CC BY
70УДК 629.78.064.56
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СТЕНДОВАЯ БАЗА АО ГНЦ «ЦЕНТР КЕЛДЫША» ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ МОЩНЫХ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
© 2022 г. Кошлаков В.В., Готовцев К.В., Захаренков Л.Э., Каревский А.В., Кирюшин Е.Н., Ловцов А.С., Ошев Ю.А., Семёнкин А.В., Солодухин А.Е., Федотов С.Ю., Федюнин С.Ю., Цветков А.Г.
Акционерное общество «Государственный научный центр РФ «Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша» (АО ГНЦ «Центр Келдыша») Онежская ул., 8, г. Москва, Российская Федерация, 125438, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
Расширение масштабов космической деятельности в околоземном пространстве и дальнем космосе требует повышения энергодвигательного обеспечения космических аппаратов до уровня сотен киловатт и более. Необходимым условием успешной реализации работ по созданию энергодвигательных установок такой мощности, в т. ч. с ядерными источниками энергии, является наличие полнофункциональной экспериментальной стендовой базы. В АО ГНЦ «Центр Келдыша» создана и успешно функционирует уникальная стендовая экспериментальная база, которая позволяет выполнять как исследовательские испытания, так и экспериментальную отработку ключевых составных частей мощных энергодвигательных установок в условиях, приближённых к штатным условиям эксплуатации. В статье приведено описание основных компонентов стендовой базы АО ГНЦ «Центр Келдыша», приведены некоторые результаты выполненных на ней работ, изложены перспективы её дальнейшего развития и использования при создании мощных энергодвигательных установок космического назначения.
Ключевые слова: испытания, наземная экспериментальная отработка, система преобразования энергии, стендовая база, электроракетный двигатель, энергодвигательная установка.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2022-1-80-95
TEST BENCH EQUIPMENT OF KELDYSH RESEARCH CENTRE FOR TESTING HIGH-PERFORMANCE POWER AND pROpuLSION SYSTEMS Koshlakov V.V., Gotovtsev K.V., Zakharenkov L.E., Karevskiy A.V., Kiryushin E.N., Lovtsov A.S., Oshev Yu.A., Semenkin A.V., Solodukhin A.E., Fedotov S.Yu., Fedyunin S.Yu., Tsvetkov A.G.
Joint Stock Company Keldysh State Research Center (JSC Keldysh Research Center) 8 Onezhskaya str., Moscow, 125438, Russian Federation, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
Expanding space exploration in near-Earth space and deep space calls for an increase in power supply of space vehicles to a level of hundreds of kilowatts and higher. Pre-requisite for successful implementation of works on development of power propulsion systems of such power level, including those with nuclear energy sources, is availability of a full-scale experimental test bench equipment. A unique experimental test bench has been built and is successfully operating at JSC Keldysh Research Center, which allows performing both research and developmental tests of key components of high-performance power and propulsion systems under conditions close to nominal operating conditions. The article describes the main components of JSC Keldysh Research Center test bench equipment, presents some results of the work fulfilled on it, outlines prospects for its furtherance and use in development of space high-performance power and propulsion systems.
Key words: testing, ground developmental testing, power conversion system, test bench equipment, electric propulsion, power and propulsion system.
КОШЛАКОВ Владимир Владимирович — доктор технических наук, генеральный директор АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: kerc@elnet.msk.ru К0SHLAK0V Vladimir Vladimirovich — Doctor of Science (Engineering), General Director of JSC Keldysh Research Center, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
ГОТОВЦЕВ Кирилл Владимирович — ведущий инженер-конструктор АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: gotkir@elnet.msk.ru
GOTOVTSEV Kirill Vladimirovich — Lead engineer-designer at JSC Keldysh Research Center, e-mail: gotkir@ kerc.msk.ru
ЗАХАРЕНКОВ Леонид Эдуардович — кандидат технических наук, заместитель начальника отделения АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
ZAKHARENKOV Leonid Eduardovich — Candidate of Science (Engineering), Deputy Head of Division at JSC Keldysh Research Center, e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
КАРЕВСКИЙ Андрей Владимирович — кандидат технических наук, начальник отдела АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
KAREVSKIY Andrey Vladimirovich — Candidate of Science (Engineering), Head of Department at JSC Keldysh Research Center, e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
КИРЮШИН Евгений Николаевич — ведущий инженер АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
KIRYUSHIN Evgeny Nikolaevich — Lead engineer at JSC Keldysh Research Center, e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
ЛОВЦОВ Александр Сергеевич — кандидат физико-математических наук, начальник отдела АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: lovtsov@kerc.msk.ru.
LOVTSOV Aleksandr Sergeevich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Head of Department at JSC Keldysh Research Center, e-mail: lovtsov@kerc.msk.ru
ОШЕВ Юрий Аркадьевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
OSHEV Yury Arkadyevich — Doctor of Science (Engineering), Lead research scientist at JSC Keldysh Research Center, e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
СЕМЁНКИН Александр Вениаминович — доктор технических наук,
заместитель генерального директора — начальник отделения АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: semenkin@kerc.msk.ru
SEMENKIN Aleksandr Veniaminovich — Doctor of Science (Engineering), Deputy General Director — Head of Division at JSC Keldysh Research Center, e-mail: semenkin@kerc.msk.ru
СОЛОДУХИН Александр Евгеньевич — кандидат технических наук, заместитель начальника отделения АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: solodukhin@kerc.msk.ru
SOLODUKHIN Aleksandr Evgenyevich — Candidate of Science (Engineering), Deputy Head of Division at JSC Keldysh Research Center, e-mail: solodukhin@kerc.msk.ru
ФЕДОТОВ Сергей Юрьевич — начальник отдела АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: fedotov@kerc.msk.ru
FEDOTOV Sergey Yuryevich — Head of Department at JSC Keldysh Research Center, e-mail: fedotov@kerc.msk.ru
ФЕДЮНИН Сергей Юрьевич — ведущий инженер АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
FEDYUNIN Sergey Yuryevich — Lead engineer at JSC Keldysh Research Center, e-mail: 101310-1@kerc.msk.ru
ЦВЕТКОВ Андрей Георгиевич — главный конструктор — начальник КБ АО ГНЦ «Центр Келдыша», e-mail: A.G.Tsvetkov@kerc.msk.ru TSVETKOV Andrey Georgievich — Chief Designer — Head of the Design bureau at JSC Keldysh Research Center, e-mail: A.G.Tsvetkov@kerc.msk.ru
Введение
Будущее космонавтики неразрывно связано с ростом энергообеспечения космических аппаратов (КА) и расширением их функциональных возможностей. Требование качественного повышения энерговооруженности КА (сотни киловатт и выше), помимо совершенствования характеристик традиционных (солнечных и химических) систем энергоснабжения, приводит к необходимости использования ядерной энергии в космосе.
