CC BY
67УДК 629.7.036.5:662-622
экологически чистые водородные двигатели оао «конструкторское бюро
химавтоматики»
к.т.н. В.Д. Горохов, к.т.н. В.А. Орлов, д.т.н. В.С. Рачук, Н.Е. Титков, к.т.н.
А.В. Шостак
ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» ул. Ворошилова 20, г. Воронеж, 394006, РОССИЯ Тел. (4732) 34-65-65, 63-36-80; факс (4732) 34-65-71, 76-84-40; e-mail: [email protected]
Начиная с середины 60-х годов, в КБХА проводились работы по созданию двигателей и энергетических установок, использующих в качестве рабочего тела (топлива) жидкий водород. За это время на предприятии
были разработаны: ядерный ракетный двигатель РД-0410, ЖРД РД-0120, РД-0126, РД-0146, РД-0148 различных схем и тяг (от 3,6 до 200 тс) на водородном горючем, трехкомпонентный кислородно-водородно-керосиновый ЖРД-демонстратор РД-0750, «водородный» гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель 58Л. Разработанные двигатели доведены до стадии стендовых и летных испытаний. В статье кратко изложена история и преемственность этих разработок, показаны достигнутые результаты и намечены перспективы.
KBKHA ENGINES WITH HYDROGEN AS A GREEN PROPELLANT OSC KBKHA
V.D. Gorokhov, Candidate of Techn. Sciences, V.A. Orlov, Candidate of Techn. Sciences, V.S. Rachuk, Doctor of Techn. Sciences, N.E. Titkov, A.V. Shostak, Candidate of Techn. Sciences
OSC KBKhA Voroshilov str.20, Voronezh, 394006, Russia Tel. (4732) 34-65-65, 63-36-80; fax (4732) 34-65-71, 76-84-40; e-mail: [email protected]
Since the 60s KBKhA has performed the development activities on the engines and power plants using liquid hydrogen as a working fluid (propellant). The following engines have been developed at KBKhA during this time period: RD-0410 nuclear rocket engine, RD-0120, RD-0126, RD-0146 and RD-0148 hydrogen engines with different cycles and thrust values (3,6-200 tf), tripropellant RD-0750 LOX-hydrogen-kerosene, 58Л hydrogen scram jet. The developed phase of engines development were testing phase on the test bench and flight tests. The paper includes the brief information on the history and succession of these engines, as well as achieved results and future trends.
Горохов Виктор Дмитриевич Сведения об авторе: кандидат технический наук (1991 г.), член-корреспондент Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2007 г.), доцент кафедры ракетных двигателей ВГТУ, заместитель генерального конструктора по направлению кислородно-керосиновых двигателей ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики». Участвовал в отработке двигателей по ракетно-космическим программам «Энергия-Буран», «Союз-2», «Ангара», «Ястреб».
Образование: Харьковский авиационный институт, факультет «Двигатели летательных аппаратов» (1976 г.) и Воронежский Государственный университет, математический факультет (1983 г.)
Область научных интересов: теория и практика создания двигателей и двигательных установок, гидро- и газодинамика процессов в энергоустановках, исследования в области водородной технологии. Публикации: 64 научные работы, 18 авторских свидетельств, 10 патентов на изобретения.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA»,2008
Орлов Вадим Александрович Сведения об авторе: кандидат технических наук (1970 г.), лауреат Государственной премии (1989 г.), начальник проектного расчетно-исследовательского отдела ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики».
Участвовал в решении сложных научно-технических проблем при разработке и создании более 60 ЖРД для космических и боевых ракетных
комплексов, автор методик по математическому моделированию газодинамических, термодинамических и тепловых процессов в ЖРД.
Образование: Воронежский Государственный университет (1958 г.).
Область научных интересов: решение научно-производственных проблем по термогазодинамике, теплообмену и горению.
Публикации: более 80 научных работ, 72 авторских свидетельства, в том числе 14 патентов на изобретения.
