CC BY
16Статья поступила в редакцию 29.09.09. Ред. рег. № 607
УДК 629.7.036.54-63.063.6.018.3:629.764
The article has entered in publishing office 29.09.09. Ed. reg. No. 607
ОТРАБОТКА СИСТЕМ И АГРЕГАТОВ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОЙ СТУПЕНИ РН «ЭНЕРГИЯ»
НА ЖИДКОМ ВОДОРОДЕ
Б.Х. Богданов
ФКП «НИЦ РКП» 141320, Московская обл., г. Пересвет, ул. Бабушкина, 9 Факс: (496) 5467698, (495) 2216282(83); е^И: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 10.10.09 Заключение совета экспертов: 20.10.09 Принято к публикации: 25.10.09
В статье изложен опыт отработки на жидком водороде агрегатов и систем РН «Энергия». Описаны виды испытаний и решавшиеся в ходе их проведения задачи, а также дана информация об исследованиях, проведенных в рамках решения задач при эксплуатации крупных промышленных систем хранения жидкого водорода в ходе отработки водородных изделий ракетно-космической техники.
Ключевые слова: водород, испытания, агрегаты, системы, качество водорода, потери, возврат.
DEVELOPMENT TESTS OF ENERGIA LAUNCH VEHICLE OXYGEN/HYDROGEN STAGE SYSTEMS AND COMPONENTS EMPLOYING LIQUID HYDROGEN
B.Kh. Bogdanov
FKP NITs RKP 9 Babushkina str., Peresvet, Moscow region, 141320, Russia Fax: (496) 546-76-98, (495) 221-62-82 (83); е-mail: [email protected]
Referred: 10.10.09 Expertise: 20.10.09 Accepted: 25.10.09
The paper presents experience gained in the experimental development of Energia launch vehicle units and components employing liquid hydrogen. The paper describes types of the tests and key objectives that were met in those tests as well as provides information about the research activities that addressed technical problems associated with operation of large-scale industrial LH2 storage systems in the course of the development of hydrogen-fuelled space rocketry test articles.
Борис Халимович Богданов
Сведения об авторе: ведущий специалист ФКП «НИЦ РКП». С 1960 г. занимается отработкой изделий ракетно-космической техники, в том числе более 40 лет на жидком водороде. Заслуженный машиностроитель РФ.
Образование: Московский авиационный институт.
Область научных интересов: методика отработки изделий ракетно-космической техники на жидком водороде, безопасность проведения наземных испытаний кислородно-водородных двигательных установок, решение задач эксплуатации промышленных систем жидкого водорода на основе контроля содержащихся в нем примесей.
Публикации: свыше 50, 33 изобретения в области испытаний спец. изделий и проведения работ с жидким водородом.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (78) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Введение
Применение жидкого водорода в качестве горючего II ступени ракеты-носителя (РН) «Энергия» и высокие требования по обеспечению надежности работы кислородно-водородной двигательной установки потребовали проведения большого объема опытно-конструкторских и исследовательских работ на реальном компоненте - жидком водороде.
Виды и задачи отработки агрегатов и систем РН «Энергия» на жидком водороде
Основной объем «холодных» водородных работ по отработке агрегатов и систем был выполнен на 6 рабочих местах стенда В3 испытательного комплекса кислородно-водородных стендов (КВКС-106) НИИХИММАШ.
В период с 1979 по 1988 г. были проведены:
Испытания на жидком водороде узлов двигателя РД 0120
На этапе автономной отработки по системам двигателя РД 0120 прошли испытания:
- конструкторско-доводочные (КДИ) и конст-рукторско-выборочные испытания (КВИ) шарикоподшипников основного и бустерного насосов тур-бонасосных агрегатов (ОНГ и БНГ) с воспроизведением реальных условий их работы, в том числе по осевым и радиальным нагрузкам;
- испытания стояночных уплотнений БНГ;
- разгонные испытания крыльчаток основного насоса горючего с доведением крыльчаток ОНГ до разрушения от центробежных сил.
Испытания позволили обеспечить требуемую надежность работы насосов жидкого водорода двигателя РД 0120.
Испытания агрегатов пневмоавтоматики блока «Ц»
Принимая во внимание замечание по работе одного из пневмоклапанов системы топливоподачи, имевшее место при проведении комплексных испытаний блока «Р» РН Н-1, была проведена 100%-я проверка работоспособности агрегатов пневмоавтоматики системы топливоподачи блока «Ц». Работы проводились по программам автономных доводочных испытаний. Всего на стенде В3 было испытано 12 наименований агрегатов, в том числе 4 наименования агрегатов на гелии при температурах жидкого водорода и 12 наименований запорных и регулирующих агрегатов на жидком и газообразном водороде в условиях работы, приближенных к штатным, с расходом жидкого водорода до 15 кг/с.
В ходе проведенных испытаний снимались гидравлические и динамические характеристики агрегатов, проверялась герметичность и работоспособность агрегатов.