Наша страна имеет уникальный опыт создания и эксплуатации в космическом пространстве энергетических установок (ЭУ) с ядерными источниками энергии. В 1970-1988 гг. запускались в космос и успешно эксплуатировались КА «УС-А» с термоэлектрической ядерной энергетической установкой (ЯЭУ) «Бук» электрической
мощностью до 3 кВт [1, 2]. В 1987-88 гг. проведены лётно-конструкторские испытания двух КА «Плазма-А» с термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» [3, 4]. Продолжением работ по ЯЭУ «Топаз» стали работы по созданию ЯЭУ «Енисей» мощностью до 5,5 кВт [5]. Также были начаты опытно-конструкторские работы по термоэмиссионной ЯЭУ мощностью 550 кВт для межорбитального буксира «Геркулес» с электроракетной двигательной установкой [6]. В ходе этих работ была создана соответствующая стендовая база для проведения полного цикла наземной экспериментальной отработки упомянутых ЯЭУ и их составных частей, включая ядерно-энергетические и ресурсные испытания [5-9].
В начале XXI века за рубежом, прежде всего в США, был разработан ряд проектов КА с мощными (сотни киловатт — мегаватты) газотурбинными
ЭУ, в т. ч. с ядерными источниками энергии [10, 11], а также созданы стендовые установки для экспериментальных исследований составных частей таких ЭУ [12-14]. Работы в этом направлении были возобновлены также в нашей стране [15] и странах Европейского союза [16, 17].
Результаты выполненных работ показали, что наибольшая эффективность от использования мощных ЭУ достигается при использовании так называемых энергодвигательных установок (ЭДУ). В ЭДУ энергия первичного источника тепла преобразуется в электричество, которое далее используется как для питания высокоэффективных электроракетных двигателей (ЭРД) на участке активного полёта КА, так и для питания полезной нагрузки [10, 11, 15, 17-20].
Необходимым условием успешной реализации работ по созданию мощных ЭДУ является наличие полнофункциональной экспериментальной стендовой базы. Ранее в статье [21] были изложены особенности организации наземной экспериментальной отработки мощных ЭДУ космического назначения с ядерными источниками энергии, а также приведены общие требования к составу и характеристикам стендовой базы для испытаний наземного демонстратора такой ЭДУ и его составных частей. В настоящей статье представлено описание основных компонентов стендовой базы АО ГНЦ «Центр Келдыша» для испытаний систем газотурбинного преобразования энергии (СПЭ) и электроракетных двигателей мощных ЭДУ, приведены некоторые результаты выполненных на ней работ, изложены перспективы дальнейшего развития и использования при создании мощных ЭДУ космического назначения.
Стенд испытаний мощных высокооборотных агрегатов
Стенд испытаний мощных высокооборотных агрегатов АО ГНЦ «Центр Келдыша» [21, 22] предназначен для проведения исследований и экспериментальной отработки ключевых элементов мощных газотурбинных систем преобразования энергии.
В созданном стенде (рис. 1) заложены и реализованы следующие технические возможности:
• физическое моделирование процессов преобразования тепловой энергии в электрическую в замкнутом газотурбинном контуре с использованием имитаторов источника нагрева рабочего тела и системы отвода низкопотенциального тепла;
• исследование и отработка различных вариантов конструктивного исполнения ключевых составных частей газотурбинной СПЭ — высокооборотных турбокомпрессоров-генераторов (ТКГ) и теплообменных аппаратов;
• реализация этапов характерной циклограммы работы газотурбинной СПЭ в составе космической ЭУ;
• отработка алгоритмов управления и поддержания заданных параметров как в ручном, так и в автоматическом режимах;
• максимальная оснащённость дат-чиковой аппаратурой, обеспечивающей получение в режиме реального времени полного объёма информации о параметрах и техническом состоянии исследуемых изделий и испытательного оборудования.
Составные части газотурбинной СПЭ — высокооборотный турбокомпрессор-генератор, теплообменник-рекуператор и теплообменник-холодильник — вместе с резистивным нагревателем газа (РНГ) и трубопроводами образуют замкнутый контур газотурбинного преобразования энергии. В качестве рабочего тела в контуре может использоваться аргон или гелий-ксеноновая смесь.
При проведении испытаний ТКГ устанавливается внутри камеры, в которой для защиты конструкционных материалов от окисления при высоких температурах может быть, при необходимости, создана защитная атмосфера — инертный газ или вакуум. Кроме того, в случае возникновения аварийной ситуации, связанной с разрушением ротора ТКГ, стенки камеры являются физическим барьером для разлетающихся с высокой скоростью элементов. Подключение ТКГ в состав замкнутого контура газотурбинного преобразования энергии осуществляется через неподвижный фланец камеры, к которому подстыкованы трубопроводы, подводящие и отводящие рабочее тело к турбине и компрессору.
