БЕЗОПАСНОСТЬ ВОДОРОДНОЙ ЭКОНОМИКИ. ТЕХНОЛОГИЯ БЕЗОПАСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА БОРТУ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
SAFETY OF HYDROGEN ENERGY. SAFE APPLICATION OF HYDROGEN ON BOARD THE VEHICLES
Статья поступила в редакцию 18.06.15. Ред. per. № 2274 The article has entered in publishing office 18.06.15. Ed. reg. No. 2274
УДК 629.7.036.54
ОБЗОР РАЗРАБОТОК ПО ИСПЫТАНИЮ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ И ПРОБЛЕМАМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ БЕЗОПАСНОСТИ
А.Г. Галеее
ФКП «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности» РФ 141320, Московская область, г. Пересвет, ул. Бабушкина, д. 9 тел.: (8-496) 546-34-75; e-mail: a.galeev@nic-rkp.ru
doi: 10.15518/isjaee.2015.12.002
Заключение совета рецензентов: 25.06.15 Заключение совета экспертов: 02.07.15 Принято к публикации: 09.07.15
В настоящем обзоре представлены работы автора по особенностям экспериментальной отработки (ЭО) кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) 11Д56, 11Д57, РД0120, КВД1 и ряда двигательных и энергетических установок, а также сравнение их отработки с зарубежными данными. Показана роль модельных исследований, автономных испытаний агрегатов, систем и двигателя, в том числе с имитацией полетных условий эксплуатации, и комплексных испытаний при ЭО перспективных двигателей и двигательных установок (ДУ) разгонных блоков. Приведены способы и устройства для обеспечения безопасности наземных испытаний ракетных двигателей и энергетических установок с применением эффективных систем диагностики и аварийной защиты испытаний.
Ключевые слова: ракетный двигатель, энергетическая установка, испытание, безопасность, имитация, водород, диагностика, аварийная защита испытаний.
REVIEW OF DEVELOPMENT ON TESTING ROCKET ENGINES AND POWER PLANTS ON HYDROGEN FUEL AND THE PROBLEM OF ENSURING THEIR SAFETY
A.G. Galeev
FCP Research and Testing Center of Rocket and Space Industry 9 Babushkin Str., Peresvet, Moscow region, 141320 Russian Federation ph.: (8-496) 546-34-75; e-mail: a.galeev@nic-rkp.ru
Referred 25 June 2015 Received in revised form 2 July 2015 Accepted 9 July 2015
The review presents the author's works on features of experimental testing of oxygen-hydrogen liquid rocket engines (LRE) 11D56, 11D57, RD0120, KVD1, RD0146D and a number of propulsion units and power plants, as well as comparison of their testing with foreign data. Moreover this review shows the role of model studies, autonomous testing of units, systems and engine, including the simulation of flight conditions, and complex tests with experimental testing of advanced engines and propulsion systems (PS) of control boosters. There are ways and devices for the safety of ground tests of rocket engines and power plants with the use of effective diagnostic systems and emergency protection tests.
Keywords: rocket engines, power plants, testing, safety, simulation, hydrogen, diagnostic, emergency protection tests.
Галеев Айвенго Гадыевич Aivengo G. Galeev
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, лауреат премии Совета Министров СССР в области науки и техники; действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского; главный научный сотрудник ФКП «НИЦ РКП»; профессор кафедры «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем» Московского авиационного института (национального исследовательского университета); научно-педагогический стаж более 40 лет.
Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Космос-1», «Космос-3», «Н1Л3», «Энергия-Буран», «СЗЬУ», «Ангара» и др.
Образование: Казанский авиационный институт.
Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей и двигательных установок, гидро- и газодинамика процессов в энергоустановках, исследования в области водородной технологии.
Публикации: более 190, в том числе 7 монографий, 6 учебных пособий, 44 авторских свидетельства и патента на изобретения.
Information about the author: DSc
(engineering), professor, Laureate of USSR Council of Ministers in the field of science and technology, a member of the K.E. Tsiolkovsky Russian Academy of Cosmonautics, Chief Researcher of the PCF "SIC RSI", professor of "Management of operation of rocket and space systems" of Moscow Aviation Institute (National Research University); scientific and pedagogical experience of 40 years. He participated in working out a number of systems for missile and space programs "Space-1", "Space-3", "N1L3", "Energia-Buran", "GSLV", "Angara" and others.
Education: Kazan Aviation Institute.
Research area: theory and practice ground tests of rocket engines and moving-enforcement units, hydro and gas dynamics processes in power plants, research in the field of water-native technology.
Publications: more than 190, including 7 monographs, 6 textbooks, 44 patents for inventions.
Введение
К проблемным вопросам при создании ракетных двигателей на водородном топливе относятся: определение характеристик наиболее напряженных узлов и агрегатов ЖРД, разработка эффективных каналов аварийной защиты и методов диагностирования технического состояния двигателя, имитация полетных условий эксплуатации и обеспечение безопасности испытаний.