Рачук Владимир Сергеевич Сведения об авторе: доктор технических наук (1994 г.), лауреат государственной премии РФ (1977 г.) и премии Правительства РФ в области науки и техники (2001 г.), заслуженный конструктор РФ (1994 г.), академик Международной академии космонавтики. Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, инженерной академии и академии естественных наук. Генеральный конструктор - генеральный директор ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (с 1993 г.). Профессор Воронежского Государственного технического университета (1977 г.) заведующий кафедрой.
Участник и организатор создания и серийного производства жидкостных ракетных двигателей для ракет-носителей «Протон», «Протон-М», «Энергия-Буран», РС-10, РС-18, РС-20, РСМ-54, «Союз-2» и «Ангара», ядерного ЯРД-0410 и ряда энергетических установок конверсионного направления для нефтегазовой промышленности.
Образование: Воронежский строительный институт (1959 г.) и Воронежский Государственный технический университет (1966 г.)
Область научных интересов: создание жидкостных ракетных двигателей на различных компонентах топлива, в том числе кислородно-водородных. Публикации: автор более 180 публикаций в отечественной и зарубежной литературе. Автор более 40 патентов и изобретений.
Титков Николай Евгеньевич Сведения об авторе: член-корреспондент Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2006 г.), главный конструктор ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (1998 г.).
Участвовал в разработке двигателя РД-0120 для программы «Энергия-Буран». Является главным конс-
труктором безгенераторного кислородно-водородного двигателя РД-0146 и его модификации. Образование: Воронежский политехнический институт (1969 г.)
Область научных интересов: теория и практика разработки безгенераторного двигателя на криогенных горючих (водород, метан).
Публикации: 21 научная работа, 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Шостак Александр Викторович Сведения об авторе: кандидат технических наук (2006 г.), доцент ВГТУ (2005 г.), лауреат премии Правительства РФ (1997 г.), советник РИА (2005 г.), член-корреспондент Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2007 г.), заместитель генерального конструктора ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики».
Участвовал в создании ракетных двигателей РД-0120, РД-0146, РД-0124.
Образование: Харьковский авиационный институт (1979 г.)
Область научных интересов: теория и практика создания двигателей, гидро- и газодинамика процессов в агрегатах и системах ЖРД, разработка систем диагностирования ЖРД.
Публикации: более 20 научных работ, учебных пособий - 2, патентов - 5.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (ОАО КБХА) является одним из мировых лидеров в создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) для ракет-носителей (РН) оборонного, научного и народно-хозяйственного назначения. В КБХА разработано около 60 образцов ЖРД, из них 30 обеспечивали и обеспечивают в настоящее время полеты РН.
С 1954 года предприятие разрабатывает двигатели на традиционных компонентах: кислород + керосин, АТ+НДМГ, а с 1964 года - также и на водородном топливе.
Одним из достоинств жидкого водорода как компонента ракетного топлива является очень высокий для ЖРД уровень удельного импульса тяги.
Водородные двигатели устойчиво работают в широком диапазоне соотношений компонентов, для них, как
Рис. 1. ЯРД РД-0410
Fig. 1. RD-0410 Nuclear Rocket Engine
правило, не характерны высокочастотные пульсации давления в камере сгорания (КС). Применение водорода, обладающего высокими охлаждающими способностями, позволяет создать надежные камеры для ЖРД. Водород, в отличие от углеводородного горючего, не создает никаких отложений в охлаждающем тракте КС. Имея невысокую молекулярную массу, он является идеальным рабочим телом для привода турбин турбона-сосных агрегатов подачи (ТНА). Водород экологически чист и при сгорании образует водяной пар.
Работы в КБХА по водородной тематике начались в 1964 году с разработки ядерных ракетных двигателей (ЯРД) РД-0410 и РД-0411 тягой 3,6 и 40 тс соответственно (рис. 1)
Основным преимуществом ЯРД по сравнению с ЖРД является высокий удельный импульс тяги, вдвое превышающий эту характеристику для ракетных двигателей на химических топливах.
