Разработка и исследование кислородного крио-ЭГД-насоса для энергетических систем космических аппаратов

Актуальность научно-технической проблемы разработки ракетных средств выведения с повышенными тактико-техническими характеристиками (ТТХ) в настоящее время обусловлена комплексом новых обстоятельств, возникающих в современной практике разработки ракетных средств выведения. Основными из них являются:

• необходимость обеспечения гарантированного независимого доступа Российской Федерации в космическое пространство, а также поддержание престижа отечественной ракетно-космической техники в процессе международного сотрудничества;

• необходимость разработки перспективных средств выведения с учётом их двойного назначения;

• поддержание обороноспособности страны на достаточном высокоэффективном уровне;

• необходимость создания экологически безопасных средств выведения и др.

Проведённый анализ состояния и перспектив развития ракетных средств выведения в нашей стране и за рубежом показывает, что существующий парк ракет-носителей (РН) эксплуатируется, в основном, на токсичных компонентах ракетного топлива, что ставит проблему обеспечения экологической безопасности при эксплуатации [11,13,55]. Большинство РН морально и физически устарели и необходима либо их глубокая модернизация, либо разработка современных средств выведения на нетоксичных компонентах топлива [11]. Примером такого подхода к созданию современных средств выведения среднего класса может служить РН «Зенит», эксплуатируемая в настоящее время и использующая криогенные компоненты «жидкий кислород + керосин» .

Ряд носителей в нашей стране и за рубежом эксплуатировались или продолжают эксплуатироваться на криогенных компонентах топлива, среди них: РН «Восток», РН «Союз», РН №Сатурн — V", РН «Сатурн -1В», первые ступени РН «Тор-Дельта», «Атлас — Аджена», МКС «Буран».

По состоянию научно-исследовательских, проектно-поисковых и опытно-конструкторских работ исследования в области создания перспективных средств выведения легкого класса наибольшее развитие получили в связи с проведением как в нашей стране, так и за рубежом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию РН на нетоксичных криогенных компонентах топлива. В качестве компонентов топлива рассматривались «жидкий кислород + керосин», «жидкий кислород + жидкий водород», «жидкий фтор + жидкий водород».

Разработка современных ракетных средств выведения приводит к ужесточению существующих и появлению новых требований к РН, среди них:

• обеспечение экологической безопасности РН на всех этапах эксплуатации, в том числе за счёт увода последней ступени РН с орбиты функционирования КА на орбиту утилизации путём использования автономных головных блоков с жидкостными двигательными установками или повторного запуска маршевых двигателей [11−13, 15];

• повышение энергомассовых характеристик за счёт использования энергетически оптимальных схем выведения с повторным включением двигательных установок и длительным пассивным участком между включениями маршевого двигателя;

• повышение точности выведения КА в том числе за счёт обеспечения заданного температурного диапазона системы управления РН [11];

• обеспечение заданных параметров собственной внешней атмосферы, особенно при наличии в составе РН и выводимых КА оптико-электронной аппаратуры, например, астровизирующих устройств в комплексе командных приборов системы управления РН, телескопов в составе КА [11, 14];

• повышение надёжности функционирования двигательных установок РН, в том числе за счёт исключения температурного расслоения компонентов ракетного топлива и др.

Указанные требования к РН при использовании криогенных компонентов топлива ведут к созданию ряда систем и агрегатов, работающих на криогенных компонентах топлива, а именно:

• двигательных установок малой тяги, предназначенных для управления вектором тяги маршевого двигателя РН;

• двигательных установок малой тяги для обеспечения управления, ориентации и стабилизации ступени при движении на пассивном участке траектории;

• двигательных установок малой тяги для увода ступени с орбиты функционирования КА на орбиту утилизации;

• топливных баков ограниченных объёмов для двигательных установок малой тяги;

• систем подачи криогенных компонентов в двигатель;

• системы повторного запуска маршевого двигателя в невесомости на основе ёмкостей с криогенным компонентом, снабженных вытеснительными мембранами;

• пневмогидравлических систем.

Особенности разработки данных агрегатов и систем при использовании криогенных компонентов топлива связаны с их физическими параметрами, которые характеризуют условия их хранения и эксплуатации РН, эффективность топлива и внутрикамерные процессы в двигателе.

