CC BY
66Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
УДК 629.76
ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ
А. А. Зуев, В. П. Назаров, В. О. Фальков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: dla204@inbox.ru
Проведены экспериментальные исследования и стендовые испытания криогенных жидкостных ракетных двигателей перспективных разгонных блоков. Проведена верификация предложенных конструктивных и схемных решений. Получены основные энергетические характеристики, осуществлена отработка рабочих процессов, обеспечивающих работоспособность двигателя.
Ключевые слова: криогенные ракетные двигатели, разгонные блоки, стендовые испытания.
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS AND BENCH TESTS OF CRYOGENIC LIQUID ROCKET ENGINES ARE PROMISING UPPER STAGES
A. A. Zuev, V. P. Nazarov, V. O. Fаlkоv
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dla204@inbox.ru
Experimental studies and bench tests of cryogenic liquid-propellant rocket engines of advanced upper stages were carried out. Verification of the proposed design and circuit solutions is carried out. The main energy characteristics are obtained, working out of the working processes that ensure the efficiency of the engine is carried out.
Keywords: cryogenic rocket engines, upper stages, bench tests.
В процессе реализации современных отечественных и международных космических программ многие космические аппараты выводятся на высокие околоземные орбиты или совершают полеты в дальнее космическое пространство по межпланетным траекториям. Для решения таких задач используются специальные транспортные средства, которые в различных литературных изданиях называют космическими буксирами, блоками выведения, разгонными блоками. В отраслевой научно-технической документации, в основном, используется термин «разгонные блоки» (РБ), который принят в данной работе.
Характерной особенностью разгонных блоков является их относительная универсальность и автономность по отношению как к полезным нагрузкам, так и к ракетам-носителям, доставляющим на низкие опорные орбиты комплекс, состоящий из полезной нагрузки и разгонного блока. Основную часть разгонного блока составляет двигательная установка (ДУ), включающая маршевый жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), топливные баки окислителя и горючего, систему обеспечения запуска двигателя в невесомости, систему ориентации и стабилизации, другие специальные системы и устройства, обеспечивающие выполнение полетного задания РБ [1].
Маршевые двигатели разгонных блоков должны обладать повышенной энергетической эффективностью и надежностью, способностью длительного
нахождения в режиме стартовой готовности, возможностью многократного запуска в невесомости. Максимальный удельный импульс имеют ракетные двигатели, работающие на криогенных компонентах топлива «жидкий кислород-жидкий водород» [2]. Первым отечественным криогенным ЖРД является двигатель 11Д56, разработанный КБ «Химмаш» под руководством А. М. Исаева для программы пилотируемого полета на Луну, которая в нашей стране не была реализована.
На основе этого двигателя в КБ «Химмаш» был отработан и освоен в производстве двигатель КВД1 для криогенного разгонного блока 12КРБ, который в настоящее время эксплуатируется в составе индийской ракеты-носителя GSLV [3].
Двигатель КВД1 можно рассматривать в качестве базовой модели криогенных ЖРД для перспективных разгонных блоков космических ракет-носителей среднего и тяжелого класса. Блочный принцип конструкции данного двигателя допускает модернизацию отдельных функциональных блоков и двигателя в целом, исходя из назначения и задач разгонного блока [4; 5].
Высокие требования, предъявляемые к ЖРД разгонных блоков, во многом обеспечиваются реализацией научно обоснованных программ экспериментальных исследований, проведением большого объема стендовых испытаний двигателей на различных
Решетневскуе чтения. 2018
режимах с моделированием и имитацией условий эксплуатации РБ в космическом пространстве.
Экспериментальные исследования, стендовые испытания и отработка кислородно-водородных ЖРД разгонных блоков, работающих в космосе, требуют решения большого комплекса научно-технических, технологических и организационных задач. Практика показывает, что проводить огневые испытания и экспериментально-исследовательские работы криогенных двигателей на одном испытательном стенде нецелесообразно. Поэтому весь комплекс работ проводился на стендах В1Б и В2Б Научно-исследовательского центра ракетно-космической промышленности (НИЦ РКП, г. Москва).
В процессе экспериментальных исследований и стендовых испытаний двигателей, созданных путем модернизации базовой модели двигателя КВД1, проведена верификация предложенных конструктивных и схемных решений, В результате стендовых испытаний получены основные энергетические характеристики и осуществлена отработка рабочих процессов, обеспечивающих работоспособность двигателя.
