Le carburant de cuisinière est très efficace pour les moteurs de fusée
Le monde des fusées et de l'espace à la croisée des chemins: les tendances mondiales appellent à une baisse des coûts et à une sécurité environnementale accrue des services spatiaux. Les concepteurs doivent inventer de nouveaux moteurs-fusées à propergol liquide (LPRE) utilisant des carburants respectueux de l'environnement, remplaçant l'hydrogène liquide coûteux et très énergivore par du gaz naturel liquéfié (GNL) bon marché avec une teneur en méthane de 90 à 98 %. Ce carburant, couplé à de l'oxygène liquide, permet de créer de nouveaux moteurs très efficaces et peu coûteux en utilisant au maximum les éléments déjà existants de conception, de matériel, de technologie et de retard de production.
Le GNL est non toxique et lorsqu'il est brûlé dans l'oxygène, de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone se forment. Contrairement au kérosène, qui est largement utilisé dans les fusées, les déversements de GNL s'évaporent rapidement sans nuire à l'environnement.
Premiers essais
La température d'inflammation du gaz naturel avec l'air et la limite inférieure de sa concentration explosive sont supérieures à celles des vapeurs d'hydrogène et de kérosène; par conséquent, dans la région des faibles concentrations, par rapport aux autres combustibles hydrocarbonés, il est moins explosif.
En général, l'exploitation du GNL comme carburant de fusée ne nécessite aucune mesure supplémentaire de prévention des incendies et des explosions qui n'a pas été utilisée auparavant.
La densité du GNL est six fois celle de l'hydrogène liquide, mais la moitié de celle du kérosène. La densité inférieure entraîne une augmentation correspondante de la taille du réservoir de GNL par rapport au réservoir de kérosène. Cependant, compte tenu du rapport plus élevé de comburant et de consommation de carburant (il est d'environ 3,5 à 1 pour le carburant oxygène liquide (LC) + GNL et de 2,7 à 1 pour le carburant ZhK + kérosène), le volume total du carburant ZhK + Le GNL ravitaillé n'augmente que de 20 pour cent. Compte tenu de l'effet du durcissement cryogénique du matériau, ainsi que de la possibilité de combiner les fonds des réservoirs LC et GNL, le poids des réservoirs de carburant sera relativement faible.
Et enfin, la production et le transport de GNL sont depuis longtemps maîtrisés.
Le bureau de conception du génie chimique (KB Khimmash) du nom d'AM Isaev à Korolev, dans la région de Moscou, a commencé à travailler (en fait, s'étalant sur des années en raison d'un financement très limité) sur le développement du carburant ZhK + GNL en 1994, lorsque les études de conception - conception et une décision a été prise pour créer un nouveau moteur en utilisant la base schématique et structurelle de l'actuel HPC1 oxygène-hydrogène avec une poussée de 7,5 tf, exploité avec succès dans le cadre de l'étage supérieur (Cryogenic Upper Stage) 12KRB du lanceur indien GSLV MkI (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle).
En 1996, des essais d'allumage autonome d'un générateur de gaz utilisant du liquide liquide et du gaz naturel comme composants combustibles ont été réalisés, qui visaient principalement à vérifier les modes de démarrage et de fonctionnement stable - 13 inclusions ont confirmé l'opérabilité du générateur de gaz et ont donné le résultats qui ont été utilisés dans le développement de générateurs de gaz de récupération fonctionnant sur des schémas ouverts et fermés.
En août-septembre 1997, le Khimmash Design Bureau a effectué des essais au feu de l'unité de direction du moteur KVD1 (utilisant également du gaz naturel au lieu de l'hydrogène), dans lesquels une chambre déviée dans deux plans à un angle de ± 39,5 degrés a été combinée dans un structure unique (poussée - 200 kgf, pression de la chambre - 40 kg / cm2), vannes de démarrage et d'arrêt, système d'allumage pyrotechnique et entraînements électriques - une unité de direction KVD1 standard a réussi six démarrages avec un temps de fonctionnement total de plus de 450 secondes et une chambre pression comprise entre 42 et 36 kg / cm2. Les résultats des tests ont confirmé la possibilité de créer une petite chambre en utilisant du gaz naturel comme fluide caloporteur.
