CC BY
211
УДК 621.454.2.034.018.3
ВНЕДРЕНИЕ СОПЛОВОГО НАСАДКА РАДИАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА КАМЕРУ МАРШЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ 11Д58М РАЗГОННОГО БЛОКА ДМ-SL
© 2006 А.В. Межевов, В.И. Сксромнов, А.В. Козлов, НН. Тупицын, В.Г. Хаспеков РКК «Энергия», г. Королёв Московской обл.
В РКК «Энергия» совместно с НПО «Искра» и Центром Келдыша разработан и внедрен на маршевом двигателе 11Д58М модернизированный сопловой насадок радиационного охлаждения из углерод -углеродного композиционного материала. За счёт повышения геометрической степени расширения сопла удельный импульс тяги двигателя был увеличен на 4 с, что эквивалентно увеличению на 90 кг массы полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту.
РКК «Энергия» совместно с НПО «Искр а» и Центр ом Келдыша р азр аботала и пр и-менила на маршевом двигателе 11Д58М модернизированный сопловой насадок радиационного охлаждения (НРО-М) из уг-лер од-у глер одного композ ицио нного мат е-риала (УУКМ). Впервые в нашей стране на серийном ЖРД был использован материал, традиционно применяемый в соплах РДТТ. За счёт повышения геометрической степени расширения сопла удельный импульс тяги двигателя был увеличен на 4 с, что эквивалентно увеличению на 90 кг массы полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту (с учетом увеличения массы насадка на 10 кг). Основные характеристики ЖРД 11 Д58М пр иведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики ЖРД 11Д58М
На рис. 1 представлены насадки, применяемые на двигателе 11Д58М. Геометрическая степень расширения сопла с НРО-М равна 280, его длина увеличилась на 450 мм по сравнению с исходным размером НРО.
Сложность создания НРО-М определялась следующими обстоятельствами:
• Условия работы насадков в ЖРД намного более жесткие, чем в РДТТ. Это
подтверждает сравнение основных технических требований к насадкам для РДТТ и ЖРД типа 11Д58М, приведенных в таблице 2.
Т аблица 2. Основные технические требования к насадкам для РДТТ и ЖРД типа 11Д58
Т ехнические тр ебования РДТТ ЖРД
Время работы двигателя, с < 90 1200
Количество включений, п 1 5
Окислительный потенциал продуктов сгорания 0,06 0,28
Началь ная темп ер атур а конструкции, °С 0 m 0 -160 ...200
Такие отличия потребовали проведения большого объёма работ по экспериментальному подтв ер ждению р аботоспособ ност и НРО-М в составе двигателя 11Д58М. Огневые испытания полноразмерного НРО-М, обеспечивающего увеличение геометрической степени расширения сопла /а = Еа/Екр с 94 до 280, возможны только в условиях баростенда, аналогичных условиям испытательного комплекса 1-4 Центра Арнольда, США. В России подобного стенда нет. Существующий в РКК «Энергия» испытательный стенд позволяет испытывать двигатели до /а = 140. Это соответствует длине соплового насадка не более 300 мм. РКК «Энергия» имеет положительный опыт испытаний коротких насадков и методику переноса результатов испытаний на натурные, подтвержденную летными испытаниями для металлических насадков. Необходимо было имеющуюся методику усовершенствовать и распространить на полноразмерные НРО-М с учетом результатов испытаний укороченных насадков из УУКМ и опыта НПО «Искра» и Центра Келдыша по отработке РДТТ.
Компоненты топлива: Горючее Окислитель РГ-1 О2Ж
Тяга, кН 85
Удельный импульс тяги, с 356
Давление в камере, МПа 7,9
Соотношение компонентов топлива 2,82
Геометрическая степень расширения сопла 280
Многократность включений 7
Су ммар ное вр емя р аботы, с 1200
Существующий НРО
НРО-М из УУКМ
охлаждаемое сопло
охлаждаемое сопло
место стыка
верхняя секция НРО-М
межсекционныи стык
нижняя секция НРО-М
Рис. 1. Сопловые насадки двигателя 11Д58М
• К началу работы не было достоверных сведений по стойкости углеродных материалов в среде продуктов сгорания ЖРД при температуре до 1250°С. Имевшиеся в Центре Келдыша данные по химической стойкости УУКМ, полученные на модельных двигателях, не давали однозначного ответа о величине и скорости уноса материала в процессе работы двигателя, о необходимости применения защитных покрытий насадка или создания завесного охлаждения средствами двигателя. Не имелось также проверенных технических решений по конструкции стыка насадков с охлаждаемым соплом, а также стыка между секциями насадка.