а)
б)
Рис. 1. Стенд АО ГНЦ «Центр Келдыша» для испытаний мощных высокооборотных агрегатов: а — схема; б — внешний вид
Важнейшим элементом стенда является РНГ мощностью 1 МВт (рис. 2) [23], который имитирует работу источника тепла космической ЭУ, обеспечивая нагрев рабочего тела в замкнутом контуре преобразования энергии до температуры 1 500 К. Проток и нагрев газа осуществляются внутри негерметичных трубок 14, расположенных в полости 10. Трубки через изоляторы установлены в отверстиях несущих фланцев 11. К трубкам через охлаждаемые герметичные токовводы 1 по шинам 15 подводится электрический ток. Подвод и отвод газообразного рабочего тела осуществляются через патрубки 2 и 9. Внешний герметичный корпус 13, который является силовой частью конструкции и выдерживает перепад между рабочим давлением РНГ и окружающей средой, состоит из цилиндрической части 12 и двух крышек 4. Охлаждение уплотнений стыков крышек и цилиндрической части корпуса осуществляется водой, подаваемой в каналы охлаждения 3 и 5. Теплоизоляция 7, расположенная внутри корпуса 13, обеспечивает минимальные утечки тепла из зоны нагрева газа. Она отделена от непосредственного контакта с рабочим газом жаропрочными высокотемпературными экранами 6 и 8.
Циркуляция нагретого до высоких температур газообразного рабочего тела по замкнутому контуру осуществляется по жаровым трубопроводам, состоящим из прямолинейных и изогнутых сегментов, компенсаторов, фланцев и соединительных элементов. Внутренний «горячий»
элемент трубопроводов выполнен негерметичным и, соответственно, разгруженным от воздействия давления высокотемпературного газа. Наружный силовой элемент выполнен герметичным, между ним и внутренним элементом установлена тепловая изоляция (рис. 3). Такое техническое решение обеспечивает температуру наружного силового элемента трубопровода не более 200 °С (473 К) при температуре газообразного рабочего тела 1 227 °С (1 500 К).
а)
б)
Рис. 2. Резистивный нагреватель газа: а — схема: 1 — токовводы; 2,9 — патрубки подвода и отвода рабочего тела; 3,5 — каналы водяного охлаждения; 4 — крышки корпуса; 6, 8 — высокотемпературные экраны; 7 — теплоизоляция; 10 — внутренняя полость; 11 — несущие фланцы; 12 — цилиндрическая часть корпуса; 13 — силовой корпус; 14 — трубки; 15 — токоведущие шины; б — внешний вид
Рис. 3. Конструкция жарового трубопровода
Отвод избыточного тепла мощностью до 1 МВт от замкнутого контура преобразования энергии осуществляется тепловым имитатором системы отвода тепла (ТИСОТ), построенным по двухконтурной схеме (см. рис. 1). В первом контуре ТИСОТ, связанном с контуром газотурбинного преобразования энергии через теплообменник-холодильник, циркулирует высокотемпературная жидкость, являющаяся аналогом штатного теплоносителя системы отвода тепла ЭДУ. Второй водяной контур имитирует работу холодильника-излучателя, сбрасывая отводимое тепло через градирни в окружающее пространство.
Для разгона ротора ТКГ и поддержания требуемой частоты его вращения до начала выработки электроэнергии служит система обеспечения запуска (СОЗ), представляющая собой трёхфазный источник тока с переменной частотой. Алгоритм работы СОЗ построен таким образом, что обеспечивается быстрый (не более 2-3 с) начальный разгон ротора до частоты вращения, обеспечивающей его «всплытие» в лепестковых газодинамических подшипниках, используемых в составе ТКГ, и последующее увеличение и поддержание частоты вращения в соответствии с циклограммой испытаний. После начала выработки электроэнергии в контуре СОЗ автоматически отключается, и необходимая частота вращения ротора ТКГ поддерживается балластной нагрузкой регулируемой мощности (см. ниже). Последующее автоматическое включение СОЗ осуществляется при выходе контура из режима генерации электроэнергии. Далее СОЗ вращает ротор ТКГ для обеспечения циркуляции рабочего тела при расхолаживании замкнутого контура.
При проведении автономных испытаний замкнутого контура газотурбинного преобразования вырабатываемая электроэнергия утилизируется балластной нагрузкой суммарной мощностью до 250 кВт. Балластная нагрузка составлена из секций резистивных элементов, подключаемых параллельно к силовым цепям ТКГ. Количество и номиналы резистивных элементов подобраны таким образом, что электрическая проводимость каждой ¿-й секции
примерно в два раза выше проводимости ^ -1)-й секции О./О¿—1~ 2, что обеспечивает возможность реализации 21 ступеней регулирования по мощности нагрузки (г — количество параллельных секций балластной нагрузки). Для обеспечения автоматического поддержания заданной частоты вращения ротора ТКГ программно-аппаратными средствами реализован принцип автоматического изменения проводимости подключаемой балластной нагрузки и, соответственно, её мощности по закону ПИД-регулятора [24].
Для получения полной и достоверной информации о техническом состоянии составных частей газотурбинной СПЭ и технологического оборудования при проведении испытаний служит высокопроизводительная система управления и регистрации параметров. Эта система обеспечивает:
• приём и обработку сигналов от датчиков, визуализацию в режиме реального времени данных о числовых значениях измеряемых параметров (температур, давлений, расходов, электрических токов, напряжений и пр.) общим количеством около 200;
• запись и хранение данных об измеряемых параметрах в виде, позволяющем проведение их обработки и последующего анализа;
• предоставление визуальной информации о состоянии изделий в ходе испытаний;
• управление исполнительными механизмами изделия и технологического оборудования в соответствии с заложенной командно-программной информацией.
Особая роль в оценке технического состояния одного из наиболее критических элементов замкнутого контура газотурбинного преобразования энергии — турбокомпрессора-генератора — отводится средствам контроля быстроменяющихся параметров (БМП): вибраций, перемещений, частоты вращения, акустического шума. Средства контроля БМП включают в свой состав соответствующие датчики, установленные в состав ТКГ, и многоканальный программно-аппаратный комплекс сбора и обработки сигналов с синхронной частотой опроса каналов до 200 кГц. Программное обеспечение комплекса позволяет в режиме
реального времени визуализировать орбиты движения ротора ТКГ, спектральную картину вибраций и акустического шума и пр., что даёт возможность получать информацию о состоянии ротора и подшипниковых опор ТКГ, диагностировать развитие неблагоприятных процессов и тем самым предотвратить возникновение возможных аварийных ситуаций при проведении испытаний.