В основе реактора двигателя РД-0410 положена гетерогенная схема, которая позволила получить высокий удельный импульс тяги, дала возможность создания ЯРД минимальных размеров при исполнении сравнительно низкотемпературных, но высокоэффективных, с точки зрения нейтронов физики, материалов. Кроме того, была обеспечена возможность поэлементной отработки и высокая безопасность при сборке и эксплуатации.
В связи с наличием радиационного излучения данный двигатель предназначался для использования в беспилотных автоматических станциях, исследующих дальний космос.
Рабочим телом для реакторов данных двигателей был выбран водород.
Автономные отработки реактора начались в Физико-энергетическом институте (реактор «нулевой» мощности). Остальные агрегаты и системы двигателя - на стендах НИИ химического машиностроения (г. Сергиев Посад, Московской обл.), где было проведено более 250 огневых испытаний 86 двигателей с подогревом рабочего тела в специальном газогенераторе с общей наработкой 170 тыс. сек.
В 1982 году работы по РД-0410 завершились испытаниями реактора на номинальном режиме в Семипалатинском ядерном полигоне.
До сих пор РД-0410 остается единственным отечественным ядерным ракетным двигателем, прошедшим полноценную отработку. Опыт его создания может быть востребован в перспективных программах изучения планет Солнечной системы и космических объектов, находящихся за ее пределами.
Разработки по ЯРД РД-0411 тягой 40 тс проведены до этапа эскизного проектирования и создания физической модели реактора.
Широкий круг научно-технических и производственно-технологических проблем, решенных КБХА и смежными организациями при разработке ЯРД, обеспе-
чил задел для создания ядерных энергодвигательных и ядерно-энергетических установок. Все это послужило надежной основой для дальнейших работ КБХА по кислородно-водородным ЖРД.
В 1975 году, когда работы по ядерному ракетному двигателю шли еще полным ходом, были развернуты работы по созданию первой отечественной многоразовой космической системы «Энергия-Буран». КБХА получило задание на разработку мощного маршевого кислородно-водородного двигателя РД-0120 тягой 200 тс второй ступени ракеты-носителя «Энергия». Как и в случае с ЯРД, это был принципиально новый ЖРД не только для КБХА, но и для всей отрасли в целом. РД-0120 стал первым в СССР кислородно-водородным ракетным двигателем, доведенным до стадии летных испытаний (рис.2).
По своей надежности, энергомассовым характеристикам, уровню достигнутых параметров, ресурсу работы и многократности включения, новизне конструкторских и технологических решений, применяемым материалам РД-0120 превзошел все ранее созданные ЖРД подобного типа. Он не уступает, а по ряду параметров превосходит американский ЖРД SSME такой же размерности, созданный для многоразовой транспортной космической системы «Спейс Шаттл».
Рис. 2. ЖРД РД-0120 Fig. 2. RD-0120LRE
Для создания высокоэнергетического двигателя РД-0120, работающего на криогенных компонентах топлива, потребовалось решение целого ряда научных, конструкторских и технологических проблем, которыми занимались десятки КБ, НИИ и заводов страны. Непосредственно в КБХА был построен комплекс металлургического производства, позволяющий изготавливать методом порошковой металлургии высокопрочные детали для двигателя. В 1986 году для обеспечения отработки агрегатов РД-0120 и перспективных кислородно-водородных двигателей в КБХА было начато сооружение водородного комплекса, который включал в себя стенды для проведения испытаний агрегатов на жидком водороде, огневой стенд для отработки двигателей на жидком водороде и жидком кислороде, системы производства, хранения и подачи жидкого водорода на стенды. Основные испытания двигателя проводились на стендах НИИХИММАШа и НИИМАШа (г. Нижняя Салда). В процессе отработки было проведено более 900 огневых испытаний с общей наработкой более 170 тыс. сек.
Опыт создания РД-0120 и его успешные летные испытания в составе ракетно-космической системы «Энергия-Буран» были в полной мере востребованы при разработке в КБХА новых кислородно-водородных ЖРД, в частности, трехкомпонентного двигателя РД-0750, работающего на кислороде, водороде и керосине.
