УДК 629.7.036.54
отработка ракетных двигателей и энергетических установок на водородном топливе и проблемы обеспечения их безопасности
г А.Г. Галеев
ФГУП "НИИХИММАШ", 141320, г. Пересвет, Московская область, Россия Тел. (496) 546-34-75, факс (495) 221-62-82, E-mail: mail@niichimmach.ru
Рассмотрены вопросы по обобщению опыта отработки жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) 11Д56, 11Д57, РД-0120 и ряда энергетических установок, сравнение их отработки с зарубежными двигателями. В представленной статье кратко изложены роль модельных исследований и автономных испытаний агрегатов и систем в процессе создания двигателя и основные принципы обеспечения безопасности наземных испытаний ракетных двигателей и энергетических установок. Подробно указанные проблемы представлены в обзорной лекции автора, опубликованной в журнале «Альтернативная энергетика и экология». 2007, №7 (51), с. 8-21.
Галеев Айвенго Гадыевич, доктор технических наук (1990 г.), профессор (1992 г.), лауреат премии Совета Министров СССР в области науки и техники (1983 г.), действительный член ¿Ь V Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2000 г.), начальник лаборатории ФГУП «НИИХИММАШ», профессор Московского авиационного института (государственного технического университета) и Сергиево-Посадского филиала Московского государственного индустриального университета.
Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Космос-1», «Кос-мос-3», «Н1ЛЗ», «Энергия-Буран», «ОБЬУ» и др. (ракетные двигатели С5.3, 11Д49, 11Д56, 11Д57, РД-0410, РД-0120 и КВД1, ракетные блоки 63С1, 65С2, «Р», «Ц» и 12КРБ, энергетические установки «Фотон» орбитального корабля «Буран» и др.). Образование: Казанский авиационный институт (1961 г.).
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 150 научных работ, в том числе, монографий - 2, учебных пособий - 5, авторских свидетельств и патентов на изобретения - 42.
Введение
К числу проблемных вопросов 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 их безопасности.
1. Отработка кислородно-водородных двигателей 11Д56 и его модификаций, 11Д57 и РД-0120
Первые ракетные двигатели RL-10 (тяга 68 кН) и 1-2 (тяга 1020 кН) с использованием водородного топлива были созданы в США в 60-х годах XX века.
В те годы в нашей стране применение кислородно-водородного топлива предусматривалось на четвертой и пятой ступенях ракеты «Н1-Л3» на втором этапе при последующей модернизации ракетного комплекса: кислородно-водородные ЖРД 11Д56 тягой 73,5 кН и 11Д57 тягой 392 кН (разработки ОКБ А.М. Исаева и ОКБ А.М. Люльки соответственно).
Для отработки указанных двигателей по инициативе академика С.П. Королева в НИИХИММАШ 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 196267 годов на стендах В1а и В1б были проведены экспериментальные работы по отработке камер сгорания (КС), газогенераторов (ГГ), турбонасосных агрегатов
(ТНА) и двигателей 11Д56 и 11Д57 по замкнутой схеме при кратковременных испытаниях. Так, первое огневое испытание двигателя 11Д56 было проведено 31 января 1966 г. С вводом стенда В2 были продолжены ресурсные испытания по определению характеристик двигателей 11Д56 и 11Д57.
В последующем на указанных стендах отрабатывались двигатели 11Д410, РД-0120, КВД1 и системы двигательных установок (ДУ) блоков «Р», 12КРБ и «Ц» РН «GSLV» и «Энергия» [1].
Наземная отработка двигателей и ДУ включает следующие этапы:
• модельные испытания элементов, агрегатов и систем;
• автономные испытания агрегатов, систем и двигателя;
• комплексные холодные и огневые испытания ДУ.
Характеристики стендовой отработки ряда двигателей и ДУ приведены в таблице 1.
Комплексные испытания двигателей проводятся на первом этапе 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 испытаний 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.
Характеристики стендовой отработки ряда двига
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
Комплексным огневым испытаниям двигателя в составе ДУ предшествуют холодные испытания ДУ с целью отработки и проверки режимов заправки, наддува и слива компонентов топлива из баков ракеты, систем теплоизоляции баков, опорожнения и регулирования соотношения компонентов топлива, захолаживания магистралей питания двигателя [2].
На начальном этапе отработки двигателя РД-0120 были проведены модельные испытания элементов двигателя (узлов уплотнения и качения насосов, смесительных элементов камер и газогенераторов), автономные испытания агрегатов и систем двигателя (ГГ, КС, насосов, зажигательных устройств и др.) на стендах и экспериментальных установках РНЦ «Прикладная химия» и НИИХИММАШ с использованием имитирующих и реальных компонентов топлива.