Условия хранения и эксплуатации во многом зависят от температуры кипения и плавления компонента, которые определяют температурный диапазон его нахождения в жидкой фазе. Узкий температурный диапазон существования компонента в жидкой фазе приводит к требованию поддержания определенного температурного режима не только в хранилищах компонента, но и на борту РН различными системами, в том числе:

• системой термостатирования, основанной на цикле «слив компонента из нижней части бака — подача переохлажденного компонента в его верхнюю часть на прогретые слои»;

• системой барботирования, основанной на интенсивном продавливании через слой криогенного компонента гелия;

• системой циркуляции для устранения гейзерного эффекта, возникающего в трубопроводах подачи криогенного компонента к двигателю из-за перегрева и интенсивного кипения в насыщенном или перегретом столбе криогенной жидкости, основанной на создании циркуляционного контура: «бак — теплоизолированный трубопровод подачи — неизолированный трубопровод циркуляции, подстыкованный к расходной магистрали в его нижней точке — бак»;

• системой захолаживания двигателя, предназначенной для охлаждения конструкции двигателя в целях исключения интенсивного испарения в его полостях первых порций поступающего криогенного компонента и обеспечения надежного и устойчивого процесса запуска двигателя.

Разработка подобных систем для двигательных установок «большой» тяги основана на использовании высоконапорных насосных и вытеснительных систем подачи значительной производительности, нашедших самое большое распространение в ракетной технике, и на практике не вызывает особых проблем.

Актуальность разработки крионасосов малой производительности для использования в перечисленных системах обусловлена использованием в ракетной технике двигательных установок «малой» тяги с топливными баками ограниченного объёма.

Работы по созданию ракетных двигателей малой тяги на криогенных компонентах ракетного топлива велись как в нашей стране, так и за рубежом. Так, еще в 1962 г. в связи с разработкой верхних ступеней РН ELDO на криогенном топливе были начаты опытно-конструкторские работы по двигателям с многократным включением на криогенном топливе с вытеснительной системой подачи КРТ. Разработанный фирмой «Мессершмитт-Белков-Блом» в 1966 г. двигатель на жидком кислороде и жидком водороде тягой 294 Н с вытеснительной системой подачи был доведен до стадии летных испытаний [29]. Двигатель работал при давлении в камере от 4 до 8 бар, соотношении компонентов 3.5−6.5 и мог запускаться до 12 раз. Двигатель предназначался в качестве рулевого двигателя для верхней ступени РН ELDO.

Позднее этой же фирмой разрабатывался двигатель на жидком фторе и жидком водороде тягой 4.9 кН. На первых этапах разработки для получения опыта работы использовался двигатель с тягой 294 Н.

С 1970 г. разрабатывались двигатели на газообразном кислороде и водороде тягой 6.7 кН и 9.3 кН [29] для долговременных орбитальных станций и космических транспортных кораблей. Для использования этих двигателей в автоматической межпланетной станции и космической ступени предусматривался переход от газообразных к жидким компонентам топлива.

Таким образом, в связи с применением двигательных установок «малой» тяги на криогенных компонентах топлива в ракетной технике крионасосы малой производительности могут найти самое широкое применение в системах обеспечения заданного температурного режима криогенных топлив.

Космической технике присуще большое многообразие решаемых технических задач, необходимость решения в процессе разработки КА сложных проблем и использование результатов космических исследований в самых различных областях знаний и научных направлений. Поэтому создание КА связано с решением ряда проблем как в части проектирования и выбора параметров бортовых систем, так и в в части разработки конструкции самого КА.

Область использования малорасходных крионасосов в КА обусловлена созданием ряда бортовых систем, использующих криогенные жидкости, например [16]:

• двигательные установки схода с орбиты, изменения плоскости орбиты, межпланетных перелетов, ориентации, коррекции траектории, выхода на орбиту;

• системы обеспечения теплового режима;

• системы обеспечения газового состава в обитаемых объемах пилотируемых КА.

При использовании в составе КА ДУ на криогенных компонентах топлива задачи, решаемые малорасходными крионасосами, аналогичны задачам, решаемым при разработке криогенных ДУ для РН.

Использование крионасосов для систем обеспечения теплового режима связано с решением дополнительных задач системой по охлаждению чувствительных элементов научной аппаратуры до уровня «азотных» или «гелиевых» температур, а также по дополнительному охлаждению теплоносителей жидким кислородом и жидким водородом. Например, в системе терморегулирования КА «Джемини» теплоноситель дополнительно охлаждается жидкими кислородом и водородом, предназначенными для дыхания и топливных элементов.

Крионасосы в этом случае могут использоваться в составе криогенных циклов с малыми расходами криоагента для охлаждения чувствительных элементов научной аппаратуры и подачи жидких криогенных компонентов в систему дополнительного охлаждения теплоносителя [16, 3].

Функционирование системы обеспечения газового состава в обитаемых объемах пилотируемых КА основано на поступлении кислорода в обитаемый объём как из имеющихся запасов, так и в результате его регенерации из продуктов жизнедеятельности. Запасы кислорода могут быть в виде газа, хранящегося в баллонах под высоким давлением, или в виде жидкости при криогенных температурах и относительно небольшом давлении. Отношение массы запаса ш3 вещества к массе конструкции тк, обеспечивающей хранение этого вещества, ш ^ характеризуется коэффициентом массы конструкции ак = ——. Для современV ных стальных баллонов ак =1,5−2,5, в то же время конструкции, обеспечивающие хранение жидкого кислорода, имеют ак=0,5. Поэтому предпочтительнее хранить кислород в жидком виде. Крионасос в том случае может быть. использован как для подачи жидкого кислорода потребителю, так и в составе циркуляционного контура, обеспечивающего нейтрализацию вскипания кислорода от теплопритоков.

