CC BY
2
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
УДК 662.76
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ
В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЯХ МАЛОЙ ТЯГИ
*
Д. В. Шемет , И. А. Батранюк Научный руководитель - М. И. Толстопятов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: diana-s.99@mail.ru
Рассмотрена возможность применения газообразных топлив в жидкостных ракетных двигателях малой тяги, а также перспективы их дальнейшего развития.
Ключевые слова: жидкостные ракетные двигатели малой тяги, разгонные блоки, топливо, космические аппараты.
PROBLEMS OF APPLICATION OF CRYOGENIC COMPONENTS IN LOW-THRUST ROCKET AND SPACE ENGINES
D. V. Shemet*, I. A. Batranyuk Scientific supervisor - M. I. Tolstopyatov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*E-mail: diana-s.99@mail.ru
The possibility of using gaseous fuels in low-thrust liquid rocket engines is considered, as well as the prospects for their further development.
Keywords: liquid rocket engines of low thrust, upper stages, fuel, spacecraft.
Для обеспечения работы двигателей и управления разгонных блоков (РБ) получили широкое распространение токсичные компоненты топлива, которые дают высокий удельный импульс и достаточную тягу. Токсичность компонентов усложняет многие процессы отработки двигателей (например, испытание и заправка двигателя), что является прямой угрозой для человека. В случае аварии такие компоненты отрицательно влияют на экологию. Усовершенствование химических возможностей такого топлива требует больших затрат, по причине почти полностью исчерпанных, либо ограниченных незначительных улучшений характеристик.
Одним из способов решения этой проблемы является применение универсальных экологически чистых видов топлива. В НИИМаш с 1970-х гг. ведутся работы по созданию и моделированию перспективных ракетных двигателей малых тяг (РДМТ) на топливе: кислород + жидкие углеводородные горючие, кислород + этиловый спирт, кислород + водород, кислород + метан [1,2].
Есть несколько основных проблем, возникающих при применении экологически чистых компонентах топлива. Во-первых, один или оба компонента являются криогенными жидкостями, что усложняет хранение топлива на борту космических летательных аппаратов, а также создает трудности в получении динамических характеристик при подаче криогенного компонента на вход двигателя. Поэтому нужно обеспечить газификацию
Секция «Двигатели и энергетические установки летательных и космических аппаратов»
криогенного компонента при подаче в камеру двигателя, так как хранить его в газообразном состоянии нецелесообразно по причине большого объема и безопасности. Во-вторых, экологически чистые компоненты не подвержены самовоспламенению. Эти проблемы усложняются при уменьшении размеров двигателя, когда функции смесеобразования, воспламенения и охлаждения выполняются ограниченным числом смесительных элементов [3].
Например, при разработке РДМТ на компонентах топлива кислород + водород, кислород + метан экспериментальный этап системы смесеобразования полностью заменен численным экспериментом, в результате которого авторами была разработана новая схема КМ-2, гарантирующая высокие энергетические характеристики на двух рассмотренных видах топлива [1]. Авторы статьи [3] при создании РДМТ на топливе кислород-водород также, использовали систему моделирования математической модели при течение многокомпонентного гомогенного рабочего тела с учетом проблем смесеобразования и горения. Первые результаты моделирования показали неработоспособность камеры из-за больших температур элементов конструкции, так как в эксперименте не предусматривалось наружное охлаждение.
Из данных результатов эксперимента [4] можно сделать вывод о наличии еще одной актуальной проблемы - отработка теплового состояния двигателя, т.е. следует обеспечить соответствие максимальной и допустимой температур стенок двигателя, зависящих от свойств используемого конструкционного материала. Исследуя этот вопрос, авторы статьи [5] математически смоделировали тепловое состояние КС РДМТ, работающего в импульсном режиме на топливе кислород-метан. Были получены температурные поля в конструкции двигателя при его работе. В результате элементы фланцевых соединений КС выступали в роли теплоотводящих элементов конструкции. Температура стенок камеры была в пределах нормы, кроме смесительной головки в зоне подачи окислителя в КС. Самым теплонапряженным получилась критическая область сопла.
Также проводились исследования в направлении воспламенения газообразного топлива. Поставлен эксперимент, где рассматривались электроискровая, лазерная и калильная системы воспламенения при размещении воспламенителя в предкамере двигателя. Все системы показали одинаково положительный результат при одиночных включениях. В импульсных режимах ухудшился результат калильной системы при повторной и третьей попытке воспламенения из-за влияния остаточного давления в барокамере [3]. Обратные результаты показал эксперимент многократного воспламенения топлива с помощью узла калильного зажигания (т.е. воспламенение смеси осуществляется в конце такта сжатия от предварительно разогретой головки).
Жидкостные ракетные двигатели малых тяг - это перспективное направление развития космических аппаратов, так как они обладают высоким удельным импульсом (ЖРДМТ при тяге 25 Н - удельный импульс составляет порядка 3800 м/с, а при тяге 100 Н - 4000 м/с). Но существует много сложностей при эксплуатации ЖРДМТ, таких как газификация, охлаждение, поджигание и многократность запуска. Решение этих проблем требует больших усилий на этапе исследования и разработки, поэтому до сих пор используются токсичные варианты топлива (азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин).
Библиографические ссылки
1. Кутуев Р.Х., Лебедев И.Н., Салич В.ЛРазработка перспективных рдмт на экологически чистых топливных композициях // Вестник СГАУ. 2009. №3-3.
2. Салич В.Л. Разработка камеры ракетного двигателя малой тяги на кислородно-водородном топливе // Вестник СГАУ. 2014. №5-4 (47).
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Тома 1
3. Ваулин С.Д., Салич В.Л Моделирование внутрикамерных процессов в кислородно-водородном ракетном двигателе малой тяги // Вестник СГАУ. 2014. №5-4 (47).
4. Агеенко Ю.И., Лапшин Е.А., Морозов И.И., Пегин И.В., Рыжков В.В. Расчётное исследование влияния режимных и конструктивных факторов на параметры ракетных двигателей малой тяги на газообразном кислородно-водородном топливе // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. №3.
5. Ворожеева О. А., Ягодников Д. А. Расчетное исследование теплового состояния ракетного двигателя малой тяги на газообразных компонентах топлива кислород-метан, работающего в импульсном режиме // Машиностроение и компьютерные технологии. 2014. №11.
© Шемет Д.В., Батранюк И.А., 2022
