Научная статья на тему 'Анализ перспектив использования электродвигателя в качестве привода для насосов ЖРД разгонных блоков'

Анализ перспектив использования электродвигателя в качестве привода для насосов ЖРД разгонных блоков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
820
167
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОПРИВОД / ТНА / ТУРБИНА / ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ / АККУМУЛЯТОРЫ / РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ / НАСОСЫ ЖРД / ELECTRIC ENGINE / TURBINE / ELECTRIC MOTOR / THE ROCKET ENGINE / ACCUMULATORS / BATTERY

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Высоцкий А. А., Буц К. Е., Толстопятов М. И., Гайнутдинов А. В.

Рассматривается возможность использования электродвигателей в качестве привода для основных насосов на маршевых жидкостных ракетных двигателях ЖРД разгонных блоков. В качестве примера рассмотрен двигатель 14Д30 разработки КБХМ имени A. M. Исаева. Выполнены расчеты энергомассовых характеристики турбопривода и электродвигателя, проведен сравнительный анализ, рассмотрены достоинства и недостатки обоих схем. Дана оценка перспектив использования электродвигателей в ЖРД.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Высоцкий А. А., Буц К. Е., Толстопятов М. И., Гайнутдинов А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ANALYSIS OF THE PERSPECTIVES OF USING THE ELECTRIC MOTOR AS A DRIVE FOR THE PUMPS OF THE LOADER PUMPS

The possibility of using electric motors as drive for the main pump on the main liquid-propellant rocket engines, rocket engine boosters. As example the engine 14D30 development KBKhM the named after A. M. Isaev. The calculations energy-mass features a turbo drive motor, a comparative analysis, the advantages and disadvantages of both schemes. The estimation of prospects of the use of electric motors in the liquid rocket engine.

Текст научной работы на тему «Анализ перспектив использования электродвигателя в качестве привода для насосов ЖРД разгонных блоков»

УДК 621.455

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ПРИВОДА ДЛЯ НАСОСОВ ЖРД РАЗГОННЫХ БЛОКОВ

А. А. Высоцкий1, К. Е. Буц1, М. И. Толстопятов1, А. В. Гайнутдинов2

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

E-mail: [email protected] 2Конструкторское бюро химического машиностроения имени A. M. Исаева -филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева» Российская Федерация, 141070, г. Королёв, ул. Богомолова, 12 E-mail: [email protected]

Рассматривается возможность использования электродвигателей в качестве привода для основных насосов на маршевых жидкостных ракетных двигателях ЖРД разгонных блоков. В качестве примера рассмотрен двигатель 14Д30 разработки КБХМ имени A. M. Исаева. Выполнены расчеты энергомассовых характеристики турбопривода и электродвигателя, проведен сравнительный анализ, рассмотрены достоинства и недостатки обоих схем. Дана оценка перспектив использования электродвигателей в ЖРД.

Ключевые слова: электропривод, ТНА, турбина, электродвигатель, аккумуляторы, ракетный двигатель, насосы ЖРД.

ANALYSIS OF THE PERSPECTIVES OF USING THE ELECTRIC MOTOR AS A DRIVE FOR THE PUMPS OF THE LOADER PUMPS

A. A. Visockiy1, K. E. Bute1, M. I. Tolstopyatov1, A. V. Gaynutdinov2

1 Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] 2Chemical Engineering Design Bureau named after A. M. Isayev 12, Bogomolova Str., Korolev, 141070, Russian Federation E-mail: [email protected]

The possibility of using electric motors as drive for the main pump on the main liquid-propellant rocket engines, rocket engine boosters. As example the engine 14D30 development KBKhM the named after A. M. Isaev. The calculations energy-mass features a turbo drive motor, a comparative analysis, the advantages and disadvantages of both schemes. The estimation of prospects of the use of electric motors in the liquid rocket engine.

Keywords: electric engine, turbine, electric motor, the rocket engine, accumulators, battery.

Целью работы является проведения анализа перспектив использования электродвигателя в качестве привода для основных насосов ЖРД разгонных блоков. Основными преимуществами электродвигателя в сравнении с турбоприводом работающем на продуктах сгорания газогенератора является: упрощение принципиальной схемы ЖРД, простота регулировки оборотов насосов и режима ЖРД по тяге, упрощение запуска и многократность включений и т. д. Основными недостатками является больший вес, меньшая частота вращения и источник питания большой емкости и как следствие большой массы. Вероятность использования электродвигателя для привода насосов ЖРД описана еще в [1], но на тот момент отсутствовали источники электропитания приемлемой мощности и массы.

Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»

Объективно на данный момент не представляется использование электродвигателей для основных насосов ТНА в ЖРД с тягой свыше 20-30 кН. Так же не стоит рассматривать такую возможность для двигателей, работающих по закрытому циклу, с дожиганием генераторного газа. Однако есть ряд двигателей: С5.66, 11Д425 (более не используются) и С5.92 и 14Д30 которые на данный момент активно используются. Данные двигатели имеют тягу на уровне 4-20 кН, при этом работают по открытому циклу и используются в качестве маршевых на разгонных блоках (РБ). Следует отметить, что рассматривать использование электродвигателя только в рамках ЖРД как отдельной единицы не имеет смысла по причине большой массы.