В составе стенда имеется также ряд технологических систем, обеспечивающих полный цикл подготовки и проведения испытаний. К таким системам относятся:
• система вакуумирования для обез-гаживания внутреннего объёма замкнутого контура перед его заполнением газообразным рабочим телом;
• система заправки, предназначенная для заполнения, изменения давления и сброса рабочего тела замкнутого контура;
• система электропитания для подвода электроэнергии к основным технологическим системам и оборудованию;
• система оборотного водоснабжения, предназначенная для подготовки и подачи воды в тепловой имитатор системы отвода тепла и для охлаждения испытательного оборудования.
При сравнении с опубликованными данными по характеристикам и возможностям зарубежных стендовых установок, предназначенных для испытаний и экспериментальной отработки систем преобразования энергии мощных энергодвигательных установок [12-14], можно констатировать, что стенд АО ГНЦ «Центр Келдыша» для испытаний мощных высокооборотных агрегатов является в настоящее время самым мощным и многофункциональным стендом в мире для проведения исследований и экспериментальной отработки газотурбинных систем преобразования энергии мощных ЭДУ и их составных частей.
Стенд для испытаний электроракетных двигателей
Основным элементом стенда АО ГНЦ «Центр Келдыша» для испытаний ЭРД является криогенная вакуумная установка КВУ-90 (рис. 4), позволяющая проводить огневые и ресурсные
испытания холловских и ионных двигателей мощностью до 35 кВт [25]. Стенд оснащён вакуумной камерой 03,8 м и объёмом 90 м3, криогенными насосами с общей производительностью откачки по ксенону 140 м3/с, системами управления, электропитания и подачи рабочего тела.
б)
Рис. 4. Установка КВУ-90 для испытаний ЭРД:
а — внешний вид; б — схема
В качестве рабочего тела для ЭРД могут быть использованы инертные газы (ксенон, криптон и аргон) и их смеси. Имеющиеся в составе установки КВУ-90 две предкамеры позволяют производить оперативные испытания и замену двигателей без напуска атмосферы в основную часть вакуумной камеры. Тягоизмерительное устройство обеспечивает измерение тяги ЭРД в диапазоне 20...2 000 мН. Имеющиеся зондовые датчики позволяют проводить бесконтактные исследования параметров струи двигателя.
Установка КВУ-90 оснащена полностью автоматизированной системой регистрации данных. Все параметры, необходимые для получения интегральных параметров двигателя, такие как тяга, разрядный ток, разрядное напряжение, преобразуются с помощью нормализаторов сигналов и через систему сбора данных вводятся в компьютер.
Стендовая инфраструктура для совместных испытаний газотурбинных систем преобразования энергии и электроракетных двигателей
Кроме проведения автономных испытаний основных составных частей мощных ЭДУ, инфраструктура рассмотренных выше стендов обеспечивает также проведение исследований совместной работы замкнутого контура газотурбинной системы преобразования энергии и ЭРД. Данная инфраструктура включает в себя:
• аппаратуру системы преобразования электроэнергии, расположенную на стенде испытаний мощных высокооборотных агрегатов;
• блок коммутации высоковольтных цепей, расположенный на стенде испытаний ЭРД;
• высоковольтную кабельную сеть, соединяющую аппаратуру системы
преобразования электроэнергии и блок коммутации высоковольтных цепей.
Для проведения предварительных «холодных» стыковочных испытаний аппаратуры преобразования электроэнергии и ЭРД используется электромеханический имитатор замкнутого контура газотурбинного преобразования энергии. Этот имитатор выполнен в виде электродвигателя-генератора (ЭДГ) — агрегата, объединяющего в единой конструкции электрический двигатель и электрический генератор с раздельными статорными частями и общим ротором. Электродвигатель ЭДГ через преобразователь запитыва-ется от промышленной электрической сети. Электрогенератор ЭДГ преобразует энергию вращающегося ротора ЭДГ в электроэнергию с параметрами, идентичными параметрам электроэнергии, генерируемой ТКГ замкнутого контура газотурбинного преобразования энергии. Возможность проведения предварительных «холодных» испытаний позволяет получить экспериментальные данные о взаимном влиянии аппаратуры преобразования электроэнергии и ЭРД, что снижает риск возникновения аварийных ситуаций при «горячих» испытаниях совместно с замкнутым контуром газотурбинного преобразования энергии (рис. 5).
^ - Электродвигатель-генератор
Рис. 5. Схема организации совместных испытаний замкнутого контура газотурбинного преобразования энергии и ЭРД
Возможность испытаний замкнутого контура газотурбинного преобразования энергии с аппаратурой преобразования электроэнергии и ЭРД позволяет выполнять в АО ГНЦ «Центр Келдыша» уникальные исследования и комплексное физическое моделирование совместной работы основных составных частей мощных ЭДУ — от первичного источника тепла до создающих полезную тягу ЭРД [26].
Стендовый комплекс термовакуумных испытаний
Стендовый комплекс термовакуумных испытаний [27] предназначен для экспериментальной отработки изделий космической техники, в т. ч. систем преобразования энергии мощных ЭДУ.
Испытательный комплекс имеет три участка (рис. 6):
• участок для испытаний полноразмерных изделий, оснащённый вакуумной камерой (ВК) объёмом ~150 м3 (04,5 м; длина -11 м);
• участок испытаний характерного модуля изделия и участок испытаний составных частей изделий, каждый из которых оснащён одинаковыми вакуумными камерами объёмом ~35 м3 (03 м, длина ~6 м).
Наличие трёх независимых испытательных участков позволяет проводить весь цикл основной отработки изделий, включая длительные ресурсные испытания.
Требуемое значение остаточного давления внутри вакуумной камеры (не более 110—1_110—3 Па) обеспечивается двухступенчатой (форвакуумной и высоковакуумной) откачкой. В качестве откачных средств использованы «сухие» (безмасляные) вакуумные агрегаты, исключающие осаждение на поверхность испытываемого изделия загрязняющих масляных плёнок, которые могут
привести к изменению теплоизоляционных свойств его материалов и их излучающей способности.
