CC BY
81<Тешетневс^ие чтения. 2016
students. 160302 "Rocket engines' / M. V. Brinks, V. P. Nazarov, V. G. Yatsunenko ; Sib. state aerokosmich. Univ. Krasnoyarsk, 2008. 192 p.
2. Kesaev H. W., Trofimov R. S. Reliability of aircraft engines. M. : Mechanical engineering, 1982. 136 p.
3. Testing and maintenance of reliability : Textbook / A. I. Kolomentsev, M. V. Krajev, V. P. Nazarov, et al. ; Sib. state. aerokosmich. Univ; Mosk. aviation. Inst. Krasnoyarsk, 2006. 336 p.
© Останина H. Г., Петров И. M., 2016
УДК 621.454.2
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ
В. Ю. Пиунов1, В. П. Назаров2, А. А. Зуев2, А. В. Гайнутдинов1
1 Конструкторскою бюро химического машиностроения имени А.С. Исаева Российская Федерация, 141070, Московская обл., г. Королёв, ул. Богомолова, 12 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрены принципиальные особенности конструкции кислородно-водородного двигателя КВД1. Представлены варианты оптимизации схемных и конструктивных решений для создания криогенных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) перспективных разгонных блоков.
Ключевые слова: кислородно-водородный двигатель, оптимизация, энергические параметры.
OPTIMIZATION OF STRUCTURAL SCHEMES OF OXYGEN-HYDROGEN ROCKET ENGINE BOOSTERS
V. Yu. Piunov1, V. P. Nazarov 2, A. A. Zuev2, A. V. Gainutdinov1
1Isaev Chemical engineering Design Bureau 12, Bogomolova Str., Koroljov, Moscow region, 141070, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The fundamental design features of oxy-hydrogen engine KVD1 are described. The options for optimizing the circuit and constructive decisions for the creation of cryogenic rocket engine promising boosters are presented.
Keywords: oxygen-hydrogen engine, optimization, dynamic parameters.
Вывод космических аппаратов информационного и навигационного назначения на рабочие орбиты с высокой точностью позиционирования, перевод научно-исследовательских аппаратов с опорных орбит на отлетные траектории для полета в дальний космос и другие сложные задачи освоения космического пространства обеспечиваются ракетными транспортными системами, в состав которых входят специализированные средства выведения, получившие наименование «разгонные блоки».
К маршевым двигателям разгонных блоков предъявляются требования по повышенной энергетической эффективности и надежности, длительному пребыванию в режиме стартовой готовности, продолжительному времени работы и многократному запуску. Поэтому при выборе параметров ЖРД разгонного блока обязательным является согласование его характеристик с параметрами ДУ как на основе прямых зависимостей между ними, так и комплексной оценки под-
систем, входящих в состав ДУ и разгонного блока в целом [1].
Из теории ЖРД известно, что максимальной энергетической эффективностью обладают ракетные двигатели, работающие на криогенной топливной паре «жидкий кислород-жидкий водород» [2]. Первым отечественным кислородно-водородным ЖРД является двигатель 11Д56, разработанный в КБ Химмаш под руководством А. М. Исаева. Двигатель предназначался для использования в составе разгонного блока «Р» ракетно-космического комплекса Н1-ЛЗ («Лунная программа СССР») и по своим характеристикам превосходил зарубежные ЖРД аналогичного класса.
На основе этого двигателя в период с 1991 по 2000 годы по заказу ISRO (Индия) в КБ Химмаш им. А. М. Исаева был спроектирован, освоен в производстве и отработан кислородно-водородный двигатель КВД1 для криогенного разгонного блока 12КРБ, который прошел два летно-конструкторских испытания
¡Проектирование, производство и испытания двигателей летательных, аппаратов
в составе индийской РН GSLV и успешно эксплуатируется в настоящее время (проведено три коммерческих пуска РН GSLV). Технология производства двигателя КВД1 к настоящему времени сохранена, производство его может быть возобновлено в течение полутора лет. Поэтому данный двигатель можно рассматривать в качестве базового двигателя экологически чистых кислородно-водородных РБ для разрабатываемых в настоящее время РН семейства «Ангара», РН «Союз 2-16», «Союз-3». Модификации этого двигателя могут быть использованы также в качестве двигателей 3-й ступени РН «Ангара V» и второй ступени РН «Русь- М».