En août 1997, KB Khimmash a commencé les essais de mise à feu d'un moteur à circuit fermé pleine grandeur avec une poussée de 7,5 tf sur du carburant ZhK + GNL. La base de la fabrication était un moteur KVD1 modifié à circuit fermé avec postcombustion du gaz du générateur de gaz réducteur et refroidissement de la chambre avec du carburant.
La pompe à comburant standard KVD1 a été modifiée: le diamètre de la roue de la pompe a été augmenté pour assurer le rapport requis des têtes de pompe à comburant et à carburant. De plus, le réglage hydraulique des conduites du moteur a été corrigé pour garantir le rapport calculé des composants.
L'utilisation du moteur prototype, qui avait auparavant passé avec succès le cycle d'essais de mise à feu sur LCD + carburant hydrogène liquide, a permis de réduire au maximum les coûts de recherche.
Les essais à froid ont permis d'élaborer le mode de préparation du moteur et de la cage pour les travaux à chaud en termes d'assurance des paramètres requis de GNL dans les réservoirs de banc, de refroidissement des conduites de comburant et de carburant à des températures garantissant un fonctionnement fiable des pompes pendant la période de démarrage et démarrage du moteur stable et stable.
Le premier essai au feu du moteur a eu lieu le 22 août 1997 sur le stand de l'entreprise, qui s'appelle aujourd'hui le Centre d'essais scientifiques de l'industrie des fusées et de l'espace (SRC RCP). Dans la pratique de KB Khimmash, ces tests ont été la première expérience d'utilisation du GNL comme carburant pour un moteur en circuit fermé pleine grandeur.
L'objectif de l'essai était d'obtenir un résultat satisfaisant grâce à une certaine réduction des paramètres et à la facilitation des conditions de fonctionnement du moteur.
Le contrôle de l'atteinte du mode et du fonctionnement dans le mode a été effectué à l'aide de contrôleurs d'accélérateur et du rapport de consommation des composants de carburant à l'aide des algorithmes HPC1, en tenant compte de l'interaction des canaux de contrôle.
Le programme du premier essai de mise à feu du moteur en circuit fermé a été achevé dans son intégralité. Le moteur a fonctionné pendant un temps déterminé, il n'y a eu aucun commentaire sur l'état de la pièce matérielle.
Les résultats des tests ont confirmé la possibilité fondamentale d'utiliser le GNL comme carburant dans les unités d'un moteur oxygène-hydrogène.
Il y a beaucoup de gaz - pas de coke
Par la suite, les essais se sont poursuivis dans le but d'approfondir l'étude des procédés associés à l'utilisation du GNL, de vérifier le fonctionnement des groupes moteurs dans des conditions d'application plus larges et d'optimiser les solutions de conception.
Au total, de 1997 à 2005, cinq essais de mise à feu de deux exemplaires du moteur KVD1, adaptés à l'utilisation de carburant ZhK + GNL, d'une durée de 17 à 60 secondes, la teneur en méthane du GNL - de 89,3 à 99,5%, a eu lieu.
Dans l'ensemble, les résultats de ces tests ont permis de déterminer les principes de base du développement du moteur et de ses unités lors de l'utilisation du carburant « ZhK + GNL » et de passer en 2006 à l'étape suivante de la recherche impliquant le développement, la fabrication et les essais du moteur C5.86. La chambre de combustion, le générateur de gaz, l'unité de turbopompe et les régulateurs de ces derniers sont structurellement et paramétriquement conçus spécifiquement pour fonctionner avec du carburant ZhK + GNL.
En 2009, deux essais au feu des moteurs C5.86 d'une durée de 68 et 60 secondes ont été effectués avec une teneur en méthane dans le GNL de 97, 9 et 97, 7 %.