• НРО-М разрабатывался для двигателя 11Д58М, который используется в различных космических программах, имеет высокую надежность и большую положительную статистику летных испытаний. Внедрение нового насадка не должно было снизить достигнутую надежность двигателя.
Для исключения ошибок, связанных с переносом результатов испытаний и исследований модельных образцов на полноразмерные насадки, огневые испытания коротких образцов насадков проводились только на штатных двигателях со штатным креплением насадков к соплу. Кроме того, короткие насадки изготавливались по принятому на серийном производстве технологическому
процессу из материалов, соответствующих требованиям технической документации.
Последние два мероприятия резко сократили сроки внедрения насадка в конструкцию двигателя, сняв большинство вопросов по переносу условий и результатов испытаний модельных двигателей и образцов на натурные. Огневые испытания коротких насадков в составе штатного двигателя дали ответы и на все другие вопросы, связанные с тепловым состоянием насадка, тер -моэрозионной стойкостью материала и на-пряжено-дефор мир ованным состоянием
конструкции.
Анализ теплового состояния и термоэрозионного уноса НРО-М
Расчетно-теоретическая оценка теплового состояния НРО-М (рис. 2) проведена Центром Келдыша и НПО «Искра» по исходным данным РКК «Энергия» по современным методикам и хорошо совпадает с имевшимися экспериментальными результатами для металлических и полученным вновь для укороченных насадков из УУКМ.
Что касается термоэрозионного уноса, то его величина по предварительной оценке колебалась от десятков микрон до нескольких миллиметров. И только проведя испытания укороченных насадков НРО-М в составе нескольких двигателей, была определена за-
висимость линейного уноса УУКМ от тем- пературы и длительности работы.
Рис. 2. Тепловое состояние сопловых насадков
Было испытано шесть образцов укоро- пешно, без замечаний и отклонений, влияю-ченных насадков из УУКМ длиной 275 мм. щих на их работоспособность. Данные стен-
Все испытания в РКК «Энергия» прошли ус- довых испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3. Данные стендовых испытаний
№ МД № Время испытания, с Рк, 2 кгс/см Кт Т,° С Конструкция насадка
124 1 660 74,1 2,469 1040 гладкий
124 2 300 81,0 2,475 1040 Ь=275 мм,
153 3 300 74,0 2,569 1060 №1
7=1260
153 4 164 74,7 2,470 938 составной Ь=275 мм, №2
153 5 750 74,2 2,478 1060
153 6 300 74,7 2,470 962
153 7 275 74,2 2,574 965
7=1489
153 8 750 73,1 2,421 1030 составной
153 9 300 73,7 2,468 983 Ь=275 мм,
153 10 300 73,7 2,473 970 №3
7=1350
153 11 750 73,4 2,386 1010 составной
153 12 300 76,5 2,470 1100 Ь=275 мм,
153 13 300 74,8 2,407 1025 №4
7=1350
121 14 750 79,0 2,457 1070 составной Ь=275 мм,
121 15 700 79,6 2,381 1085 с покрытием, №5(4)
7=1450
121 16 750 73,7 2,427 1070 раздвижной
121 17 300 73,6 2,405 1080 Ь=275 мм,
121 18 300 74,1 2,409 1050 №6
7=1350
В настоящее время летные испытания успешно прошли шесть штатных насадков НРО-М. Дополнительно на двух двигателях на фланце охлаждаемого сопла в месте стыка НРО-М были установлены дублированные термоэлектрические датчики температуры, по которым имелись точные измерения при стендовых испытаниях укороченных насадков. Кроме того, имелись прямые измерения температуры внешней поверхности насадков из металлокомпозитов титан-ниобий-титан при работе двигателя на нафтиле. Анализ этих данных показывает, что во время работы тепловое состояние охлаждаемого сопла при установке всех видов насадков практически не меняется и составляет около 130 °С.
Экспериментальные данные по линейному уносу шести насадков длиной 275 мм, приведены на рис. 3.
