Более 40 лет КБХА осваивает водородные технологии, которые эффективно применяет в создании и отработке ЖРД. Опыт работы с газообразным и жидким водородом, накопленный предприятием за прошедшие десятилетия, сегодня применяется в разработке экологически чистых энергетических установок промышленного назначения.
Работы по водородной тематике в КБХА были начаты в 1965 г. после получения задания на разработку ядерных ракетных двигателей (ЯРД) РД-0410 и РД-0411 тягой 3,6 и 40 тс соответственно. Рабочим телом реакторов данных двигателей был выбран водород, обладающий высокими энергетическими характеристиками. На протяжении 1965-1982 гг. ЯРД РД-0410 был доведен до стадии стендовой отработки.
Автономные доводочные испытания ЯРД проводились на стендах предприятий отрасли: в НИИ химического машиностроения (г. Сергиев-Посад Московской области) и в НИИ машиностроения (г. Нижняя Салда Свердловской области). Одновременно были организованы испытания на жидком и газообразном водороде в КБХА на стендах 1 и 5, при этом использовался водород, изготовленный на собственном криогенном производстве путем электролиза воды, а также приобретенный в НИИ химического машиностроения.
В 1968 г. был проведен физический пуск полноразмерной модели реактора двигателя РД-0410, а в 70-е годы на Семипалатинском полигоне состоялись успешные огневые испытания реактора двигателя, подтвердившие верность решений, заложенных при его проектировании.
Основным преимуществом ЯРД по сравнению с ЖРД является высокий удельный импульс тяги, вдвое превышающий эту характеристику для химических топлив. Тяга ЯРД РД-0410 в пустоте составляет 3,6 тс, удельный импульс тяги в пустоте - 910 кгс-с/кг.
В основу реактора двигателя РД-0410 положена гетерогенная схема, обладающая рядом преиму-
ществ. Среди них возможность получения высокого удельного импульса тяги, возможность создания ЯРД минимальных размеров в условиях использования сравнительно низкотемпературных, но высокоэффективных с точки зрения нейтронной физики материалов, высокая безопасность при сборке и эксплуатации, возможность поэлементной отработки.
Учитывая наличие радиационного излучения, данный двигатель предназначался для использования в составе беспилотных автоматических станций, исследующих дальний космос. До сих пор РД-0410 остается единственным отечественным ядерным ракетным двигателем, прошедшим комплексную отработку. Опыт его создания может быть востребован в перспективных программах изучения планет Солнечной системы и космических объектов, находящихся за ее пределами.
Разработки по ЯРД РД-0411 тягой 40 тс проведены до этапа эскизного проектирования, в ИАЭ им. И.В. Курчатова выполнен большой объем нейтрон-но-физических исследований на физической модели реактора.
Широкий круг научно-технических и производственно-технологических проблем, решенных КБХА и смежными организациями в процессе разработки ЯРД, обеспечил предпосылки для создания ядерных энергодвигательных установок и ядерно-энергетических установок. Полученный экспериментальный материал послужил надежной основой для разработки в КБХА кислородно-водородных ЖРД.
В 1975 г., когда работы по ядерному ракетному двигателю шли еще полным ходом, советские ученые приступили к созданию первой отечественной многоразовой космической системы «Энергия-Буран». КБХА было привлечено к разработке мощного маршевого кислородно-водородного двигателя второй ступени РД-0120 тягой 200 тс для ракеты-носителя «Энергия». Как и в случае с ЯРД, это было принципиально новое задание, так как воронежское предприятие раньше не занималось созданием ЖРД, работающих на кислороде и жидком водороде.
По своей надежности, энергомассовым характеристикам, уровню достигнутых параметров, ресурсу работы и многократности включения, новизне конструкторских и технологических решений, применяемым материалам РД-0120 превзошел все ранее созданные ЖРД подобного типа и не уступает, а по ряду параметров превосходит лучшие мировые образцы, в том числе американский ЖРД 88МЕ такой же размерности, созданный в тот же период для транспортной космической системы «Спейс Шаттл».
Для создания высокоэнергетического двигателя РД-0120, работающего на криогенных компонентах топлива, потребовалось решение целого ряда научных, конструкторских и технологических проблем, которыми занимались десятки КБ, НИИ и заводов страны. Непосредственно в КБХА был построен комплекс металлургического производства, позволяющий изготавливать методом порошковой метал-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
лургии высокопрочные детали для турбонасосного агрегата двигателя. В 1986 г. для обеспечения отработки агрегатов РД-0120 и перспективных кислородно-водородных двигателей в КБХА было начато сооружение водородного комплекса, который включал стенды для проведения испытаний агрегатов на жидком водороде, огневой стенд для отработки двигателей на жидком водороде и жидком кислороде, системы производства, хранения и подачи жидкого водорода на стенды. Строительство комплекса было законсервировано в 1990 г. на этапе приблизительно 50% от общего объема работ по проекту и завершено в значительной мере за счет собственных средств предприятия уже в XXI веке.
Опыт создания РД-0120 и его успешные летные испытания в составе ракетно-космической системы «Энергия-Буран» не прошли даром и оказались востребованы при разработке новых кислородно-водородных ЖРД, в частности, трехкомпонентного двигателя РД-0750, работающего на кислороде, водороде и керосине.
Экспериментальный трехкомпонентный двигатель РД-0750, работы по которому велись с 1994 по 2000 г., выполнен на базе двигателя РД-0120 по восстановительной схеме. Двухрежимность обеспечивается организацией работы трехкомпонентного газогенератора. На первом режиме двигатель работает на кислороде и керосине с небольшой добавкой водорода, на втором режиме используется кислород и водород. К настоящему времени полностью завершена автономная отработка объектового трехкомпо-нентного газогенератора. Проведены модельные и объектовые испытания трехко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.