Один из способов создания малорасходного крионасоса состоит в его разработке на базе немеханических преобразователей энергии. К таким видам преобразователей энергии относятся и электрогидрои газодинамические (ЭГД) устройства, которые реализуют процесс преобразования электрической энергии в потенциально-кинетическую и наоборот. Основным достоинством ЭГД-устройств является полное отсутствие в них движущихся механических рабочих органов, что приводит к значительному снижению потерь на трение. Высокая термодинамическая эффективность таких устройств уже подтверждена экспериментально. Кроме того, они имеют значительный ресурс непрерывной работы. К достоинствам ЭГД-устройств можно отнести так же бесшумность их работы и обеспечение высокой герметичности. В настоящие время разработаны, экспериментально исследованы и внедряются в производство ЭГД-насосы, работающие на малых расходах в диапазоне температур от 0 до 100 С, в которых КПД достигает 35% и более.

В то же время разработки по созданию крио — ЭГД — насоса до настоящего времени практически не проводились. Такая ситуация обусловлена сложностью ЭГД-процессов в сочетании со сложностью работы машин и аппаратов в низко.

12 температурной области. Данная работа, главной целью которой является разработка и исследование крио-ЭГД насоса для перекачки жидкого кислорода, является одной из первых в этой области. Для достижения поставленной цели был выполнен ряд следующих работ.

I. Проведён обзор и анализ патентной и научно-технической литературы по ЭГД-процессам в жидкостях, который представлен в главе 1.

II. На основе ряда физических допущений была построена квазиодномерная математическая модель, описывающая процесс преобразования энергии в ступени крио-ЭГД-насоса.

III. По расчетам математической модели ступени были определены её оптимальные конструктивные размеры.

IV. Проведено экспериментальное исследование разработанной ступени насоса на специально созданном стенде. Данные экспериментального исследования были сравнены с теоретическими характеристиками ступени.

V. На основе исследованной ступени был разработан и изготовлен многоступенчатый крио-ЭГД-насос для перекачки жидкого кислорода. Снятые на экспериментальном стенде основные характеристики многоступенчатого насоса показали принципиальную возможность создания эффективных крио-ЭГД-насосов.

Заключение

и выводы.

В диссертации решена одна из важнейших задач по созданию малорасходного крио-ЭГД-нагнетателя для перекачки жидкого кислорода.

Основные научные и практические результаты исследования состоят в следующем.

I. Доказана принципиальная возможность использования ЭГД-эффектов для перекачивания жидких криопродуктов, в том числе жидкого кислорода.

II. Построена математическая модель, описывающая процессы ЭГД-преобразования в ступени крио-ЭГД-насоса, позволяющая рассчитывать конкретные конструкции ступеней ЭГД-нагнетателя. На основе математической модели проведена оптимизация основных конструктивных размеров ступени по величине напора, развиваемого ступенью.

III. Найдены основные оптимальные размеры ступени: радиус проточной части ступени должен находиться в пределах 2-гЗ мм, а остриё эмиттирую-щей иглы находится на срезе коллекторного электрода, имеющего форму диффузора с углом раскрытия 90°. Математическая модель позволяет построить расходно-напорную и вольт-амперную характеристики, которые определяют оптимальные режимы работы ЭГД-нагнетателя.

IV. Разработан специальный экспериментальный стенд и методика экспериментального исследования.

V. Результаты экспериментального исследования подтвердили теоретические оптимальные размеры ступени и эффективность рабочего процесса в ЭГД-нагнетателе. Максимальный КПД ступени составлял 22% при напряжении 18 кВ и расходе около 1 г/с. Максимальный статический напор достигал 40 см вод.ст. при напряжении питания 30 кВ. и нулевом расходе.

1/1.

VI. На основе сравнения результатов теоретического и экспериментального исследований ступени был проведен анализ потерь мощности, который показал:

A. при относительно небольших величинах напряжения (до 15 кв.) основные потери мощности (до 40+70%) приходятся на гидравлические потери;

B. при значениях напряжения, больших 20 кв, основные (более 40%) обусловлены вредным влиянием объёмного заряда.

VII. На основе теоретического и экспериментального исследований ступени был разработан многоступенчатый крио-ЭГД-нагнетатель для перекачки жидкого переохлажденного кислорода. Насос, содержащий 10 последовательных ступеней в одном из 9 каналов, имел следующие параметры: развиваемый напор -2м вод.ст. при массовом расходе 10 г/с.