Испытания материалов на прочность
Испытания проводились на специальной экспериментальной установке Э5804, разработанной в РКК «Энергия». Были проведены:
- Испытания модельных емкостей для оценки прочности основных материалов и сварных соединений баков «Г» блока «Ц» и систем энергопитания орбитального корабля «Буран» (СЭП ОК) в условиях сложнонапряженного состояния (122 испытания на 62 объектах с доведением части из них до разрушения).
- По программам КДИ и Прочностные испытания при температуре жидкого водорода погружаемых в водородный бак «Г» блока «Ц» гелиевых шарбаллонов объемом V = 100 л. КВИ шарбаллонов проводились циклические испытания с 125 циклами нагружений объектов испытаний гелием с рабочим давлением Р = 22 МПа с последующим разрушением части из них при давлениях 54-56 МПа (237 испытаний 251 шарбаллона).
Подтверждены требуемые эксплуатационные и прочностные характеристики.
- Оценка расходных и термодинамических характеристик гелия при зарядке и опорожнении погруженных в жидкий водород бака «Г» блока «Ц» шарбаллонов.
Отработка теплоизоляции бака «Г» блока «Ц» при воздействии внешних факторов
Работы проводились на модельных установках:
- ЭУ401, ЭУ402, ЭУ403, ЭУ407, представляющих собой чечевичную конструкцию (бак V ~ 0,1 м3) с боковыми поверхностями, имеющими радиус кривизны, равный радиусу баков Я = 8 м, покрытыми испытываемыми пакетами изоляции;
- Э3736 и ЭУ145, созданных на основе алюминиевых баков V ~ 10 м3 и 40 м3 соответственно, покрытых испытываемой изоляцией.
Задачи испытаний теплоизоляции решались применительно к трем этапам ее штатной эксплуатации:
- этапу, предшествующему предстартовым операциям при длительном хранении и воздействии атмосферных осадков;
- этапу предстартовых операций, захолаживания и заправки баков с термоциклированием в диапазоне 340-20 К с заданной скоростью охлаждения и длительными стоянками в заправленном состоянии (до 36 часов);
- этапу активного участка полета ракеты с воздействием акустических нагрузок, аэродинамического обдува и радиационного нагрева в разреженной внешней среде.
При этом решались следующие задачи:
- оценка влияния повреждающих факторов на работоспособность и целостность теплоизоляции при имитации эксплуатационных условий работы;
3
Ж
•и: -
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (78) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
27
Водородная экономика. Безопасность водородной энергетики
- оценка влияния количества циклов заправок на механические и теплофизические характеристики теплоизоляции;
- оценка влияния состава пакета теплоизоляции и технологии нанесения на бак на ее работоспособность;
- определение теплофизических свойств теплоизоляции из различных материалов (Рипор 2Н, Изо-лан 11, ППУ-17Н и др.);
- проверка работоспособности ремонтных вариантов теплоизоляции;
- подтверждение расчетных изменений полей температур по толщине пакета теплоизоляции и теплопритока к жидкости от момента начала заправки бака до выхода на стационарный режим работы.
Всего было проведено 173 испытания.
Отработка систем наддува бака «Г» блока «Ц» и исследование тепломассообменных внутрибако-вых процессов при опорожнении баков в режимахвынужденных колебаний зеркала жидкости и без них
Отработка режимов заправки и термостатирова-ния жидкого водорода и систем наддува бака «Г» блока «Ц» велась на экспериментальных установках Э7941 и ЭУ298. Установка Э7941 создана на базе стендовых емкостей объемом 11 м3. Установка ЭУ298 представляет собой водородную «качалку», выполненную в виде бака объемом 9,6 м3 из материала АМГ-5 с экранно-вакуумной изоляцией, установленного на подвижную платформу, позволяющую посредством эксцентрико-кривошипного механизма осуществлять качание бака с угловой амплитудой до 1° и частотой до 1 Гц.
На установке Э7941 решались задачи поиска оптимальных, с точки зрения энергетических характеристик, конструкторских решений узлов ввода в бак газа наддува систем наддува с применением при сливах жидкого водорода в качестве рабочего тела водорода, гелия и смесей водорода с гелием в диапазоне температур от 30 до 400 К.
В ходе отработки:
- определена работоспособность газа для случая смесевого водородно-гелиевого наддува бака;
- оценено влияние концентрации гелия в смеси на работоспособность газа наддува;
- разработан способ и определены режимы наддува водородного бака, включающего подачу в бак охлажденного гелия в период предстартовых операций и прогретого водорода на активном участке полета при работе двигателя;
- определены потребные расходы газа наддува;
- проверен ряд способов охлаждения жидкости после заправки бака в условиях нестационарного теплового потока к топливу и различные пассивные и активные способы борьбы с температурной стратификацией топлива;
- выбран способ заправки и термостатирования жидкого водорода в баке «Г» блока «Ц»;
- определен объем теплового незабора топлива при линейных и нелинейных колебаниях поверхности жидкости в случаях возникновения режимов до и после первого резонанса, вызванного подвижностью топлива в баке при полете;
- исследованы влияния режимов качания и демпфирующих перегородок на изменение внутри-баковых параметров и получены обобщенные зависимости по интенсивности тепломассообмена в баке «Г» от режимов колебаний поверхности раздела газовой и жидкой фаз;
- разработаны методы термодинамического расчета изменений температуры и давления в газовой подушке и жидкости при уменьшении давления в баке в период слива жидкого водорода и экспериментально подтверждена возможность применения равновесных моделей расчета для проектных проработок в случаях применения режимов дренирования бака или безнаддувного слива жидкого водорода;
- получены уточненные данные по растворимости гелия в жидком водороде.
