394006, Воронеж, Россия

Приведены краткие результаты десятилетнего сотрудничества КБХА и немецкой компании Astrium Space Тransportation в области технологий углеводородных камер и газогенераторов.

За последнее десятилетие компаниями Astrium Space Тransportation (далее Астриум) и КБХА были достигнуты значительные успехи в демонстрации ключевых технологий горения углеводородных топлив в ракетных двигателях [1]-[4]. Началось все с системного исследования, благодаря которому стало возможным определить технологические задачи применения углеводородного топлива в ракетных двигателях различных ступеней; отдельные программы демонстрационных технологий выполняются вплоть до настоящего времени.

Первая часть экспериментальных работ сводилась к исследованию смесительных головок (СГ) камер двигателей открытой схемы. Во время испытаний, проводимых на испытательном стенде КБХА в Воронеже, использовались пары топливных компонентов О_2ж-СН₄ и О_2ж-керосин. На основании приобретенного опыта были разработаны и испытаны на модельном уровне смесительные головки для работы в условиях замкнутой схемы с дожиганием. Рабочие условия для испытаний были получены в результате системного анализа возможных концепций двигателя. Испытаниям подвергались как отдельно окислительные газогенераторы, так и установки, состоящие из газогенератора и основной камеры, с целью воспроизведения реальных условий для работы смесительной головки главной камеры.

Помимо экспериментальных работ Астриум и КБХА проводили исследования в области потенциальных разработок многоразового двигателя открытой схемы, работающего на О_2ж-СН₄.

Этапы сотрудничества КБХА и Астриум представлены на рис. 1.

Анализ схемы О2ж-углеводород	Модельные испытания на О2ж-СН4	Модельные испытания на О2ж-керосине	Модельная СГ (О2ж-керосин)	Конструкция полномасштабной СГ (О2ж-СН4)
Рис. 1. Этапы сотрудничества КБХА и Астриум в период 2000 – 2010 гг.

Технология камер двигателей открытой схемы, работающих на о2ж-углеводороде

Испытания модельных камер на О_2ж-СН₄

Испытания модельных камер на О_2ж-СН₄ проводились в августе – сентябре 2001 г. на испытательном комплексе КБХА в Воронеже. Испытания проводились с тремя взаимозаменяемыми СГ. Камера состояла из охлаждаемых водой блоков, позволяющих определить тепловой поток в стенку камеры (рис. 2).

В модельных испытаниях СН₄ был заменен сжиженным природным газом (СПГ), содержание СН₄ в котором составляло 97,7 – 98,5 %. В соответствии с ожидаемыми условиями смесеобразования в охлаждаемую камеру двигателя открытой схемы производилась подача СПГ при комнатной температуре и жидкого кислорода. Во время проведения серии испытаний были получены характеристики трех различных типов форсунок, разработанных КБХА и Астриум (рис. 3). Все три типа форсунок, прошедшие испытания, были построены по коаксиальному типу в соответствии с опытом, приобретенным в предыдущих программах по исследованию кислородно-водородных форсунок. При проведении серии испытаний изменялись некоторые параметры, например геометрия форсунок и скорость впрыска. Всего было проведено 12 испытаний при давлении в камере 35 – 70 бар и коэффициенте соотношения компонентов топлива 3,1 – 3,8.

Рис. 2. Главная модельная камера сгорания, использовавшаяся при испытаниях открытого цикла

Рис. 3. Модельная СГ

Рис. 4. Испытания модельной камеры на О2ж-СПГ на испытательном стенде КБХА

Во время испытаний были продемонстрированы надежное зажигание и успешная работа всех трех типов форсунок. На рис. 4 представлено типичное испытание модельной камеры на кислороде-метане с характерным голубым цветом пламени. На рис. 5 отмечен прогресс в оптимизации полноты сгорания компонентов топлива, достигаемой при использовании различных смесительных элементов. Видно, что при испытаниях на О_2ж-СПГ может быть достигнута полнота сгорания, сравнимая с той, которая получена при испытаниях камеры на О_2ж-Н₂.

Амплитуды колебаний давления, измеренные в камере сгорания и перед форсунками, оказались незначительно выше тех, которые были получены при подобных испытаниях на О_2ж-Н₂. Измеренный подогрев охладителя соответствует прогнозу, основанному на эмпирических корреляциях теплообмена с использованием числа Нуссельта.

После завершения серии из 12 испытаний камера находилась в удовлетворительном состоянии, с небольшим наличием цветов побежалости за форсунками (рис. 6). На внутренней поверхности камеры отмечен небольшой слой сажи, который легко удаляется. Увеличения количества сажи при увеличении длительности испытаний не выявлено. Огневое днище СГ после проведения испытаний также находилось в удовлетворительном состоянии, что отображено на рис. 6.

Рис. 5. Полнота сгорания компонентов топлива при использовании форсуночных элементов, испытываемых на О_2ж-СПГ

Рис. 6. Начальный участок стенки камеры после 12 испытаний с суммарной наработкой 450 с (слева). СГ после проведения трех испытаний с суммарной наработкой 115 с (справа)

Модельные испытания на О_2ж-керосине

Испытания на О_2ж-керосине проводились в июне – июле 2002 г. с использованием модельной камеры, прошедшей испытания на О_2ж-СПГ [7]. Испытывались три вида форсунок, разработанных для впрыска жидкого кислорода и жидкого керосина. Два вида форсунок разработаны КБХА. Конструкция коаксиальных форсунок, разработанных Астриум, основана на опыте, полученном во время участия в программе RS-72 Pathfinder.

Всего было проведено семь испытаний при соотношении компонентов 2,6 – 3,2 и давлении в камере 40 – 70 бар. Время каждого испытания составляло  37 с. Во время испытаний горение было стабильным с ярко-желтым пламенем, являющимся типичным для горения керосина (рис. 7).

Рис. 7. Огневые испытания на жидком кислороде-керосине на испытательном стенде КБХА (Воронеж)

Большинство испытаний прошли успешно. Однако во время двух испытаний на запуске возникало нестабильное горение, что привело к их прекращению. За исключением этих случаев, результаты исследования форсунок КБХА и Астриум подтвердили стабильную работу камеры, хотя и с бóльшими амплитудами пульсаций давления, чем во время предыдущих испытаний на жидком кислороде-метане. Полнота сгорания топлива при испытаниях была близка к 98 %.

После проведения испытаний стенка камеры находилась в удовлетворительном состоянии. Наблюдался тонкий слой сажи, который легко мог быть удален между испытаниями. Слой сажи предположительно образовывался не во время установившейся работы камеры, а на переходном режиме при останове, когда происходит изменение соотношения компонентов. На рис. 8 виден уровень отложений сажи на огневом днище смесительной головки.

Рис. 8. Модельная СГ на О_2ж-керосине до (слева) и после трех испытаний (справа) с суммарной наработкой 110 с; видны отложения сажи