1. Отработка кислородно-водородных двигателей 11Д56 и их модификаций, 11Д57, РД0120, КВД1 и РД0146Д
Первые ракетные двигатели ЯЬ-10 (тяга 68 кН) и 1-2 (тяга 1 020 кН) с использованием кислородно-водородного топлива были созданы в США в 60-х годах XX века. При этом следует отметить, что исследования по применению водорода в качестве ракетного топлива были начаты в США по инициативе Министерства энергетики еще в 1944 г.
В нашей стране применение кислородно-водородного топлива на верхних ступенях ракеты «Н1-Л3» стали рассматривать в 60-х годах XX века. Соответствующие разработки кислородно-водородных ЖРД 11Д56 тягой 73,5 кН и 11Д57 тягой 392 кН были начаты в ОКБ А.М. Исаева и ОКБ А.М. Люльки в 1962 г., применение которых планировалось на втором этапе при последующей модернизации ракетного комплекса.
Для отработки указанных двигателей в НИИХМ был создан комплекс кислородно-водородных стендов, предусматривающий системный подход в отработке двигателей и их агрегатов на натурных компонентах топлива (стенды В1, В2, В3, В4 и В5). В течение 1962-1967 годов на стендах В1а и В1б были проведены эксперименты по отработке: камер сгорания (КС), газогенераторов (ГГ), турбонасосных агрегатов (ТНА) и двигателей 11Д56 и 11Д57 по замкнутой схеме при кратковременных испытаниях.
С 1964 г. автор данного обзора принимал участие в наземной отработке двигателей 11Д56 и 11Д57 и их модификаций при проведении модельных испытаний элементов, агрегатов и систем, автономных испытаний агрегатов, систем и двигателя в должности начальника стенда В1. На основе этих исследований и разработок в 1974 г. автором была защищена кандидатская диссертация [1].
Комплексные испытания двигателей на первом этапе, как правило, проводятся без имитации условий эксплуатации на входе в двигатель по магистралям окислителя и горючего, а также высотных условий в выходном сечении сопла двигателя. На заключительном этапе условия эксплуатации имитировались специальными устройствами: пусковыми баками в системе питания стенда и выхлопными диффузорами с откачивающими установками в выхлопном тракте двигателя (рис. 1), которые использовались при стендовой отработке двигателей 11Д56, 11Д57 и их модификаций [2].
а)
б)
Рис. 1. Схема имитации высотных условий при испытании двигателя: а) - с выхлопным диффузором; б) - с барокамерой и пароэжекторной установкой; 1 - двигатель; 2 - выхлопной диффузор; 3 - клапан-заслонка; 4 - эжектор; 5 - парогенератор;
6 - барокамера
Fig. 1. Diagram of the simulation of high-altitude conditions during the test engine: a) - an exhaust diffuser; b) - with the pressure chamber and steam jet setting; 1 - the engine; 2 - exhaust diffuser; 3 - throttle valve; 4 - ejector; 5 - steam generator;
6 - pressure chamber
Комплексным огневым испытаниям двигателя в составе ДУ обычно предшествуют холодные испытания ДУ с целью отработки и проверки режимов заправки, наддува, слива и вытеснения компонентов топлива из баков ракеты, систем теплоизоляции баков, поддержания и регулирования расхода и соотношения компонентов топлива, захолаживания магистралей питания двигателя [3].
В последующем на указанных стендах с участием автора отрабатывались системы ядерного ракетного двигателя 11Д410, ЖРД РД0120 (РН «Энергия»), ЖРД КВД1 (Рн в8ЬУ по контракту с Индией), системы ДУ блоков «Р», 12КРБ и «Ц» РН «в8ЬУ» и «Энергия» [4-12], системы МГД-генератора на кислородно-водородном топливе с ионизирующей добавкой калиево-натриевой эвтектики [13-14], теплозащитные композиционные углерод-углеродные материалы для скоростных блоков летательных аппаратов (ЛА) в высокоскоростной струе ЖРД [15, 16].
Автономная отработка агрегатов и систем двигателя РД0120 (КС, ТНА, ГГ) по большей части была проведена на стенде В2 при огневых испытаниях двигателя (74 испытания).
Ввиду отсутствия полноразмерного стенда комплексные испытания двигателя РД0120 с целью отработки конструкции проводились на первом этапе с последовательным увеличением уровня тяги (20 %, 50 %, 75 % и 100 %), что несколько увеличило сроки отработки и общее количество двигателей для этапа доводочных испытаний. На втором этапе на стендах В2 НИИХМ были проведены доводочные и контрольно-технологические испытания (ДИ и КТИ), на стендах 201 и 301 НИИмаш - завершающие доводочные (ЗДИ), ресурсные и контрольно-выборочные испытания (КВИ) двигателя РД0120 и на универсальном комплексе стенд-старт (УКСС) - испытания двигателя РД0120 в составе ДУ блока «Ц» [8, 9], которые позволили успешно провести летные испытания РКК «Энергия».
Следует отметить, что выбор тех или иных видов модельных и автономных испытаний в процессе отработки двигателя зависит от его параметров и схемного исполнения, возможностей стендового комплекса и оборудования, а также опыта и конструктивного задела разработчика по системам двигателя.
В практике создания двигателей известны два метода с
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.