Для отвода утечек тепла, попадающих на стенки от испытываемых изделий, предусмотрено водяное охлаждение ВК. Крышки ВК снабжены съёмными монтажными фланцами с установленными на них газовыми, жидкостными и электрическими проходными вводами для стыковки с соответствующими интерфейсами испытываемых изделий.
При проведении испытаний систем преобразования энергии мощных энергодвигательных установок могут быть задействованы нагреватели, конструкция которых аналогична конструкции ре-зистивного нагревателя газа стенда испытаний высокооборотных агрегатов: по одному нагревателю на участках испытаний характерного модуля и испытаний составных частей изделий и до четырёх нагревателей на участке испытаний полноразмерных изделий (рис. 7).
Рис. 6. Стендовый комплекс термовакуумных испытаний: 1 — участок испытаний полноразмерных изделий; 2 — участок испытаний характерного модуля изделия; 3 — участок испытаний составных частей изделий
Рис. 7. Вакуумные камеры и резистивные комплекса термовакуумных испытаний
нагреватели
Ш2. газа
стендового
Стыковка трубопроводов, подводящих и отводящих газ к и от РНГ, с соответствующими трубопроводами полноразмерной СПЭ или её характерного модуля осуществляется через монтажный фланец ВК. Вариант размещения полноразмерной системы преобразования энергии ЭДУ показан на рис. 8.
Отвод избыточной тепловой мощности осуществляется средствами имитации системы отвода тепла (СИ СОТ). Средства имитации СОТ так же, как и на стенде испытаний мощных высокооборотных агрегатов, имеют в своём составе два контура: контур высокотемпературного теплоносителя и контур системы обор отного водоснабжения. Теплообменные агрегаты СИ СОТ располагаются вне ВК. Подсоединение магистралей СИ СОТ к соответствующим магистралям испытываемых изделий осуществляется через проходные патрубки, расположенные на крышках ВК (на рис. 8 не показаны). Для заправки СИ СОТ высокотемпературным теплоносителем предусмотрена система заправки жидкостного контура перед проведением испытаний. Для обеспечения температурного режима охлаждающей воды используются холодильные машины (чиллеры).
Существует возможность проведения тепловых испытаний характерной секции штатного холодильника-излучателя с мощностью теплосброса до 30 кВт в вакуумной камере на участке
испытаний составных частей изделий. В этом случае общий расход высокотемпературного теплоносителя СИ СОТ на выходе из теплообменника-холодильника системы преобразования энергии разделяется на два потока: первый поток направляется в водо-охлаждаемый теплообменник СИ СОТ, а второй — в секцию холодильника-излучателя.
Автоматическая система управления стендовым комплексом включает в себя системы (подсистемы) управления как объектами испытаний, так и основным технологическим оборудованием (резис-тивным нагревателем газа, системой отвода тепла, системой оборотного водоснабжения, балластной нагрузкой).
Кроме основных технологических систем в составе стендового комплекса предусмотрено наличие ряда вспомогательных систем:
• системы вакуумирования газовых и жидкостных трактов испытываемых изделий на базе высоковакуумных «безмасляных» вакуумных постов;
• системы проверки трактов изделий на герметичность на базе постов с гелиевыми течеискателями;
• системы подготовки контура, предназначенной для заполнения газовых контуров технологическими инертными газами с последующим их вакууми-рованием перед заправкой контуров рабочим телом с целью исключения присутствия в контуре нежелательных газовых составляющих.
Рис. 8. Размещение полноразмерной системы преобразования энергии (СПЭ) в вакуумной камере: 1 — резистивный нагреватель газа; 2 — жаровые трубопроводы; 3 — СПЭ; 4 — вакуумная камера
Сборка и контрольные проверки изделий перед термовакуумными испытаниями осуществляются в отдельном корпусе, имеющем в своем составе несколько производственно-технологических зон:
• зону общеинженерных и обслуживающих систем;
• зону разгрузки/погрузки изделий;
• шлюзовую зону;
• зону чистых помещений с классом чистоты 8 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1.
заключение
В АО ГНЦ «Центр Келдыша» созданы и успешно эксплуатируются стенды, обеспечивающие проведение исследований и экспериментальной отработки ключевых составных частей мощных ЭДУ:
• стенд для испытаний мощных высокооборотных агрегатов, который в настоящее время является самым мощным и многофункциональным стендом в мире для проведения исследований и экспериментальной отработки газотурбинных систем преобразования энергии и их составных частей мощностью до 250 кВт;
• стенд для огневых и ресурсных испытаний различных типов ЭРД мощностью до 35 кВт.
Инфраструктура этих стендов, кроме автономных испытаний, позволяет также подготавливать и проводить совместные исследования работы замкнутого контура газотурбинного преобразования энергии и электроракетных двигателей, обеспечивая тем самым возможность получения уникальных экспериментальных данных по совместной работе основных составных частей мощных ЭДУ — от первичного источника тепла до создающих полезную тягу электроракетных двигателей.
Заложенные и апробированные на стенде для испытаний мощных высокооборотных агрегатов технические решения реализованы в стендовом комплексе термовакуумных испытаний изделий космической техники. Инфраструктура этого комплекса позволяет проводить весь цикл основной отработки систем преобразований энергии мощных ЭДУ, а также других изделий — от сборки и контрольных проверок в «чистых» помещениях до
функциональных и длительных ресурсных испытаний в условиях глубокого вакуума.
Имеющаяся в АО ГНЦ «Центр Келдыша» экспериментальная стендовая база обеспечивает нашей стране лидерство и предоставляет существенные конкурентные преимущества по сравнению с зарубежными странами в области разработки и создания мощных ЭДУ, которые позволяют реализовать целый ряд перспективных задач в космосе, включая освоение Луны, пилотируемые экспедиции на Марс, полёты к дальним планетам Солнечной системы и их спутникам.
Список литературы
1. Пупко В.Я. Работы по ядерным установкам для космоса / / Атомная энергия. 1996. Т. 80. Вып. 5. С. 357-361.
