CC BY
19ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
rJ
HYDROGEN ECONOMY
УДК 629.7.036.54-63
НАЗЕМНАЯ ОТРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОЛЬЦЕВЫМ КРИТИЧЕСКИМ СЕЧЕНИЕМ
В.Д. Горохов
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: cadb@comch.ru
Рассмотрен перспективный способ испытаний элементов конструкции ракетных двигателей с использованием ракетного двигателя с кольцевым критическим сечением. Приведены теоретические предпосылки и результаты огневых испытаний, позволяющие сделать вывод о преимуществах предложенного способа испытаний.
ELEMENT OF ROCKET ENGINES OVERLAND WORK OFF WITH USE THE ROCKET ENGINE WITH RECIRCULATING CRITICAL SECTION
V.D. Gorokhov
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: cadb@comch.ru
Perspective way element designs rocket engines overland work off with use the rocket engine with recirculating critical section are considered. Theoretical premises and results of the fire test, allowing draw a conclusion about advantage of the offered way of the test brought.
Виктор Дмитриевич Горохов
Сведения об авторе: канд. техн. наук (1991 г.), чл.-корр. Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, заместитель генерального конструктора по ЖРД, главный конструктор по направлению кислородно-керосиновых двигателей ОАО КБХА.
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 (1982 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.
Одной из основных тенденций в современном двигателестроении является замена металлических деталей и узлов на детали и узлы, выполненные из композиционных материалов (КМ).
В практике отечественных и зарубежных фирм нарастает тенденция к внедрению КМ, в частности, углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и углерод-керамических композиционных материалов (УККМ) для неподвижных неохлаждае-мых сопловых насадков (ННСН) и выдвигаемых не-охлаждаемых сопловых насадков (ВНСН), как одно-
го из эффективных направлений в улучшении энергомассовых характеристик ЖРД.
Это подтверждается широким использованием КМ в зарубежных эксплуатируемых и перспективных ЖРД, например, применением ВНСН из УУКМ в кислородно-водородных двигателях семейства RL фирмы «Пратт и Уитни», в двигателе третьей ступени МБР «Минитмен-III» фирмы «Аэроджет», в высокоэкономичных двигателях ASE и AESE, в двигателе 11Д58М и ряде других.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Применение КМ для изготовления теплонапря-женных элементов камеры, например, выходных частей сопел и насадков, позволит упростить пнев-могидравлическую схему двигателя, снизить подогрев охладителя и уменьшить массу двигателя примерно на 10%. Кроме этого, применение выдвигаемых насадков для двигателей верхних ступеней позволяет сократить линейные размеры самого двигателя и увеличить массу компонентов топлива для двигателей предыдущей ступени ракеты.
Проведенные в России экспериментальные исследования показывают, что ННСН из УУКМ можно устанавливать, начиная с температуры стенки 14001500 К, а ННСН из углерод-керамического композиционного материала (УККМ) - с температуры стенки 1600-1800 К.
Как правило, элементы конструкции двигателя, выполненные из композиционных материалов, в частности вставки и насадки, предназначены для работы в условиях, отличных от земных, поэтому при их отработке возникают определенные трудности с имитацией этих условий.
Для создания условий, близких к натурным, используются дорогостоящие стенды, оборудованные системой, в состав которой входят газодинамическая труба, вакуум-камера, эжекторная вакуумная установка.
Наиболее распространенный стенд для испытания элементов конструкций ракетных двигателей, в частности насадков и вставок, как правило, содержит многочисленные наземные сооружения, стенд для установки самого двигателя, газодинамическое испытательное устройство, включающее газодинамическую трубу, вакуум-камеру, эжекторно-вакуумную установку, соединенные последовательно между собой, и коммуникации.
При проведении испытаний как самих ЖРД с обычным соплом Лаваля, так и элементов конструкций ЖРД, воздух окружающей атмосферы при давлении Рн = 1 кгс/см2 воздействует на струю продуктов сгорания компонентов топлива, истекающую из сопла с давлением Рпс на срезе сопла. При давлении Рн, большем Рпс в несколько раз, воздух окружающей атмосферы отрывает, а не прижимает струю продуктов сгорания от стенки сопла, исключая тем самым эту часть поверхности сопла из работы. По этой же причине применение обычных сопел Лаваля не позволяет обеспечить безотрывное обтекание стенок испытуемых элементов двигателя без применения специальных газодинамических устройств.