Des résultats positifs ont été obtenus lors du démarrage et de l'arrêt du moteur à propergol liquide, fonctionnant en régime permanent en termes de poussée et de rapport des composants du carburant (conformément aux actions de contrôle). Mais l'une des tâches principales - la vérification expérimentale de l'absence d'accumulation de phase solide dans le chemin de refroidissement de la chambre (coke) et dans le chemin de gaz (suie) avec des tours allumés suffisamment longs - n'a pas pu être réalisée en raison du volume limité de réservoirs de GNL de banc (la durée d'activation maximale était de 68 secondes). Ainsi, en 2010, il a été décidé d'équiper le stand pour effectuer des essais de tir d'une durée d'au moins 1000 secondes.
En tant que nouveau lieu de travail, le banc d'essai RCP du CNRC a été utilisé pour tester les moteurs-fusées oxygène-hydrogène à propergol liquide, qui ont des capacités du volume correspondant. Pour préparer l'essai, l'expérience significative acquise précédemment au cours des sept essais au feu a été prise en compte. Dans la période de juin à septembre 2010, les systèmes de banc d'hydrogène liquide ont été affinés pour l'utilisation du GNL, le moteur C5.86 n°2 a été installé sur le banc, des tests complets des systèmes de mesure, de contrôle, de protection d'urgence, et régulation du rapport entre la consommation de carburant et la pression dans la chambre de combustion ont été effectuées.
Les réservoirs de banc ont été remplis de carburant provenant du réservoir de transport du camion-citerne de ravitaillement (volume - 56,4 m3 avec un ravitaillement de 16 tonnes) à l'aide d'une unité de ravitaillement en GNL, comprenant un échangeur de chaleur, des filtres, des vannes d'arrêt et des instruments de mesure. Une fois le remplissage des réservoirs terminé, les lignes de banc d'alimentation en carburant du moteur ont été refroidies et remplies.
Le moteur a démarré et a fonctionné normalement. Les changements de régime ont eu lieu en fonction des influences du système de contrôle. À partir de 1100 secondes, la température du gaz du générateur de gaz a constamment augmenté, ce qui a entraîné la décision d'arrêter le moteur. L'arrêt a eu lieu sur commande à 1160 secondes sans aucune remarque. La raison de l'augmentation de la température était la fuite du collecteur de sortie du chemin de refroidissement de la chambre de combustion qui s'est produite pendant le test - une fissure dans le cordon de soudure de la buse de processus bouchée installée sur le collecteur.
L'analyse des résultats de l'essai au feu conduit a permis de conclure:
- en cours de fonctionnement, les paramètres du moteur étaient stables dans des modes avec diverses combinaisons du rapport de la consommation des composants du carburant (2,42 à 1 - 3,03 à 1) et de la poussée (6311 - 7340 kgf);
-confirmé l'absence de formations en phase solide dans le trajet gazeux et l'absence de dépôts de coke dans le trajet liquide du moteur;
- les données expérimentales nécessaires ont été obtenues pour affiner la méthode de calcul du refroidissement de la chambre de combustion lors de l'utilisation du GNL comme refroidisseur;
- la dynamique de la sortie du canal de refroidissement de la chambre de combustion vers le régime thermique stationnaire a été étudiée;
-confirmé l'exactitude des solutions techniques pour assurer le démarrage, le contrôle, la régulation et d'autres choses, en tenant compte des particularités du GNL;
-le C5.86 développé avec une poussée de 7,5 tf peut être utilisé (seul ou en combinaison) comme moteur de propulsion dans des étages supérieurs et supérieurs de lanceurs prometteurs;
- les résultats positifs des tests de mise à feu ont confirmé la faisabilité de nouvelles expérimentations pour créer un moteur fonctionnant au carburant ZhK + GNL.
Lors du prochain essai au feu en 2011, le moteur a été mis en marche deux fois. Avant le premier arrêt, le moteur a fonctionné pendant 162 secondes. Au deuxième démarrage, réalisé pour confirmer l'absence de formation de phase solide dans le chemin gazeux et de dépôts de coke dans le chemin liquide, une durée de fonctionnement record d'un moteur de cette dimension avec un seul démarrage - 2007 secondes a été atteinte, ainsi que la possibilité d'un étranglement de poussée a été confirmée. Le test a été interrompu en raison de l'épuisement des composants du carburant. Le temps de fonctionnement total de cette instance de moteur était de 3389 secondes (quatre démarrages). La détection des défauts effectuée a confirmé l'absence de phase solide et de formation de coke dans les chemins du moteur.