2. Земляное А.Б., Косое Г.Л., Трау-бе В.А. Система морской космической разведки и целеуказания (история создания). СПб.: Галея-Принт, 2002. 216 с.
3. Богуш И.П., Грязное Г.М., Жабо-тинский Е.Е., Макаров А.Н., Сербин В.И., Труханов Ю.Л. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе «Топаз». Принципы конструкции и режимы работы // Атомная энергия. 1991. Т. 70. Вып. 4. С. 211-214.
4. Богуш И.П., Грязное Г.М., Жа-ботинский Е.Е., Макаров А.Н., Сербин В.И., Труханов Ю.Л, Визгалов А.В., Зродников А.В., Пупко В.Я. Основные задачи и результаты лётных испытаний ЯЭУ по программе «Топаз» // Атомная энергия. 1991. Т. 70. Вып. 4. С. 214-217.
5. Кухаркин Н.Е., Понамарев-Степной Н.Н., Усов В.А. Космическая ядерная энергетика (ядерные реакторы с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием — «Ромашка» и «Енисей») / Под ред. акад. РАН Н.Н. Пономарева-Степного. М.: ИздАт, 2012. 226 с.
6. Синявский В.В. Научно-технический задел по ядерному электроракетному межорбитальному буксиру «Геркулес» // Космическая техника и технологии. 2013. № 3. С. 25-45.
7. Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. М.: Энергоатомиздат, 2000. 375 с.
8. Романов А.В. Теория комплексной оптимизации проектирования космических аппаратов с ядерными термоэмиссионными установками. СПб.: Профессионал, 2010. 472 с.
9. Кириллов А.С., Пышко А.П., Ро-маненко А.А., Ярыгин В.И. Реакторный исследовательско-испытательный комплекс // Космическая техника и технологии. 2020. № 4(31). С. 69-79.
10. Prometheus Project Final Report // National Aeronautics and Space Administration, Jet Propulsion Laboratory, CA Pasadena 982-R120461, October 1, 2005.
11. McGuire M.L., Martini M.C., Packard T.W., Weglian J.E. and Gilland J.H. Use of high-power Brayton nuclear electric propulsion (NEP) for a 2033 Mars round-trip mission // NASA/TM. 2006. 214106.
12. Steven A. Write, Milton E. Vernon and Paul Pickard. Small Scale Closed Brayton Cycle Dynamic Response Experiment Results. Sandia Report SAND2006 — 3485 (Unlimited Release) // Sandia National Laboratories. 2006.
13. David S. Hervol, Maxwell Briggs, A. Karl Owen and Thomas A. Lavelle. Experimental and Analytical Performance of a Dual Brayton Power Conversion System // NASA/TM. 2009. 215511.
14. David S. Hervol, Lee Mason, Art Birchenough and Luis Pinero. Experimental Investigations From the Operation of a 2 kW Brayton Power Conversion Unit and a Xenon Ion Thruster // NASA/TM. 2004. 212960.
15. Коротеев А.С., Акимов В.Н., Попов C.A. Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса // Полёт. 2011. № 4. С. 93-99.
16. Jansen, F., Bauer, W., Masson, F., Ruault, J.-M., Worms, J.-C., Detsis, E., Lassoudiere, F., Granjon, R., Gaia, E., Tosi, M.C., Koroteev A.S., Semenkin, A., Tinsley, T, Hodgson, Z, Koppel, Ch., Guimaräes, L.N.F. DEMOCRITOS Demonstrators for Realization of Nuclear Electric Propulsion of the European Roadmaps MEGAHIT & DiPoP // Special Issue of Transactions of Japan Society for Aeronautical and Space Sciences (JSASS)) for the Joint Conference 30th ISTS, 34th IEPC & 6th NSAT, submitted (2015).
17. Jansen F., Bauer W., Masson F., Ruault J.-M., Worms J.-C., Detsis E., Lassoudiere F., Granjon R., Gaia E., Tosi M.C., Koroteev A.S., Semenkin A.V., Tinsley T., Hodgson Z, Koppel Ch. and Guimaräes L.N.F. Step-by-step Realization of the International Nuclear Power and Propulsion System (INPPS) Mission // 66th International Astronautical Congress, Jerusalem, Israel, 2015, IAC-15. C4.7-C3.5.
18. Коротеев А.С. Новый этап развития космической энергетики // Вестник РАН. 2012. Т. 82. № 4. С. 317-322.
19. Кувшинова Е.Ю., Синицын А.А. Эффективность применения межорбитальных буксиров на основе ядерных электроракетных двигательных установок в транспортных операциях // Космонавтика и ракетостроение. 2010. № 3. С. 76-83.
20. Коротеев А.С., Ошев Ю.А., Попов С.А., Захаренков Л.Э., Каревский А.В., Семёнкин А.В., Солодухин А.Е. Ядерная энергодвигательная установка космического аппарата // Известия РАН. Энергетика. 2015. № 5. С. 45-59.
21. Андрианов Д.И., Захаренков Л.Э., Каревский А.В., Кирюшин Е.Н., Ошев Ю.А., Попов А.В., Попов С.А., Семёнкин А.В., Солодухин А.Е., Терехов Д.Н., Штонда С.Ю. Особенности организации наземной экспериментальной отработки мощных ядерных энергодвигательных установок космического назначения // Космическая техника и технологии. 2018. № 2(21). С. 41-53.
22. Патент 2502975 РФ. МПК G01M 15/00. Стенд для испытаний мощного высокооборотного агрегата. Зайкин Н.С., Каревский А.В., Метелкина М.И., Нечаев В.Ю., Ошев Ю.А., Попов С.А., Семенкин А.В., Федотов С.Ю., Федюнин С.Ю., Чиков А.В.; заявитель и патентообладатель — Государственный научный центр Российской Федерации — федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша»; заявка 2013103632/06 от 29.01.2013 г. // Изобретения. Полезные модели. Опубликовано 27.12.2013 г.