Кроме этого, при огневых испытаниях элементов конструкции камер ЖРД, выполненных из КМ, на поверхность испытуемого элемента воздействует кислород окружающего воздуха, что приводит к окислению поверхности и последующим ее прогарам.
Для исключения влияния окружающей атмосферы на истечение продуктов сгорания из сопла и ее воздействия на испытуемые конструктивные элементы при испытаниях на существующих стендах ракетный двигатель с испытуемыми элементами по-
мещается в вакуумную камеру, а к срезу его сопла присоединяется диффузор. Испытуемые части элементов устанавливают в выходной части сопла двигателя.
Понижение давления в газодинамической установке достигается за счет эжекторного эффекта истекающих продуктов сгорания.
При испытании двигателей с большой степенью расширения за диффузором устанавливается дополнительная эжекторно-вакуумная установка, что приводит к значительному усложнению всей конструкции. Дополнительное понижение давления достигается за счет истечения струи активного газа.
Конструкция газодинамических труб и кормовых диффузоров достаточно проста, и они недороги в изготовлении. Их недостатком является необходимость, в случае изменения модификации двигателя или его габаритных размеров, замены диффузора. При увеличении габаритных размеров испытуемого двигателя требуется изменение габаритных размеров вакуумной камеры.
В настоящее время такой способ испытаний наиболее широко применяется на стендах.
Основными недостатками указанного способа испытаний с использованием данного газодинамического испытательного устройства является сложность конструкции испытательного стенда и сложность проведения испытания.
Способ испытаний элементов конструкций ракетных двигателей может быть значительно упрощен при использовании в качестве газодинамического испытательного устройства ракетного двигателя с кольцевым критическим сечением и тарельчатым соплом.
Это становится возможным благодаря способности кольцевых сопел к саморегулированию на режимах, соответствующих режиму перерасширения в круглых соплах. Кольцевые сопла обеспечивают получение большей тяги на нерасчетных режимах, так как при значительном превышении внешнего давления над расчетным в выходном сечении в обычном сопле Лаваля на большей его части статическое давление значительно ниже внешнего давления.
В качестве двигателя с кольцевым критическим сечением может быть применен кислородно-водородный двигатель по патенту РФ № 2151318, созданный в КБХА в рамках НИР «Ястреб», описание которого приведено ниже.
В ОАО «КБ химавтоматики» (ОАО КБХА) в рамках НИР «Ястреб» создан кислородно-водородный ЖРД тягой 4 тс, выполненный по безгенераторной схеме, для разгонных блоков и межорбитальных буксиров. В двигателе используется камера принципиально новой конструктивной и газодинамической схемы: кольцевая камера сгорания, щелевое критическое сечение, тарельчатое сверхзвуковое сопло. Одной из отличительных особенностей данного двигателя является выполнение тарельчатого сопла из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ).
j/iC Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» N2 7 (63) 2008
"Щр .'- © Научно-технический центр «TATA», 2008
Двигатель, показанный на рис. 1, 2, представляет собой сварно-паяную конструкцию, состоящую из тарельчатого сопла 1, кольцевой цилиндрической камеры сгорания 2, расположенной осесимметрично внутри сопла.
5 2 3 4
Рис. 1. Камера ЖРД с кольцевым критическим сечением и тарельчатым соплом: 1 - тарельчатое сопло, 2 - кольцевая камера сгорания, 3 - охлаждаемый цилиндр, 4 - смесительная головка, 5 - критическое сечение Fig. 1. LRE camera with recirculating critical section and plate nozzle: 1 - plate nozzle, 2 - recirculating camera, 3 - cooled cylinder, 4 - mixing head, 5 - critical section
Внутри камеры сгорания осесимметрично установлен профилированный охлаждаемый цилиндр 3, один конец которого соединен со смесительной головкой 4, другой - с тарельчатым соплом 1. Тарельчатое сопло 1, профилированная наружная стенка цилиндра 3 и стенка кольцевой камеры сгорания образуют кольцевое критическое сечение 5. Внутри охлаждаемого цилиндра 3 установлены трубопроводы подачи компонентов в кольцевую смесительную головку 4.
При работе двигателя компоненты топлива (кислород и водород) подаются через форсунки смесительной головки 4 в камеру сгорания 2, реагируют друг с другом в камере сгорания и далее поступают к критическому сечению 5. После выхода из критического сечения поток компонентов разворачивается в обратную сторону и подается к срезу сопла.
Огневые испытания стендового варианта натурной кислородно-водородной кольцевой камеры, отображенные на рис. 3, подтвердили работоспособность и перспективность этого направления отечественного двигателестроения.
