Внедрение соплового насадка радиационного охлаждения из углерод-углеродного композиционного материала на камеру маршевого двигателя 11Д58М разгонного блока дм-sl Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.454.2.034.018.3

ВНЕДРЕНИЕ СОПЛОВОГО НАСАДКА РАДИАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА КАМЕРУ МАРШЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ 11Д58М РАЗГОННОГО БЛОКА ДМ-SL

© 2006 А.В. Межевов, В.И. Сксромнов, А.В. Козлов, НН. Тупицын, В.Г. Хаспеков РКК «Энергия», г. Королёв Московской обл.

В РКК «Энергия» совместно с НПО «Искра» и Центром Келдыша разработан и внедрен на маршевом двигателе 11Д58М модернизированный сопловой насадок радиационного охлаждения из углерод -углеродного композиционного материала. За счёт повышения геометрической степени расширения сопла удельный импульс тяги двигателя был увеличен на 4 с, что эквивалентно увеличению на 90 кг массы полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту.

РКК «Энергия» совместно с НПО «Искр а» и Центр ом Келдыша р азр аботала и пр и-менила на маршевом двигателе 11Д58М модернизированный сопловой насадок радиационного охлаждения (НРО-М) из уг-лер од-у глер одного композ ицио нного мат е-риала (УУКМ). Впервые в нашей стране на серийном ЖРД был использован материал, традиционно применяемый в соплах РДТТ. За счёт повышения геометрической степени расширения сопла удельный импульс тяги двигателя был увеличен на 4 с, что эквивалентно увеличению на 90 кг массы полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту (с учетом увеличения массы насадка на 10 кг). Основные характеристики ЖРД 11 Д58М пр иведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики ЖРД 11Д58М

На рис. 1 представлены насадки, применяемые на двигателе 11Д58М. Геометрическая степень расширения сопла с НРО-М равна 280, его длина увеличилась на 450 мм по сравнению с исходным размером НРО.

Сложность создания НРО-М определялась следующими обстоятельствами:

• Условия работы насадков в ЖРД намного более жесткие, чем в РДТТ. Это

подтверждает сравнение основных технических требований к насадкам для РДТТ и ЖРД типа 11Д58М, приведенных в таблице 2.

Т аблица 2. Основные технические требования к насадкам для РДТТ и ЖРД типа 11Д58

Т ехнические тр ебования РДТТ ЖРД

Время работы двигателя, с < 90 1200

Количество включений, п 1 5

Окислительный потенциал продуктов сгорания 0,06 0,28

Началь ная темп ер атур а конструкции, °С 0 m 0 -160 ...200

Такие отличия потребовали проведения большого объёма работ по экспериментальному подтв ер ждению р аботоспособ ност и НРО-М в составе двигателя 11Д58М. Огневые испытания полноразмерного НРО-М, обеспечивающего увеличение геометрической степени расширения сопла /а = Еа/Екр с 94 до 280, возможны только в условиях баростенда, аналогичных условиям испытательного комплекса 1-4 Центра Арнольда, США. В России подобного стенда нет. Существующий в РКК «Энергия» испытательный стенд позволяет испытывать двигатели до /а = 140. Это соответствует длине соплового насадка не более 300 мм. РКК «Энергия» имеет положительный опыт испытаний коротких насадков и методику переноса результатов испытаний на натурные, подтвержденную летными испытаниями для металлических насадков. Необходимо было имеющуюся методику усовершенствовать и распространить на полноразмерные НРО-М с учетом результатов испытаний укороченных насадков из УУКМ и опыта НПО «Искра» и Центра Келдыша по отработке РДТТ.

Компоненты топлива: Горючее Окислитель РГ-1 О2Ж

Тяга, кН 85

Удельный импульс тяги, с 356

Давление в камере, МПа 7,9

Соотношение компонентов топлива 2,82

Геометрическая степень расширения сопла 280

Многократность включений 7

Су ммар ное вр емя р аботы, с 1200

Существующий НРО

НРО-М из УУКМ

охлаждаемое сопло

охлаждаемое сопло

место стыка

верхняя секция НРО-М

межсекционныи стык

нижняя секция НРО-М

Рис. 1. Сопловые насадки двигателя 11Д58М

• К началу работы не было достоверных сведений по стойкости углеродных материалов в среде продуктов сгорания ЖРД при температуре до 1250°С. Имевшиеся в Центре Келдыша данные по химической стойкости УУКМ, полученные на модельных двигателях, не давали однозначного ответа о величине и скорости уноса материала в процессе работы двигателя, о необходимости применения защитных покрытий насадка или создания завесного охлаждения средствами двигателя. Не имелось также проверенных технических решений по конструкции стыка насадков с охлаждаемым соплом, а также стыка между секциями насадка.