Un ensemble de travaux théoriques et expérimentaux avec le C5.86 n°2 a confirmé:
- la possibilité fondamentale de créer un moteur de la dimension requise sur le couple combustible des composants "ZhK + LNG" avec la postcombustion du gaz générateur réducteur, ce qui garantit le maintien de caractéristiques stables et l'absence pratique d'une phase solide dans le les chemins de gaz et les dépôts de coke dans les chemins de liquide du moteur;
-la possibilité de démarrages et d'arrêts multiples du moteur;
-la possibilité d'un fonctionnement à long terme du moteur;
-la justesse des solutions techniques adoptées pour assurer la mise en route, le contrôle, la régulation multiples, en tenant compte des caractéristiques du GNL et de la protection d'urgence;
-Les capacités du NIC RCP représentent des tests à long terme.
De plus, en coopération avec NRC RCP, une technologie de transport, de ravitaillement et de thermostatisation de grandes masses de GNL a été développée et des solutions technologiques ont été développées qui sont applicables dans la pratique pour la procédure de ravitaillement en produits de vol.
GNL - la voie vers des vols réutilisables
En raison du fait que les composants et les assemblages du moteur de démonstration C5.86 n°2 en raison d'un financement limité n'ont pas été optimisés dans la mesure appropriée, il n'a pas été possible de résoudre complètement un certain nombre de problèmes, notamment:
clarification des propriétés thermophysiques du GNL comme fluide caloporteur;
obtenir des données supplémentaires pour vérifier la convergence des caractéristiques des unités principales lors de la simulation sur l'eau et de l'exploitation au GNL;
vérification expérimentale de l'influence possible de la composition du gaz naturel sur les caractéristiques des unités principales, y compris les voies de refroidissement de la chambre de combustion et du générateur de gaz;
détermination des caractéristiques des moteurs-fusées à propergol liquide dans une plus large gamme de changements de modes de fonctionnement et de paramètres de base à la fois avec des démarrages simples et multiples;
optimisation des processus dynamiques au démarrage.
Pour résoudre ces problèmes, KB Khimmash a fabriqué un moteur C5.86A n° 2A amélioré, dont l'unité de turbopompe était pour la première fois équipée d'une turbine de démarrage, d'une turbine principale améliorée et d'une pompe à carburant. Le circuit de refroidissement de la chambre de combustion a été modernisé et l'aiguille des gaz du rapport de carburant a été repensée.
Un essai au feu du moteur a été réalisé le 13 septembre 2013 (teneur en méthane dans le GNL - 94,6%). Le programme de test prévoyait trois interrupteurs d'une durée totale de 1500 secondes (1300 + 100 + 100). Le démarrage et le fonctionnement du moteur dans le mode se sont déroulés normalement, mais à 532 secondes, le système de protection d'urgence a généré une commande d'arrêt d'urgence. La cause de l'accident était la pénétration d'une particule métallique étrangère dans le circuit d'écoulement de la pompe de comburant.
Malgré l'accident, le C5.86A n°2A a fonctionné assez longtemps. Pour la première fois, un moteur a été lancé, destiné à être utilisé dans le cadre d'un étage de fusée, qui nécessite de multiples démarrages, selon le schéma mis en œuvre utilisant un accumulateur de pression rechargeable embarqué. Un mode de fonctionnement stable a été obtenu pour un mode de poussée donné et le maximum du rapport de consommation de composants de carburant précédemment réalisé. Des réserves possibles pour augmenter la poussée et augmenter le ratio de consommation des composants de carburant ont été déterminées.
Maintenant, KB Khimmash achève la fabrication d'une nouvelle copie de C5.86 pour tester la ressource maximale possible en termes de temps de fonctionnement et de nombre de démarrages. Il devrait devenir un prototype de véritable moteur à carburant ZhK + GNL, qui donnera une nouvelle qualité aux étages supérieurs des lanceurs et donnera vie à des systèmes de transport réutilisables. Avec leur aide, l'espace deviendra disponible non seulement pour les chercheurs et les inventeurs, mais, peut-être, uniquement pour les voyageurs.