Рис. 2. Камера ЖРД с кольцевым критическим сечением и тарельчатым соплом (макет) Fig. 2. LRE camera with recirculating critical section and plate nozzle (model)
• - f Г ,
О—
ifJCJ
II
Рис. 3. Огневые испытания камеры ЖРД с кольцевым критическим сечением и тарельчатым соплом Fig. 3. Fire testing of LRE camera with recirculating critical section and plate nozzle
При разработке камеры предполагалось, что новая газодинамическая схема камеры «Ястреб» при наземных огневых испытаниях обеспечит безотрывное истечение продуктов сгорания из сверхзвукового сопла при больших степенях расширения. Это позволит проводить отработку двигателя, работающего по безгенераторной схеме, на номинальном режиме в земных условиях без барокамеры и газодинамической трубы. Отсутствие таких сложных стендовых
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
устройств упрощает подготовку и проведение огневых испытаний двигателей, существенно снижает стоимость и сроки их отработки.
По этим обстоятельствам был рассмотрен вариант нетрадиционного кольцевого тарельчатого сопла. При определении параметров камеры с кольцевым тарельчатым соплом использовались расчетные и экспериментальные материалы ИЦ им. Келдыша [1, 2], а также экспериментальные данные ЦНИИМАШ [3] по исследованию характеристик камеры ЖРД с кольцевым тарельчатым соплом при огневых испытаниях модельной камеры. По данным ИЦ им. Келдыша [2], при одинаковых значениях геометрической степени расширения сопла ^ использование кольцевого тарельчатого сопла вместо круглого сопла сокращает его длину примерно на 40%. Данное преимущество следует из особенности профилирования сопел.
Так, при профилировании круглого сопла Лаваля на начальном участке разгон газового потока осуществляется при его развороте за критическим сечением как бы около «двух угловых точек». В кольцевом тарельчатом сопле на начальном участке разгон газового потока осуществляется при его развороте за критическим сечением, которое представляет кольцевой канал, около одной угловой точки. В этом случае, согласно газодинамическим расчетам, угол разворота газового потока может быть более 90° и контур такого сопла на начальном участке является более выпуклым по сравнению с контуром круглого сопла. Наличие тарельчатой части сопла при угле разворота газового потока на угол более 90° позволяет разместить в ней по направлению оси сопла входную часть сопла и собственно камеру сгорания. В этом случае суммарный угол разворота газового потока от зоны горения компонентов топлива у смесительной головки до выходного сечения составляет ~170°. Подобное расположение собственно камеры сгорания, как показали результаты конструкторских проработок, позволили при длине камеры Ьк = 1900 мм иметь длину сверхзвуковой части сопла Ьс = 1840 мм.
Одним из основных достижений, полученных при отработке принципиально новой камеры, явилось подтверждение безотрывного течения продуктов сгорания в сопле данной конструкции. При расчетном давлении продуктов сгорания в выходном сечении сопла 0,03 кгс/см2 отрыва потока в земных условиях не происходило. При этом уровень вибрации сопла имел минимальное значение. Объектовый подогрев водорода в тракте охлаждения обеспечивался в земных условиях без газодинамической трубы и барокамеры. Последнее обстоятельство дает возможность испытывать высотный двигатель на номинальном режиме работы на земле.
Данные, полученные при огневых испытаниях кольцевой кислородно-водородной камеры с центральным телом, подтвердили ожидаемые параметры потока продуктов сгорания и показали возможность имитации натурных условий работы вставок и насадков из КМ.
Для обеспечения требуемой температуры и состава продуктов сгорания на входе в испытуемые части в выходной части ракетного двигателя с кольцевым критическим сечением может быть установлен дополнительный коллектор для дополнительной подачи соответствующих компонентов в продукты сгорания ракетного двигателя.
Испытания элементов конструкции ракетных двигателей с помощью ракетного двигателя с кольцевым критическим сечением могут проходить следующим способом.
При проведении испытаний двигатель с кольцевым критическим сечением 1 устанавливают на раме стенда 2, как показано на рис. 4.