При проведении испытаний на высотном стенде В1Б:
- отработан процесс захолаживания полостей «О» и «Г» двигателя;
- отработан процесс заливки полостей и магистралей двигателя криогенными компонентами топлива;
- отработаны пусковые процессы при различном температурном состоянии камеры двигателя;
- отработан процесс выведение двигателя на номинальный режим тяги с последующим переходом на управление, в соответствии с алгоритмами поддержания тяги и соотношения расходов компонентов топлива;
- проведена проверка динамических характеристик РБ (фазовый сдвиг, резонансные частоты и т. д.) в дискретных положениях и угловых отклонениях камеры.
В результате ресурсных испытаний на стенде В2Б:
- отработан процесс многократного включения двигателя (от 3-х до 6-ти включений);
- проведены ресурсные испытания двигателя с суммарным временем работы 2500 с при штатном времени работы 800 с.
В результате испытаний двигателя в составе разгонного блока 12КРБ отработан процесс предварительного захолаживания гелием температурой 40...60 К, что позволило сократить основной режим захолаживания компонентами топлива в полете до 185 секунд.
Высокие показатели стабильности параметров на всех режимах работы, достигнутые в процессе стендовых огневых испытаний двигателей, свидетельствуют о реализации основной цели научно-исследовательской работы.
Библиографические ссылки
1. Ракетные двигатели космических аппаратов / В. П. Назаров, В. Ю. Журавлев, М. В. Краев, Е. М. Краева ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 200 с.
2. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. Теория ракетных двигателей / под ред. В. П. Глушко. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1989. 463 с.
3. Петрик В. А. Дерягин Ю. А., Пиунов В. Ю. Двигатели разгонных блоков разработки КБ «Химмаш» им. А. М. Исаева - филиала ФБУП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева // Двигатель. 2010. № 4 (70). С. 36-37.
4. Российские жидкостные ракетные двигатели на экологически чистых компонентах топлива для разгонных блоков ракет-носителей / В. И. Морозов, Е. Л. Заславский, Р. Ф. Морозов и др. // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 3. С. 42-54.
5. Оптимизация конструктивных схем кислородно-водородных ЖРД разгонных блоков / В. Ю. Пиунов, В. П. Назаров, А. А. Зуев и др. // Решетневские чтения : материалы ХХ Юбилейной междунар. науч.-практич. конф. В 2 ч. Ч. 1 ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 212-213.
Reference
1. Raketnye dvigateli kosmicheskikh apparatov [Spacecraft engines] / V. P. Nazarov, V. Yu. Zhuravlev, M. V. Kraev, E. M. Kraeva ; Siberian State Aerospace University, Krasnoyarsk, 2015? 200 p.
2. Alemasov V. E., Dregalin A. F., Tishin A. P. Te-oriya raketnykh dvigateley [Theory of rocket engines]. pod red. V. P. Glushko. 4-e izd., pererab. i dop. M., Mashinostroenie, 1989, 463 p.
3. Petrik V. A. Deryagin Yu. A., Piunov V. Yu. Dvigateli razgonnykh blokov razrabotki KB Khimmash im. A. M. Isaeva - filiala FBUP GKNPTs im. M. V. Khrunicheva [The rocket upper-stages designed by Isaev Construction Office Himmash - Khrunichev State Research and Production Space Center]. Dvigatel'. 2010, № 4 (70), Р. 36-37.
4. Rossiyskie zhidkostnye raketnye dvigateli na eko-logicheski chistykh komponentakh topliva dlya razgon-nykh blokov raket-nositeley [Russian Liquid Propellant Systems Operated by Ecologically Clean Propellant Components for Upper-Stages of Rocket Carriers] / V. I. Morozov, E. L. Zaslavskiy, R. F. Morozov et al. // Al'ternativnaya energetika i ekologiya, 2008, № 3, Р. 42-54.
5. Optimization of Structural Schemes Of Oxygen-Hydrogen Rocket Engine Boosters (In Russian) / V. Yu. Piunov, V. P. Nazarov, A. A. Zuev et al. // ХХ Anniversary International Scientific Conference "RESHETNEV READINGS" in 2 volumes. Vol. 1. Krasnoyarsk: Siberian State Aerospace University, 2016, Р. 212-213.
© Зуев А. А., Назаров В. П., Фальков В. О., 2018