Отработка систем электротурбогенератора системы энергоснабжения (ТГСЭС) РН на установке ЭУ567
Отработка ТГСЭС велась в два этапа:
На первом этапе испытания модуля ТГСЭС решались задачи:
- снятия электрических характеристик;
- проверки работоспособности и надежности реализации штатной циклограммы в реальных эксплуатационных условиях работы турбогенератора по параметрам внешней среды, и при подаче на турбину штатных рабочих тел: азота и гелия с температурой ±50° С (проверка штатной работы ТГСЭС на этапе предпусковой подготовки и запуска РН), прогретого водорода (этап имитации условий полета с отбором газа на привод турбины от двигателя РД 0120), холодного гелия из погруженных в бак «Г» шарбаллонов (воспроизведение этапа работы ТГСЭС после выключения двигателя РД 0120 на остатках гелия из погруженных в бак «Г» шарбаллонов).
На втором этапе проводились испытания системы ТГСЭС (четыре модуля турбогенератора) с целью проверки работоспособности и снятия электрических характеристик при аварийном отключении одного или двух из четырех модулей турбогенераторов.
Для решения поставленных задач было проведено 65 испытаний модуля на I этапе и 14 испытаний системы ТГСЭС на II этапе.
Научно-исследовательские работы
В рамках научно-исследовательских работ была решена задача возврата в резервуары хранилища
жидкого водорода, остававшегося в стендовых системах после проведения «холодных» работ или в результате преждевременного аварийного прекращения огневых испытаний.
В ходе проведенных исследований:
- разработаны и внедрены в промышленных системах производства, транспортировки и хранения жидкого водорода методы и средства контроля примесей кислорода, азота, аргона, метана и окиси углерода в продукте на уровне концентраций 10-710-3 % об.;
- исследовано качество жидкого водорода на стадиях производства и поставки продукта, которое было положено в основу отраслевых стандартов, определяющих требования к качеству жидкого водорода на стадиях производства и поставки продукта потребителям;
- проведены исследования изменений качества жидкого водорода в системах хранения продукта НИИХИММАШ, НИИМАШ и УКСС на Байконуре в режимах их штатной эксплуатации;
- разработана технология эксплуатации промышленных систем хранения жидкого водорода, обеспечивающая их безопасную работу в режиме возвратов в них остатков компонента из стендовых систем;
- решена задача обеспечения требуемого качества жидкого водорода при отработке СЭП ОК «Буран» на стенде В5 путем разработки и внедрения системы транзитной адсорбционной очистки.
В результате были существенно сокращены нерациональные потери компонента при стендовых испытаниях. Только при испытаниях двигателя РД 0120 на стенде ИС-201 в НИИМАШ за период с 1981 по 1985 годы было возвращено в системы хранения для повторного использования 287 т (~4160 м3) жидкого водорода, или 17,4% от количества компонента, выданного на стенд. При проведении испытаний на испытательной водородной базе НИИХИММАШ доля возвращенного жидкого во-
дорода за счет большего количества холодных работ несколько выше и составляет 20-25%.
Проведенные исследования позволили снизить стоимость создания кислородно-водородной двигательной установки РН «Энергия» и обеспечить требуемый темп ее отработки.
Заключение
Проведенная автономная отработка агрегатов и систем РН «Энергия» на жидком водороде и решение комплекса научно-технических задач по обеспечению безопасной эксплуатации крупных промышленных систем хранения жидкого водорода в условиях интенсивного проведения испытаний позволили обеспечить успешное выполнение программ наземных комплексных испытаний кисло-родно-водород-ной двигательной установки и летных испытаний РН «Энергия».
В ходе проведенных работ получен богатый экспериментальный материал, представляющий ценность и в настоящее время при разработке и создании новых отечественных водородных двигательных установок для ракетно-космических систем. И сегодня полученные результаты требуют своего более тщательного анализа и осмысления по целому ряду вопросов, которые в свое время из-за поспешного закрытия работ с РН «Энергия» проведены не были. Прежде всего это касается определения места автономной отработки агрегатов и систем двигательных установок на жидком водороде в технологической цепи создания высоконадежных двигательных систем отечественной ракетно-космической техники, уточнения требований к качеству жидкого водорода как компоненту ракетного топлива, используемого в отечественных двигательных установках ракетно-космической техники, и нормативной документации по технологии эксплуатации систем жидкого водорода испытательных и стартовых комплексов.
3
Ж
•и: -
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (78) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
29