Конструктивное исполнение этого двигателя допускает модернизацию или модификацию (без существенных затрат времени и сроков) отдельных составляющих его конструктивно автономных элементов блоков при сохранении характеристик, определяющих работоспособность и надежность двигателя в целом.
Указанные выше возможности обусловлены не имеющим аналогов в мировой практике создания кислородно-водородных ЖРД блочным принципом построения двигателя КВД1 с функциональной ориентацией каждого блока, благодаря чему, исходя из потребности, в РБ могут быть использованы как весь комплект блоков двигателя, так и его отдельные конструктивно автономные блоки.
Рассматриваются оптимальные конструктивные решения двух вариантов развития двигателя КВД1 применительно к разгонному блоку тяжелого класса РБ КВТК:
- вариант 1 - модернизация двигателя КВД1 на основе неподвижного маршевого блока и блоков рулевых (с разделением функций создания тяги по оси РБ - блоком маршевым и управляющих моментов стабилизации РБ - блоками рулевыми);
- вариант 2 - модификация двигателя КВД1 на основе маршевого блока, установленного в 2-степенном шарнирном подвесе (с совмещением функций создания тяги и управляющих моментов стабилизации в блоке маршевом).
Следует отметить, что благодаря блочному принципу построения двигатель КВД1 по функциональной насыщенности не имеет равных в мире; причем конструкция его самодостаточна для выполнения всех вышеперечисленных функций, т. е. не требует дополнительного оборудования двигательной установки, например, бортовых устройств для выполнения функции стабилизации объекта, или специального оборудования стартового комплекса для обеспечения кондиций среды в полостях ДУ в период подготовки ее на техническом и стартовом комплексах перед стартом РН [3].
Кроме того, указанное выше распределение функций между блоками двигателя существенно расширяет возможности его модернизации, так как исключается
влияние конструктивных изменений, проведенных в одном из блоков двигателя, на функциональные характеристики остальных блоков.
Например, введение выдвижного насадка сопла камеры маршевого блока с целью повышения удельного импульса двигателя не влияет на амплитудно-частотные характеристики исполнительных органов системы стабилизации, которые в данном случае определяются кинематикой качания рулевых камер; изменение состава, компоновки или замены материалов конструкции элементов двигателя с целью снижения их масс не влияет на резонансные характеристики конструкции и, следовательно, не может привести к изменению вибростойкости конструкции двигателя.
В результате отпадает необходимость дополнительной отработки (обязательной для моноблочной конструкции), имеющей целью экспериментальное обоснование работоспособности и характеристик модернизированного двигателя в составе полного комплекта блоков (функционально аналогичного моноблоку), что существенно уменьшает затраты на модернизацию двигателя.
Библиографические ссылки
1. Пиунов В. Ю., Назаров В. П. и др. Модернизация систем подачи топлива жидкостных ракетных двигателей разгонных блоков на основе инновационных технических решений // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 2. С. 431-437.
2. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов. 2-е изд., перераб и доп. / под ред. Д. А. Ягоднико-ва. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 488 с.
3. Морозов В. И., Пиунов В. Ю. Кислородно-водородные ЖРД для разгонных блоков и верхних ступеней ракет-носителей // Двигатель. 2010. № 3 (71). URL: http://engine.aviaport.ru/ issues/71/ page62.html.
References
1. Piunov V. Yu., Nazarov V. P. et al. Modernization of the fuel systems of liquid rocket engines of upper stages on the basis of innovative technical solutions // Vestnik SibGAU. 2016. Vol. 17, № 2. P. 431-437.
2. Dobrovolsky M. V. Liquid-propellant rocket engines. Principles of design : Textbook for universities. 2-ed., pererab and dop / Under the editorship of D. A. Yagodnikov. M. : Izd-vo MGTU im. Bauman, 2005. 488 p.
3. Morozov V. I., Piunov V. Y. Oxygen-hydrogen rocket engines for boosters and upper stages of rockets // Engine. 2010. № 3 (71). URL: http://engine.aviaport.ru/ issues/71/page62.html.
© Пиунов В. Ю., Назаров В. П., Зуев А. А., Гайнутдинов А. В., 2016