Трехкомпонентный двигатель РД-0750, работы по которому велись с 1994 по 2000 год, выполнен на базе двигателя РД-0120 по схеме с дожиганием в камере генераторного газа с избытком водорода (рис. 3). Двух-режимность его работы обеспечивается трехкомпонен-тным генератором. На первом режиме двигатель работает на кислороде и керосине с небольшой добавкой водорода, на втором режиме используется кислород и водород. Применение керосина на первом режиме дает следующие преимущества: снижение массы водородного горючего и, соответственно, объема и массы его бака; увеличение массы выводимой полезной нагрузки. На втором режиме работы обеспечивается максимальный удельный импульс тяги.
Была полностью завершена автономная отработка объектового трехкомпонентного газогенератора (рис. 4), отработаны запуск и останов, перевод газогенератора с трехкомпонентного режима работы на двухкомпонентный и обратно. Стендовые испытания двигателя-демонстратора РД-0750Д, проведенные в НИИ химического машиностроения, подтвердили работоспособность всех агрегатов трехкомпонентного двухрежимного двигателя.
В конце 80-х годов КБХА по заданию РКК «Энергия»приступило к разработке первого в стране безгенераторного кислородно-водородного двигателя РО-95 для разгонных блоков «Смерч» и «Везувий» РН «Буран-Т» и «Вулкан». Двигатель имел тягу 10 тс
Рис. 3. Трехкомпонентный ЖРДРД-0750 Fig. 3. RD-0750 TripropellantLRE
и удельный импульс тяги 475 с. Работы по двигателю РО-95 завершились эскизным проектированием.
В 1995 году была возобновлена научно-исследовательская работа по созданию безгенераторных кислородно-водородных ЖРД многократного включения для перспективных разгонных блоков и межорбитальных буксиров. К их числу относится ЖРД РД-0126, имеющий принципиально новую конструкцию кольцевой камеры сгорания с щелевым кольцевым критическим сечением и тарельчатым соплом (рис. 5). Такой двигатель обладает рядом преимуществ по сравнению с ЖРД с соплом Лаваля. Среди них: боле высокий удельный импульс тяги в пустоте при одинаковой длине; меньшая масса при одинаковых значениях удельного импульса тяги; возможность значительно более сильного подогрева водорода в тракте охлаждения; возможность проведения испытаний высотных двигателей в земных условиях без газодинамической трубы.
В 1998 году проведены стендовые испытания двигателя РД-0126 (рис. 6). Испытаниями подтверждено безотрывное истечение продуктов сгорания из высотного тарельчатого сопла в земных условиях. Полученные показатели экономичности соответствуют расчетным.
В 1998 году по техническому заданию ГКНПЦ им. М.В. Хруничева КБХА приступило к разработке двигателя РД-0146 тягой 10 тс для кислородно-водородного разгонного блока РН «Протон» и «Ангара» (рис. 7). При его разработке, изготовлении и отработке был использо-
Рис. 4. Огневые испытания модельного трехкомпонентного газогенератора Fig. 4. Firing Test of the Simulated Triproprllant Gas Generator
Рис. 5. ЖРД РД-0126 (макет) Fig. 5. RD-0126 LRE
Рис. 7. ЖРД РД-0146 Fig. 7. RD-0146 LRE
Рис. 6. Огневые испытания ЖРД РД-0126 Fig. 6. Firing Test of RD-0126 LRE
ван весь предшествующий опыт КБХА по водородной тематике. Двигатель впервые в отечественной практике спроектирован по безгенераторной схеме с раздельными турбонасосными агрегатами окислителя и горючего, с многократными включениями в полете. Благодаря применению технологий порошковой металлургии и высокоскоростных подшипников, работоспособных в среде жидкого водорода обеспечена частота вращения ротора турбонасоса водорода 123 тысяч оборотов в минуту, что позволило создать высокоэкономичный ТНА с уменьшенной массой.