На графиках этого рисунка точки на сплошных линиях показывают среднюю величину уноса в данном сечении сопла, замеренную по 8-ми точкам в специальном приспособлении. Точки на пунктирных линиях показывают унос, замеренный в промежу-точных местах с помощью универсального инструмента после завершения испытаний. Графики представляют собой ломаные линии, поскольку измерения проводились в
э 0,8
строго ориентированных реперных точках. На самом деле поверхность уноса выглядит достаточно плавно без уступов и резких скачков.
Одновременно приведена кривая расчетного уноса составных насадков при времени работы двигателя 1500 с. Пунктирными линиями показан унос в случае, если бы насадки были гладкими, то есть не было меж-секцио нного у сту па.
Расчетная зависимость уноса УУКМ от ресурса и температуры полноразмерного НРО-М представлена на рис. 4.
Максимальный унос за время работы 750 с, которое реализуется в настоящее время на двигателе 11Д58М, составляет 0,3 мм при минимальной толщине стенки 4,8 мм. Место его расположения находится на расстоянии 50... 100 мм от стыка с охлаждаемой частью сопла. Унос за межсекционным стыком, отнесенный к своему реальному положению в полноразмерном насадке, составит 0,2 мм за время работы 750 с.
При указанных величинах уноса материала прочность конструкции НРО-М и её работоспособность обеспечиваются во всем диапазоне действующих нагрузок и при всех режимах и временах работы двигателя.
0,7
№ 1 1489 с № 2 1350 с № 3 1350 с № 4 1 450 с № 5 1 350 с Расчет 1500с № 6 1260
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
625 650 675 700 725 750 775 800 825 850 875 900 925 950 975
Расстояние от критического сечения, мм
Рис. 3. Экспериментальная и расчетная зависимости максимального уноса составных насадков
от времени работы двигателя
1
2
о"
Si
>.
600
700
800
900
1000
1100 1200 1 300
Длина насадка, мм
1400
1500
1600
1700
1800
Рис. 4. Расчетная зависимость уноса УУКМот времени работы двигателя и температуры для составного НРО-М
Т аблица 4. Баллистическая оценка
Анализ прироста удельного импульса тяги двигателя 11Д58М при использовании НРО -М из УУКМ по результатам летных испытаний РБ ДМ-8Ь
Расчетно-теоретическая оценка прироста удельного импульса тяги МД 11Д58М за счет увеличения степени расширения сопла НРО-М находится в пределах 5...7 с. По данным Центра Келдыша с учетом массы насадка и газодинамических потерь в местах уступов по гладкому контуру сопла суммар -ные потери составляют 1,1 с; при средней величине теоретического прироста I уд= 6 с фактический прирост составит 4,9 с.
Баллистическая оценка летных испытаний приведена в таблице 4.
летных испытании
РБ ДМ-SL 16Л 17Л 18Л 19 Л 20Л 22Л
^^нро-м +4,19 +6,30 +4,39 +4,29 +3,88 +5,00
Отбрасывая крайние значения, получаем по результатам летных испытаний среднюю величину /Иуд=4,5 с. Сходимость результатов достаточно хорошая.
Внедрение насадка из УУКМ на двигатели 11Д58М, используемые в программе «Морской старт», дали основание для принятия решения о применении НРО-М в программе «Наземный старт», а также о разработке раздвижного насадка из УУКМ для других проектов, в которых используется МД 11Д58М при наличии ограничений на величину осевого габарита двигателя.
INSTALLATION OF A RADIATION-COOLED NOZZLE OF A CARBON-CARNONIC COMPOSITE MATERIAL TO THE COMBUSTION CHAMBER OF MAIN ENGINE 11^58 M PE ^M-SL
© 2006 A.V. Mezhevov, V.I. Skoromnov, A.V. Kozlov, N.N. Tupitsin, V.G. Khaskekov S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia, Korolev, Moscow region
A radiation cooling nozzle of a carbon-carbonic composite material is installed on main engine 11^58M, which is used on the Upper Stage DM-SL as a part of the Zenit-3SL LV in the Sea Launch project. The specific impulse of the engine increased by 4 s through an increase of the nozzle geometric expansion ratio. The results of flight tests show a good convergence with design-theoretical and experimental data.