В качестве объекта для расчетов и дальнейшего анализа использовался двигатель 14Д30. Двигатель работает по открытому циклу с турбонасосной системой подачи компонентов топлива с тягой в пустоте (19.63 кН), удельным импульсом тяги 3 255 м/с, число включений в полете - до 10 раз [2; 3], суммарное время работы двигателя составляет 3 200 с. Двигатель 14Д30 - маршевый двигатель разгонного блока «Бриз-М», который используется на ракета-носителе (РН) «Про-тон-М» и обеспечивает выведение космических аппаратов на низкие, средние, высокие орбиты и геостационарные орбиты. Масса РБ составляет порядка 22,5 тонны, из них порядка 20 тонн составляют компоненты топлива [2].

Для достижения поставленной цели необходимо рассчитать и дать оценку эффективности использования компонентов топлива всего РБ с учетом общей массы и времени активного использования. Для выполнения данной задачи была разработана методика расчета энергомассы-вых характеристик электронасосного агрегата (ЭНА) в сравнении с суммарной массой компонентов топлива затраченных на привод турбины ТНА. При расчете методика опирается на параметры насосов и турбины ТНА и термодинамические характеристики продуктов сгорания: температура, газовая постоянная, коэффициент адиабаты.

При расчете массы ЭНА методика опирается на КПД элементов системы: электродвигателя, инвертора, мультипликатора-редуктора; удельную плотность энергии (УПЭ) элемента электрического питания. По предварительной оценке КДП привода ЭНА может достигать 82 %, что существенно выше показателя для осевых высокоперепадных одноступенчатых газовых турбин.

Основными проблемами при использовании ЭНА является большая масса электродвигателя и низкая удельная плотность энергии (УПЭ) в элементах питания. На данный момент существуют коммерческие образцы элементов питания с удельной плотностью энергии 350 Вт ч/кг, в частности образцы предложенные компанией «Envia». Компания «Envia» занимается перспективными разработками в этой области и заявляет, что разработает коммерческие образцы с УПЭ 420 Втч/кг к 2021 году [4]. На уровне опытных образцов существуют российские разработки с использованием положительного электрода на основе феррофосфата лития, допированного никелем, и отрицательного электрода на основе титаната лития, допированного галлием с УПЭ 800 Втч/кг [5].

С помощью разработанной методики можно оценить изменение массы системы ЭНА в зависимости от УПЭ используемых элементов питания. В результате УПЭ продуктов сгорания газогенератора с учетом КПД и заданного перепада давления на турбине составила 293 (Втч/кг), а суммарная масса компонентов топлива для привода турбины ТНА 604 кг за 3 200 с, при этом начальная масса турбо привода и газогенератора не учитывалась. В случае использования ЭНА начальная масса системы с учетом двигателя [6], инвертора [7], мультипликатора составит по предварительной оценке 100 кг. А масса всей системы ЭНА с учетом массы источника питания на требуемое время работы составит 789 кг при использовании элементов питания с УПЭ 300 Втч/кг. А при использовании элементов питания с УПЭ 400 Втч/кг, масса всей системы составит уже 609 кг. Существенное преимущество в массе ЭНА достигается при использовании элементов питания с УПЭ 500 Вт ч/кг и составляет уже 502 кг против 604 кг у ТНА.

В результате расчетов можно сделать вывод, что отсутствие коммерческих элементов электропитания повышенной УПЭ (500 Вт ч/кг) не позволяют рассматривать электродвигатель в качестве привода для основных насосов ЖРД 14Д30. Однако данное направление остается перспективным, поскольку УПЭ элементов питания со временем будет увеличиваться. Анализ показал, что даже плотность в 500 Втч/ кг не является предельной, например для литий-серного источника питания теоретический максимум плотности энергии составляет 2 600-2 900 Вт ч/кг [8; 9].

Также следует отметить, что использование ЭНА остается перспективным для бустерных насосных агрегатов ЖРД с тягой до 60 кН, где энергетика процессов существенно ниже, чем в основных насосах ТНА.

Библиографические ссылки

1. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М. : Машиностроение, 1984. 18 с.

2. Космическая техника СССР - России [Электронный ресурс]. URL: http://russpace.ucoz.ru/ index/razgonnyj_blok_briz_m/0-66 (дата обращения: 13.04.2017).

3. Терминальное наведение разгонного блока «Бриз-М» / А. С. Сыров, В. Н. Соколов, М. В. Бочаров, В. В. Ежов // Вестник МАИ. 2010. Т. 17. № 5. С. 65-68.

4. Каталог продукции [Электронный ресурс] // Envia. 2017. URL: http://www.enviasystems. com/products/#aerial (дата обращения: 13.04.2017).

5. Литий-ионный аккумулятор повышенной мощности / Т. Л. Кулова, А. А. Кузьмина, Н. Ф. Никольская и др. // ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии : тез. докл. В 5 т. / Урал. отд-ние РАН. Ектеринбург, 2016. С. 426.

6. Каталог продукции [Электронный ресурс] // BRUSA Elektronik AG. 2017. URL: http://www.brusa.biz/en/products/drive/motor-400-v/hsm1-101813.html (дата обращения: 13.04.2017).

7. Каталог продукции [Электронный ресурс] // BRUSA Elektronik AG. 2017. URL: http://www.brusa.biz/en/products/drive/controller-400-v/dmc534.html (дата обращения: 18.04.2017).

8. Колосницын В. С., Карасева Е. В. Литий-серные аккумуляторы. Проблемы и решения // Электрохимия. 2008. Т. 44. № 5. С. 548-552.

9. Груздев А. И. Концептуальные подходы к разработке аккумуляторный батарей с повышенной удельной энергоемкостью для авиационно-космических применений // Вопросы электромеханики // Тр. ВНИИЭМ. 2015. Т. 147. № 4. С. 38-44.

© Высоцкий А. А., Буц К. Е., Толстопятов М. И., Гайнутдинов А. В., 2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.