КБХА осуществило полный цикл создания двигателя РД-0146 - разработку конструкторской и технологической документации, изготовление и проведение огневых испытаний доводочного двигателя.
С 2001 года на испытательном комплексе КБХА проведено более 40 огневых испытаний ЖРД РД-0146 и около 30 огневых испытаний трех экспериментальных установок с агрегатами РД-0146 (рис. 8). Они подтвердили работоспособность двигателя, эффективность новых конструктивных и технологических решений, а также соответствие полученных параметров расчетным данным.
На базе ЖРД РД-0146 в 1999 году спроектирован универсальный кислородно-водородный ЖРД РД-0148, который может использоваться как на разгонных блоках, так и на третьей ступени РН «Протон». В отличие
от РД-0146 этот двигатель имеет восстановительный газогенератор и способен развивать тягу до 12,5 тс.
Наличие собственного водородного комплекса и опыт, полученный при создании двигателя РД-0146, позволил предприятию успешно выполнить ряд контрактов с фирмой Pratt & Whitney по созданию главных и бустерных турбонасосных агрегатов для кислородно-водородных ЖРД различных тяг.
Кислородно-водородный ЖРД РД-0146 служит хорошей основой для освоения новых компонентов топлива. В середине 2007 года в КБХА на базе ЖРД РД-0146 успешно проведена серия огневых испытаний безгенераторного жидкостного ракетного двигателя РД-0146М на компонентах топлива «сжиженный природный газ - жидкий кислород». Испытания двигателя подтвердили пригодность теоретических и конструкторско-технологических решений специалистов КБХА для разработки ракетного двигателя на этих компонентах топлива.
Наряду с созданием перспективных кислородно-водородных ЖРД, начиная с 1994 года, совместно с ЦИАМ им. Баранова КБХА провело работы по разработке и испытанию экспериментального осесиммет-ричного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) 58Л, предназначенного для исследования процессов горения водородного топлива в условиях полета при скоростях 3-6,5 М на высотах
Рис. 8. Огневые испытания ЖРД РД-0146 Fig. 8. Firing Test of RD-0146LRE
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
от 20 до 35 км. Двигатель работает на атмосферном воздухе и жидком водороде, который проходит через тракт охлаждения камеры сгорания и затем поступает в зоны горения. Осесимметричная трехзонная камера сгорания, полностью спроектированная в КБХА, обеспечивает горение водорода как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом потоках воздуха. В 1998 году ГП-ВРД, изготовленный КБХА, успешно прошел летные испытания в составе модифицированной зенитной ракеты С-200 (рис. 9). ГПВРД был запущен на высоте около 20 км при скорости ракеты М = 3, проработал по программе 77 секунд и вместе с основным двигателем ракеты вывел ее на высоту 27 км, развив при этом скорость М = 6,47.
Впервые в мире горение водорода в камере сгорания ГПВРД происходило в сверхзвуковом потоке. В настоящее время работы по гиперзвуковой тематике продолжаются по ГПВРД с камерой прямоугольного сечения.
За прошедший 44-летний период работы по водородной тематике КБХА накопило большой опыт по применению водорода в качестве топлива для сложных, высокоэффективных двигателей и энергетических установок. Сегодня предприятие располагает действующим комплексом по производству газообразного и жидкого водорода, который применяется при отработке современных кислородно-водородных ракетных двигателей. В интересах своих российских и зарубежных деловых партнеров КБХА выполняет научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные с использованием газообразного и жидкого водорода, который может стать достойной альтернативой традиционным источникам энергии в наступившем XXI веке.
Так ведутся работы по созданию экологически чистых перспективных энергетических установок для
Рис. 9. ГПВРД 58Л в составе зенитной ракеты С-200
Fig. 9. Hypersonic Ramjet Engine 58L as a component of the C-200
anti-aircraft missile
электростанций с использованием водородных парогенераторов, имеющих уникальные эксплуатационные характеристики (температура водяного пара более 1200 К), обеспечивающие повышение КПД турбины на 10-15%.