23. Патент на полезную модель 119555 РФ. МПК H05B 3/40. Электрический нагреватель газа. Голиков А.Н., Метел-кина М.И., Федотов С.Ю. заявитель и патентообладатель — Государственный
научный центр Российской Федерации — федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша»; заявка 2011153459 от 27.12.2011 г. // Изобретения. Полезные модели. Опубликовано 20.08.2012 г.
24. Патент 2677258 РФ. МПК H02J 3/12. Способ управления автономной энергоустановкой (варианты). Икса-нов Х.С., Каревский А.В.; Ошев Ю.А.; Семенкин А.В., Федюнин С.Ю.; заявитель и патентообладатель — Государственный научный центр Российской Федерации — федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша»; заявка 2017135636 от 05.10.2017 г. // Изобретения. Полезные модели. Опубликовано 16.01.2019 г.
25. Gorshkov O. A., Ilyin, A.A. and Rizakhanov R.N. New Large Facility for High-Power Electric Propulsion Tests //
Proceedings of the 6th Propulsion for Space Transportation of the XXI Century Symposium, Paper S20_2, Versailles, France, 2002.
26. Коротеев А.С., Готовцев К.В., Захаренков Л.Э., Каревский А.В., Ловцов А.С., Ошев Ю.А., Селиванов М.Ю., Семёнкин А.В., Солодухин А.Е. Совместное функционирование электроракетных двигателей и системы газотурбинного преобразования энергии в составе энергодвигательной установки космического назначения // Известия РАН. Энергетика. 2020. № 1. С. 3-20.
27. Центр Келдыша: нанотехноло-гии, плазмотроны, ионные двигатели, ядерный буксир. Режим доступа: http:/www.tvroscosmos.ru/6780/ (дата обращения 21.04.2021 г.).
Статья поступила в редакцию 21.06.2021 г. Окончательная редакция — 19.07.2021 г.
Reference
1. Pupko V.Ya. Raboty po yadernym ustanovkam dlya kosmosa [Work on nuclear power systems for space]. Atomnaya energiya, 1996, vol. 80, issue 5,pp. 357-361.
2. Zemlyanov A.B., Kosov G.L., Traube V.A. Sistema morskoi kosmicheskoi razvedki i tseleukazaniya (istoriya sozdaniya) [A system for maritime reconnaissance and targeting from space (a history of its origins)]. Saint-Petersburg, Galeya-Printpubl., 2002. 216p.
3. Bogush I.P., Gryaznov G.M., Zhabotinskii E.E., Makarov A.N., Serbin V.I., Trukhanov Yu.L. Kosmicheskaya termoemissionnaya YaEU po programme «Topaz». Printsipy konstruktsii i rezhimy raboty [Space thermionic nuclear power system under Topaz program design philosophy and operational modes]. Atomnaya energiya, 1991, vol. 70, issue 4, pp. 211-214.
4. Bogush I.P., Gryaznov G.M., Zhabotinskii E.E., Makarov A.N., Serbin V.I., Trukhanov Yu.L., Vizgalov A.V., Zrodnikov A.V., Pupko V.Ya. Osnovnye zadachi i rezul'taty letnykh ispytanii YaEU po programme «Topaz» [Major objectives and results of flight tests of a nuclear power system under Topaz program]. Atomnaya energiya, 1991, vol. 70, issue 4,pp. 214-217.
5. Kukharkin N.E., Ponamarev-Stepnoi N.N., Usov V.A. Kosmicheskaya yadernaya energetika (yadernye reaktory s termoelektricheskim i termoemissionnym preobrazovaniem — «Romashka» i «Enisei») [Nuclear power generation in space (nuclear power reactors with thermoelectric and thermionic conversion — Romashka and Enisei)]. Ed. by RAS acad. N.N. Ponomarev-Stepnoy. Moscow, IzdAtpubl., 2012. 226 p.
6. Sinyavskii V.V. Nauchno-tekhnicheskii zadel po yadernomu elektroraketnomu mezhorbital'nomu buksiru «Gerkules» [Advanced technology for nuclear electric propulsion orbital transfer vehicle HERCULES]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2013, no. 3,pp. 25-45.
7. Sinyavskii V.V. Metody i sredstva eksperimental'nykh issledovanii i reaktornykh ispytanii termoemissionnykh elektrogeneriruyushchikh sborok [Methods and means of experimental studies and reactor tests of thermionic power-generating assemblies]. Moscow, Energoatomizdat publ., 2000. 375p.
8. Romanov A.V. Teoriya kompleksnoi optimizatsii proektirovaniya kosmicheskikh apparatov s yadernymi termoemissionnymi ustanovkami [Integrated optimization theory for design of spacecraft with thermionic nuclear power systems]. Saint-Petersburg, Professional publ., 2010. 472 p.
9. Kirillov A.S., Pyshko A.P., Romanenko A. A., Yarygin V.I. Reaktornyi issledovatel'sko-ispytatel'nyi kompleks [The reactor research and test facility]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2020, no. 4(31),pp. 69-79.
10. Prometheus Project Final Report. National Aeronautics and Space Administration, Jet Propulsion Laboratory, CA Pasadena 982-R120461, October 1, 2005.
11. McGuire M.L., Martini M.C., Packard T.W., Weglian J.E., Gilland J.H. Use of high-power Brayton nuclear electric propulsion (NEP) for a 2033 Mars round-trip mission. NASA/TM, 2006, 214106.
12. Write S.A., Vernon M.E., Pickard P. Small scale closed Brayton cycle dynamic response experiment Results. Sandia Report SAND2006 - 3485 (Unlimited Release). Sandia National Laboratories, 2006.
13. Hervol D.S., Briggs M., Owen A.K., Lavelle T.A. Experimental and analytical performance of a dual Brayton power conversion system. NASA/TM, 2009, 215511.
14. Hervol D.S., Mason L., Birchenough A., Pinero L. Experimental investigations from the operation of a 2 kW Brayton power conversion unit and a xenon ion thruster. NASA/TM, 2004, 212960.