• НРО-М разрабатывался для двигателя 11Д58М, который используется в различных космических программах, имеет высокую надежность и большую положительную статистику летных испытаний. Внедрение нового насадка не должно было снизить достигнутую надежность двигателя.

Для исключения ошибок, связанных с переносом результатов испытаний и исследований модельных образцов на полноразмерные насадки, огневые испытания коротких образцов насадков проводились только на штатных двигателях со штатным креплением насадков к соплу. Кроме того, короткие насадки изготавливались по принятому на серийном производстве технологическому

процессу из материалов, соответствующих требованиям технической документации.

Последние два мероприятия резко сократили сроки внедрения насадка в конструкцию двигателя, сняв большинство вопросов по переносу условий и результатов испытаний модельных двигателей и образцов на натурные. Огневые испытания коротких насадков в составе штатного двигателя дали ответы и на все другие вопросы, связанные с тепловым состоянием насадка, тер -моэрозионной стойкостью материала и на-пряжено-дефор мир ованным состоянием

конструкции.

Анализ теплового состояния и термоэрозионного уноса НРО-М

Расчетно-теоретическая оценка теплового состояния НРО-М (рис. 2) проведена Центром Келдыша и НПО «Искра» по исходным данным РКК «Энергия» по современным методикам и хорошо совпадает с имевшимися экспериментальными результатами для металлических и полученным вновь для укороченных насадков из УУКМ.

Что касается термоэрозионного уноса, то его величина по предварительной оценке колебалась от десятков микрон до нескольких миллиметров. И только проведя испытания укороченных насадков НРО-М в составе нескольких двигателей, была определена за-

висимость линейного уноса УУКМ от тем- пературы и длительности работы.

Рис. 2. Тепловое состояние сопловых насадков

Было испытано шесть образцов укоро- пешно, без замечаний и отклонений, влияю-ченных насадков из УУКМ длиной 275 мм. щих на их работоспособность. Данные стен-

Все испытания в РКК «Энергия» прошли ус- довых испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3. Данные стендовых испытаний

№ МД № Время испытания, с Рк, 2 кгс/см Кт Т,° С Конструкция насадка

124 1 660 74,1 2,469 1040 гладкий

124 2 300 81,0 2,475 1040 Ь=275 мм,

153 3 300 74,0 2,569 1060 №1

7=1260

153 4 164 74,7 2,470 938 составной Ь=275 мм, №2

153 5 750 74,2 2,478 1060

153 6 300 74,7 2,470 962

153 7 275 74,2 2,574 965

7=1489

153 8 750 73,1 2,421 1030 составной

153 9 300 73,7 2,468 983 Ь=275 мм,

153 10 300 73,7 2,473 970 №3

7=1350

153 11 750 73,4 2,386 1010 составной

153 12 300 76,5 2,470 1100 Ь=275 мм,

153 13 300 74,8 2,407 1025 №4

7=1350

121 14 750 79,0 2,457 1070 составной Ь=275 мм,

121 15 700 79,6 2,381 1085 с покрытием, №5(4)

7=1450

121 16 750 73,7 2,427 1070 раздвижной

121 17 300 73,6 2,405 1080 Ь=275 мм,

121 18 300 74,1 2,409 1050 №6

7=1350

В настоящее время летные испытания успешно прошли шесть штатных насадков НРО-М. Дополнительно на двух двигателях на фланце охлаждаемого сопла в месте стыка НРО-М были установлены дублированные термоэлектрические датчики температуры, по которым имелись точные измерения при стендовых испытаниях укороченных насадков. Кроме того, имелись прямые измерения температуры внешней поверхности насадков из металлокомпозитов титан-ниобий-титан при работе двигателя на нафтиле. Анализ этих данных показывает, что во время работы тепловое состояние охлаждаемого сопла при установке всех видов насадков практически не меняется и составляет около 130 °С.