Автономная отработка агрегатов и систем (КС, ТНА, ГГ) в основном была проведена на стенде В2 при огневых испытаниях двигателя последовательно на режимах 20, 50, 75 и 100 % тяги. Для указанных целей
Таблица 1
глей и ДУ
Вид ДУ Испытания элементов на моделях Автономные испытания агрегатов и систем Автономные испытания двигателя Комплексные испытания ДУ
Холодные Огневые
Блок «Р» с двигателем 11Д56 (Я-73,5 кН) Модель топливного бака с водородом; модель ГГ и КС Насосы; агрегаты автоматики и регулирования; системы питания с БНА и ТНА; ГГ-КС; система питания и теплоизоляция баков ДУ 976 ОИ, тЕ = 268000 с 34 8
Блок «С» с двигателем 11Д57 ^-392 кН) Модель ГГ; модель КС; модель системы зажигания Насосы; ГГ; турбина; БНА; ТНА; ТНА-ГГ; агрегаты автоматики и регулирования; ГГ-КС; имитатор двигателя 446 ОИ, тЕ = 53000 с - -
Блок «Ц» с двигателями РД-0120 ^-7600 кН) Модели: ГГ; КС; система зажигания, уплотнения; теплоизоляция баков и магистралей; системы заправки и питания Насосы; узлы уплотнения и качения; агрегаты автоматики и регулирования; системы зажигания; агрегаты и системы в стендовом варианте двигателя (20, 50, 75 и 100 % режимы по тяге - 74 испытания) 761 ОИ, тЕ = 160000 с 18 2
Блок КРБ с двигателем КВД1 ^-75 кН) - Система теплоизоляции; система питания с БНГ; система питания и наддува; система заправки; агрегаты автоматики двигателя 95 ОИ тЕ = 30000 с 6 2
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
было проведено 74 испытания стендового варианта двигателя.
Ввиду отсутствия полноразмерного стенда на начальном этапе комплексные испытания двигателя РД-0120 с целью отработки конструкции проводились также с последовательным увеличением уровня тяги, что увеличило несколько сроки отработки и общее количество двигателей для этапа доводочных испытаний. На стенде В2 НИИХИММАШ проводились доводочные и контрольно-технологические испытания (ДИ и КТИ), на стендах 201 и 301 НИИмаш - завершающие доводочные (ЗДИ), ресурсные и контрольно-выборочные испытания (КВИ) двигателя РД-0120 и на универсальном комплексе стенд-старт (УКСС) - испытания двигателя РД-0120 в составе ДУ блока «Ц».
Следует отметить, что выбор тех или иных видов модельных и автономных испытаний в процессе отработки двигателя зависит от параметров и схемного исполнения двигателя, от возможностей стендового комплекса и оборудования, а также от опыта и конструктивного задела разработчика по системам двигателя.
В практике создания двигателей известны два метода стендовой доводки, которые можно кратко характеризовать как последовательный и параллельный методы.
Основное различие этих методов в том, что в случае последовательного метода доводки при выявлении дефекта двигателя испытания прекращаются до разработки и внедрения на двигателях мероприятий по устранению этого дефекта. В случае параллельного метода доводочные испытания не прерываются, и мероприятия по устранению дефекта разрабатываются и внедряются в процессе продолжения ДИ двигателя.
Так, при создании кислородно-керосинового двигателя Б-1 (тяга 6770 кН) и кислородно-водородного двигателя 1-2 (тяга 1020 кН), предназначенных для ступеней РН «Сатурн-5», и двигателей 11Д56, 11Д57, РД-0120 в основном был применен параллельный метод доводки, а при создании двигателя многократного применения SSME (тяга 2090 кН, рк=23 МПа) - последовательный метод.
Для доводки двигателей Б-1 и 1-2 было затрачено 59 и 43 двигателей при суммарной наработке 127000 и 153200 с, соответственно. На доводку двигателя SSME было затрачено 13 двигателей (по другим источникам, 20) и 20 комплектов ТНА для замены дефектных. Такое малое количество двигателей, затраченных на доводку SSME, можно объяснить:
• использованием накопленного опыта при отработке экспериментального кислородно-водородного двигателя с тягой 2090 кН;
• применением последовательного метода доводки двигателя;
• применением испытательных стендов для испытаний двигателя и ДУ на номинальной тяге;
• повышенным значением средней наработки одиночного двигателя (8000 с), полученным к 1-му полету и обеспечиваемым ремонтопригодностью, восстанавливаемостью конструкции и применением эффективных систем диагностики и аварийной защ
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.