2 1 4 5
Рис. 4. Схема испытаний элементов конструкции ракетных
двигателей с использованием двигателя с кольцевым критическим сечением: 1 - двигатель с кольцевым критическим сечением; 2 - стенд для установки двигателя;
3 - испытуемый элемент конструкции; 4 - трубопровод подачи дополнительных элементов Fig. 4. Scheme of the test element of the missile engines with use the engine with recirculating critical section: 1 - an engine
with recirculating critical section; 2 - stand for installing the engine; 3 - testing element; 4 - pipe line of the presenting additional element
Испытуемые элементы ракетного двигателя 3 крепят необходимым образом к выходной части сопла ракетного двигателя 1 с кольцевым критическим сечением.
При работе двигателя 1 с кольцевым критическим сечением в земных условиях (при наличии атмосферы) продукты сгорания топлива после кольцевого критического сечения истекают по поверхности сопла. При этом внутрь кольцевой струи продуктов сгорания попадает окружающий камеру воздух с давлением окружающей среды Рн = 1 кгс/см2, который не отрывает, а прижимает продукты сгорания компонентов топлива к поверхности сопла и испытуемых элементов конструкции изнутри по всей линии профиля.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» N2 7 (63) 2008 "Щр .'- © Научно-технический центр «TATA», 2008
Таким образом, на испытуемый элемент конструкции изнутри действуют продукты сгорания с давлением Рпс, а снаружи - атмосферный воздух с давлением окружающей среды Рн, причем Рпс < Рн, что позволяет имитировать натурные условия работы элементов конструкции по силовому нагружению и тепловым потокам.
При испытаниях может возникнуть необходимость испытания элементов конструкции в условиях воздействия состава продуктов сгорания, отличного по температуре и составу от продуктов сгорания данного двигателя. Данное требование может быть выполнено при подаче в продукты сгорания, в зависимости от химического состава, дополнительных компонентов, например воды, при помощи трубопровода 4, установленного в выходной части сопла.
На данный способ испытаний получен патент РФ № 2239085 на изобретение.
Список литературы
1. Левин В.Я. Испытания жидкостных ракетных двигателей. Учеб. пособие для авиац. специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1981.
2. Горохов В.Д., Лобов С.Д., Орлов В.А., Черни-ченко В.В. Камера жидкостного ракетного двигателя. Патент РФ № 2151318, КБХА, Воронеж, 2001.
3. Братухин Н.А., Горохов В.Д., Лобов С.Д., Ми-гдаль С.М., Орлов В.А., Черниченко В.В. Газодинамическое испытательное устройство. Патент РФ № 2239085, КБХА, Воронеж, 2004.
ENERTEC 2009 - INTERNATIONAL TRADE FAIR FOR ENERGY
Время проведения: 27.01.2009 - 29.01.2009
Место проведения: Германия, Лейпциг Тема: Энергетика
Выставка епеЛес относится к числу главных выставок по энергетике в Европе и является единственной в новых федеральных землях Германии.
Она охватывает все основные темы энергопроизводства, включая энергообеспечение и услуги, а также разделы «периферийная энергетическая техника» (в особенности для теплоэлектростанций), «возобновляемая энергия» (в центре внимания биоэнергия). Таким образом, Вы сможете получить исчерпывающую информацию о перспективах развития энергетики и современных решениях в области энергообеспечения. В центре международного внимания выставки - страны Центральной, Восточной и Юго-Восточной Европы, а также государства СНГ.
Примечательно, что выставку сопровождает обширная программа мероприятий с участием ведущих специалистов из многих стран мира, которые выступят с докладами по актуальным темам в области энергетики.
епег1ес - единственная в Европе выставка, которая дает исчерпывающую информацию о полном спектре услуг в области переработки и утилизации, т.к. проходит одновременно с Международной специализированной выставкой экологической техники и услуг ТеггаТес. Такое сочетание выставок представляет широкий спектр предложений по периферийным решениям.
Разделы выставки
• Преобразование и обеспечение энергией с использованием традиционных видов сырья
• Использование источников возобновляемой энергии
• Распределение и накопление энергии
• Инновационная энергосберегающая техника и рациональное применение энергии
• Торговля энергией и выбросами
• Услуги
• Техника для управления, измерения и предоставления информации
• Геоинформационные данные и ГИС-решения в экологии и энергетике
Итоги епег1ес 2007
• 225 экспонентов из 11 стран, площадь 13400 кв. м (брутто)
• 83% экспонентов положительно оценили свое участие в выставке и остались довольны достигнутыми результатами
• 79% заявили о своем участии на выставке епеЛес 2009
• 10258 посетителей
• 165 аккредитованных журналистов из 9 стран - широкий резонанс о выставке епеЛес в прессе Германии и других стран
• Число специалистов-посетителей: 95%
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