Экспериментальные данные по линейному уносу шести насадков длиной 275 мм, приведены на рис. 3.

На графиках этого рисунка точки на сплошных линиях показывают среднюю величину уноса в данном сечении сопла, замеренную по 8-ми точкам в специальном приспособлении. Точки на пунктирных линиях показывают унос, замеренный в промежу-точных местах с помощью универсального инструмента после завершения испытаний. Графики представляют собой ломаные линии, поскольку измерения проводились в

э 0,8

строго ориентированных реперных точках. На самом деле поверхность уноса выглядит достаточно плавно без уступов и резких скачков.

Одновременно приведена кривая расчетного уноса составных насадков при времени работы двигателя 1500 с. Пунктирными линиями показан унос в случае, если бы насадки были гладкими, то есть не было меж-секцио нного у сту па.

Расчетная зависимость уноса УУКМ от ресурса и температуры полноразмерного НРО-М представлена на рис. 4.

Максимальный унос за время работы 750 с, которое реализуется в настоящее время на двигателе 11Д58М, составляет 0,3 мм при минимальной толщине стенки 4,8 мм. Место его расположения находится на расстоянии 50... 100 мм от стыка с охлаждаемой частью сопла. Унос за межсекционным стыком, отнесенный к своему реальному положению в полноразмерном насадке, составит 0,2 мм за время работы 750 с.

При указанных величинах уноса материала прочность конструкции НРО-М и её работоспособность обеспечиваются во всем диапазоне действующих нагрузок и при всех режимах и временах работы двигателя.

0,7

№ 1 1489 с № 2 1350 с № 3 1350 с № 4 1 450 с № 5 1 350 с Расчет 1500с № 6 1260

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

625 650 675 700 725 750 775 800 825 850 875 900 925 950 975

Расстояние от критического сечения, мм

Рис. 3. Экспериментальная и расчетная зависимости максимального уноса составных насадков

от времени работы двигателя

1

2

о"

Si

>.

600

700

800

900

1000

1100 1200 1 300

Длина насадка, мм

1400

1500

1600

1700

1800

Рис. 4. Расчетная зависимость уноса УУКМот времени работы двигателя и температуры для составного НРО-М

Т аблица 4. Баллистическая оценка

Анализ прироста удельного импульса тяги двигателя 11Д58М при использовании НРО -М из УУКМ по результатам летных испытаний РБ ДМ-8Ь

Расчетно-теоретическая оценка прироста удельного импульса тяги МД 11Д58М за счет увеличения степени расширения сопла НРО-М находится в пределах 5...7 с. По данным Центра Келдыша с учетом массы насадка и газодинамических потерь в местах уступов по гладкому контуру сопла суммар -ные потери составляют 1,1 с; при средней величине теоретического прироста I уд= 6 с фактический прирост составит 4,9 с.

Баллистическая оценка летных испытаний приведена в таблице 4.

летных испытании

РБ ДМ-SL 16Л 17Л 18Л 19 Л 20Л 22Л

^^нро-м +4,19 +6,30 +4,39 +4,29 +3,88 +5,00

Отбрасывая крайние значения, получаем по результатам летных испытаний среднюю величину /Иуд=4,5 с. Сходимость результатов достаточно хорошая.

Внедрение насадка из УУКМ на двигатели 11Д58М, используемые в программе «Морской старт», дали основание для принятия решения о применении НРО-М в программе «Наземный старт», а также о разработке раздвижного насадка из УУКМ для других проектов, в которых используется МД 11Д58М при наличии ограничений на величину осевого габарита двигателя.

INSTALLATION OF A RADIATION-COOLED NOZZLE OF A CARBON-CARNONIC COMPOSITE MATERIAL TO THE COMBUSTION CHAMBER OF MAIN ENGINE 11^58 M PE ^M-SL

© 2006 A.V. Mezhevov, V.I. Skoromnov, A.V. Kozlov, N.N. Tupitsin, V.G. Khaskekov S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia, Korolev, Moscow region

A radiation cooling nozzle of a carbon-carbonic composite material is installed on main engine 11^58M, which is used on the Upper Stage DM-SL as a part of the Zenit-3SL LV in the Sea Launch project. The specific impulse of the engine increased by 4 s through an increase of the nozzle geometric expansion ratio. The results of flight tests show a good convergence with design-theoretical and experimental data.