Перспективы использования компонентов топлива метан-кислород в жидкостных ракетных двигателях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.454.034

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА МЕТАН-КИСЛОРОД В ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

А. Ю. Васянина, А. А. Тонких, Д. А. Савчин, Д. А. Ермоленко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: dentimenis@mail.ru

Рассмотрены дальнейшие перспективы использования топливной пары метан-кислород, основанные на ранее проведенных огневых испытаниях (ОИ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Ключевые слова: топливная пара, сжиженный природный газ, огневые испытания, жидкий кислород, РН.

PROSPECTS OF THE METHANE-OXYGEN USING

A. U. Vasyanina, A. A. Tonkich, D. A. Savchin, D. A. Yermolenko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dentimenis@mail.ru

In the paper was reviewed prospects of the methane-oxygen fuel, based on the previously conducted firing tests with liquid rocket engines.

Keywords: fuel, natural gas liquids, fire tests, liquid oxygen.

Ракетные двигатели к настоящему времени достигли значительного совершенства и весьма высоких, близких к пределу рабочих параметров, превысить которые можно только применяя принципиально новые схемы энергопреобразования, а также материалы и технологии. Надежность и экологическая безопасность стали основными показателями качества проектируемых двигателей. Из различных технических решений предпочтительнее те, в которых минимизируется число потенциально опасных агрегатов, а доля хорошо отработанных и показавших на практике высокую надежность систем увеличивается с ориентацией на современные материалы и технологии. В настоящее время совершенствование ракетных двигателей идет в направлении увеличения надежности, удельного импульса, уменьшения удельной массы, снижения стоимости, а также снижения или устранения вредного экологического воздействия на окружающую среду [1].

Применение экологически чистой топливной пары кислород-метан приводит к уменьшению затрат на изготовление и эксплуатацию ракетно-космической техники, позволит обеспечить конкурентоспособность при выведении полезных грузов и оптимизирует использование космодрома Байконур [3].

В России ЖРД на природном газе и метане разрабатывают несколько организаций: ИЦ имени М. В. Келдыша, НПО «Энергомаш», КБ Химмаш имени А. М. Исаева, ФПГ «Двигатели НК», НИИМаш и КБ Химавтоматики.

29 сентября 2010 г. состоялось успешное ресурсное огневое испытание двигателя-демонстратора разработки «КБ химического машиностроения имени А. М. Исаева» - филиала ФГУП «ГКНПЦ имени М. В. Хруничева» на топливной паре «жидкий кислород + сжиженный природный газ» [2].

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

В результате данного испытания было выявлено следующее:

- в процессе работы параметры двигателя были стабильны на режимах при различных сочетаниях соотношения расходов компонентов топлива (2,42.. .3,03) и тяги (6 311.. .7 340 кгс);

- подтверждено отсутствие образований твердой фазы в газовом тракте и отсутствие коксовых отложений в жидкостном тракте двигателя;

- получены необходимые экспериментальные данные для уточнения методики расчета охлаждения КС при использовании СПГ в качестве охладителя;

- исследована динамика выхода охлаждающего тракта КС на установившийся тепловой режим;

- подтверждена правильность технических решений по обеспечению запуска, управления, регулирования и пр. с учетом особенностей СПГ;

- разрабатываемый двигатель может быть использован как маршевый двигатель в перспективных разгонных блоках и верхних ступенях РН;

- полученные положительные результаты проведенного ОИ подтверждают целесообразность дальнейших экспериментальных работ по созданию ЖРД на топливной паре «жидкий кислород + сжиженный природный газ» [2].

Сжиженный природный газ (СПГ) на 90 % и более состоит из метана. По сравнению с керосином метан имеет более высокую энергетическую ценность и охлаждающую способность, стоимость получения метана дешевле, чем у керосина [7]. Поэтому разработка ЖРД на экологически чистых компонентах топлива: метан в паре с жидким кислородом отвечает тенденциям развития современных ракет-носителей [6].

Из-за лучшей охлаждающей способности двигатель имеет значительные запасы по ресурсу.

Использование сжиженного природного газа (метана) позволяет:

- обеспечить безопасность окружающей среды даже при аварийном сливе компонентов топлива;

- повысить удельный импульс тяги и улучшить энерго-массовые характеристики РН;

- повысить эффективность охлаждения камеры сгорания;

- упростить межпусковую обработку топливных трактов;

- снизить стоимость горючего;

- обеспечить длительность использования сырьевой базы при наличии больших природных запасов горючего;

- обеспечить доступность природного газа для любых национальных программ;

- облегчить создание двигателя любой принципиальной схемы (с окислительным или восстановительным газогенератором);

- использовать материалы, технологии и оборудование, присущие криогенной технике.

В программе развития космонавтики [4; 5] могут появиться новые пункты, в соответствии с которыми промышленность займется созданием новой ракеты-носителя и двигателя для нее. По сообщениям российских средств массовой информации, самарское ЦСКБ «Прогресс» подготовило пакет документов, касающихся перспективной ракеты-носителя сверхтяжелого класса. Эта ракета в будущем может использоваться для доставки различных космических аппаратов на Луну. Для достижения высоких характеристик новая сверхтяжелая ракета должна оснащаться жидкостными двигателями, использующими топливную пару сжиженный природный газ (СПГ) и жидкий кислород.

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.

Библиографические ссылки

1. Дорофеев А. А. Основы теории тепловых ракетных двигателей. Теория, расчет и проектирование : учебник для авиа- и ракетостроит. спец. вузов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 463 с.

2. ЖРД на метановом горючем. История, состояние и перспектива / И. А. Клепиков, В. Т. Буканов, В. В. Мирошкин и др. // Сб. тр. НПО «Энергомаш». 2000. № 18. 204 с.

3. Завьялов В. С. Метан в космической установке [Электронный ресурс]. 2012. URL: http://zavjalov.okis.ru/metan.html (дата обращения: 23.09.2015).

4. Смирнов И. А., Яковлев А. Г., Бережной В. Н. Ресурсное испытание ЖРД на топливной паре жидкий кислород+СПГ [Электронный ресурс]. 2010. URL: http://zavjalov.okis.ru/metan.html (дата обращения: 23.09.2015).

5. Рябов К. А. «ЦСКБ «Прогресс» предлагает создать ракетный двигатель, работающий на СПГ» [Электронный ресурс] // Военное обозрение : интернет-журнал. 2014. URL: www. geoinform.ru/?an=mrr0506 (дата обращения: 23.09.2015).

6. Экологические результаты запуска ракет с жидкостными и твердотопливными ракетными двигателями [Электронный ресурс] / А. Ю. Васянина, Д. С. Швецова, А. А. Тонких и др. // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тез. X Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2014 г., Красноярск) : в 2 т. Т. 1. Технические науки / Сиб. гос. аэрокос-мич. ун-т. Красноярск, 2014. URL: https://apak.sibsau.ru/page/materials (дата обращения: 02.02.2017).

7. Васянина А. Ю., Савчин Д. А., Тонких А. А. Реализация принципов преемственности при создании космических ракет-носителей с ЖРД // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. [Электронныйресурс] : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. празднованию 55-летия Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева (6-10 апреля 2015 г., Красноярск) / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. URL: https://apak.sibsau.ru/page/materials (дата обращения: 02.02.2017).

© Васянина А. Ю., Тонких А. А., Савчин Д. А., Ермоленко Д. А., 2017