15. Koroteev A.S., Akimov V.N., Popov S.A. Proekt sozdaniya transportno-energeticheskogo modulya na osnove yadernoi energodvigatel'noi ustanovki megavattnogo klassa [Project to develop transportation and power module based on a megawatt-class nuclear power and propulsion system]. Polet, 2011, no. 4, pp. 93-99.
16. Jansen F., Bauer W., Masson F., Ruault J.-M., Worms J.-C., Detsis E., Lassoudiere F., Granjon R., Gaia E., Tosi M.C., Koroteev A.S., Semenkin A., Tinsley T., Hodgson Z., Koppel Ch., Guimaräes L.N.F. DEMOCRITOS demonstrators for realization of nuclear electric propulsion of the European roadmaps MEGAHIT & DiPoP. Special Issue of Transactions of Japan Society for Aeronautical and Space Sciences (JSASS) for the Joint Conference 30th ISTS, 34th IEPC & 6th NSAT, submitted (2015).
17. Jansen F., Bauer W., Masson F., Ruault J.-M., Worms J.-C., Detsis E., Lassoudiere F., Granjon R., Gaia E., Tosi M.C., Koroteev A.S., Semenkin A.V., Tinsley T., Hodgson Z., Koppel Ch., Guimaräes L.N.F. Step-by-step realization of the International Nuclear Power and Propulsion System (INPPS) mission. 66th International Astronautical Congress, Jerusalem, Israel, 2015, IAC-15, C4.7-C3.5.
18. Koroteev A.S. Novyi etap razvitiya kosmicheskoi energetiki [New stage in the development of power generation in space]. Vestnik RAN, 2012, vol. 82, no. 4, pp. 317-322.
19. Kuvshinova E.Yu, Sinitsyn A.A. Effektivnost' primeneniya mezhorbital'nykh buksirov na osnove yadernykh elektroraketnykh dvigatel'nykh ustanovok v transportnykh operatsiyakh [Effectiveness of using orbital transfer vehicles based on nuclear-powered electric propulsion systems in transportation operations]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2010, no. 3, pp. 76-83.
20. Koroteev A.S., Oshev Yu.A., Popov S.A., Zakharenkov L.E., Karevskii A.V., Semenkin A.V., Solodukhin A.E. Yadernaya energodvigatel'naya ustanovka kosmicheskogo apparata [Nuclear power generation and propulsion system]. Izvestiya RAN. Energetika, 2015, no. 5, pp. 45-59.
21. Andrianov D.I., Zakharenkov L.E., Karevskii A.V., Kiryushin E.N., Oshev Yu.A., Popov A.V., Popov S.A., Semenkin A.V., Solodukhin A.E., Terekhov D.N., Shtonda S.Yu. Osobennosti organizatsii nazemnoi eksperimental'noi otrabotki moshchnykh yadernykh energodvigatel'nykh ustanovok kosmicheskogo naznacheniya [Special aspects of organizing ground developmental tests of high-power nuclear power generation units for space applications]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2018, no. 2(21), pp. 41-53.
22. Patent 2502975. Russian Federation. Stend dlya ispytanii moshchnogo vysokooborotnogo agregata [High-rpm plant test bench]. Zaikin N.S., Karevskii A.V., Metelkina M.I., Nechaev V.Yu., Oshev Yu.A., Popov S.A., Semenkin A.V., Fedotov S.Yu., Fedyunin S.Yu., Chikov A.V; the applicant and the patent owner — Gosudarstvennyi nauchnyi tsentr Rossiiskoi Federatsii - federal'noe gosudarstvennoe unitarnoe predpriyatie Issledovatel'skii tsentr im. M.V. Keldysha; application 2013103632/06 of 29.01.2013. Izobreteniya. Poleznye modeli, published 27.12.2013.
23. Utility model patent 119555. Russian Federation. Elektricheskii nagrevatel' gaza [Electrical gas heater]. Golikov A.N., Metelkina M.I., Fedotov S.Yu.; the applicant and the patent owner — Gosudarstvennyi nauchnyi tsentr Rossiiskoi Federatsii - federal'noe gosudarstvennoe unitarnoe predpriyatie Issledovatel'skii tsentr im. M.V. Keldysha; application 2011153459 of 27.12.2011. Izobreteniya. Poleznye modeli, published 20.08.2012.
24. Patent 2677258. Russian Federation. Sposob upravleniya avtonomnoi energoustanovkoi (varianty) [Method for controlling an autonomous power plant (options)]. Iksanov Kh.S., Karevskii A.V.; Oshev Yu.A.; Semenkin A.V., Fedyunin S.Yu.; the applicant and the patent owner — Gosudarstvennyi nauchnyi tsentr Rossiiskoi Federatsii - federal'noe gosudarstvennoe unitarnoe predpriyatie Issledovatel'skii tsentr im. M.V. Keldysha; application 2017135636 of 05.10.2017. Izobreteniya. Poleznye modeli, published 16.01.2019.
25. Gorshkov O.A., Ilyin, A.A., Rizakhanov R.N. New large facility for high-power electric propulsion tests. Proceedings of the 6th Propulsion for Space Transportation of the XXI Century Symposium, Paper S20_2, Versailles, France, 2002.
26. Koroteev A.S., Gotovtsev K.V., Zakharenkov L.E., Karevskii A.V., Lovtsov A.S., Oshev Yu.A., Selivanov M.Yu., Semenkin A.V., Solodukhin A.E. Sovmestnoe funktsionirovanie elektroraketnykh dvigatelei i sistemy gazoturbinnogo preobrazovaniya energii v sostave energodvigatel'noi ustanovki kosmicheskogo naznacheniya [Joint operation of electric thrusters and a gas turbine energy conversion system within a power and propulsion system for space applications]. Izvestiya RAN. Energetika, 2020, no. 1, pp. 3-20.
27. Tsentr Keldysha: nanotekhnologii, plazmotrony, ionnye dvigateli, yadernyi buksir [Keldysh Center: nanotechnologies, plasmatrons, ion thrusters, nuclear tug]. Available at: http:/www.tvroscosmos.ru/6780/ (accessed 21.04.2021).
