Кислородно-водородный ЖРД НМ60

 

Источник: МГТУ им. Баумана.

Автор: студ. Мельников Сергей.

Год написания: 1999.

 

Исследования, проводимые в Европе в области ракет-носителей, показывают необходимость  разработки кислородно-водородного двигателя большой тяги для эксплуатации в 90-годы.

Для выявления потенциальных технических проблем, начиная с 1978 года проводились предварительные исследования кислородно-водородного ЖРД  с тягой 500 кН. В 1980 году было принято решение о разработке семейства РН Ариан-5 (рис.1), на которой  предполагается использование разгонных блоков первой ступени РН  Ариан-4 и нового кислородно-водородного блока Н60 (рис.2) на второй ступени. На рис.1 под каждой модификацией РН указана ее грузоподъемность (кг) и соответствующая орбита: LEO – низкая околоземная; GTO – переходная к стационарной.

Предварительные исследования по двигателю блока были начаты в  1981 году. Разработку планировалось начать в 1984 году, а закончить в 1991 году с тем, чтобы первый пуск Ариан-5 осуществить в 1993-1994 году.

Ниже рассматриваются  основные результаты предварительных исследований по созданию ЖРД НМ60.

ЖРД должен удовлетворять следующим основным требованиям:

а) удельный импульс в вакууме  - 4346 Нсек/кг;

б) номинальная тяга в вакууме – 800 кН; с возможностью дросселирования в полете до 600 кН;

в) перспективный уровень  тяги в вакууме – 1300 кН. Данная тяга необходима для использования ЖРД на первой ступени перспективных РН и достигается увеличением давления в камере сгорания. Таким образом, первоначальная конфигурация с тягой 800 кН разрабатывается в условиях минимального технического риска;

г) длина и максимальный диаметр не  более 4,0 и 2,4 м, соответственно, что  обеспечивает безопасное разделение ступеней в полете. В перспективе предполагается использовать выдвигаемый насадок сопла;

д)  критическим на входе в насос окислителя принято  избыточное давление 1,5 х  10⁵  Па и в насос горючего 0,5 х 10⁵  Па, что позволяет обойтись  без преднасосов;

е) ЖРД должен допускать многократное использование.

 

В процессе предварительных исследований рассматривались три схемы двигателя:

ЖРД с использованием на  турбине пара водорода, полученного в тракте охлаждения, принципиальная схема которого представлена на рис.3,а; 2) ЖРД с дожиганием генераторного газа  (рис.3в); 3) ЖРД без дожигания генераторного газа (рис.3б), где 1 – насос горючего; 2 – насос окислителя;  3 – турбина горючего; 4 – парообразный водород; 5 – турбина насоса окислителя; 6 – газогенератор.

Принципиальными преимуществами ЖРД первой из рассмотренных схем (рис.3,а) являются: простота, предельно низкая стоимость производства и относительной низкий уровень давления в насосах, необходимый для заданного давления в камере сгорания. Тем не менее, предварительные исследования показывают, что тепловой энергии, снятой со всей поверхности камеры сгорания, включая сопло, не достаточно для подачи топлива в камеру сгорания с давлением 100 х 10⁵ Па.

На рис.3,в представлена схема ЖРД с дожиганием генераторного газа. Камера  сгорания в этом случае питается двумя отдельными турбонасосами, работающими  на газе, полученном в предкамере, объединенной с турбонасосом жидкого водорода. Для данной схемы ЖРД рассматривались конфигурации турбонасосов, подобные ЖРД ТКА Space Shuttle, но без преднасосов, что объясняется требованиями к двигателю. Камера сгорая имеет регенеративное охлаждение, для чего используется 20% топлива, а 6% его идет на охлаждение сопла с последующим сбросом горячего  пара.

На рис.4 приведен общий в ид ЖРД НМ60 с дожиганием генераторного газа (А) и без дожигания (В).

На рис.5 представлена принципиальная схема ЖРД без дожигания  генераторного газа, где 1 – наддув окислителя; 2 – жидкий кислород; 3 – турбонасос окислителя; 4 – магистраль гелия; 5 – система продувки магистрали жидкого кислорода; 6 – система продувки магистрали жидкого водорода; 7 – жидкий  водород; 8 – турбонасос горючего; 9 – наддув бака горючего; 10 – клапан регулирования соотношения компонентов; 11 – пиротехническая система запуска и раскручивания турбины; 12 – газогенератор; 13 – клапан продувки магистрали жидкого кислорода; 14 – клапан продувки магистрали жидкого водорода; 15 – система запуска; 16 – клапаны управления впрыском компонентов в газогенератор; 17 – главный клапан окислителя;  18 – главный клапан горючего; 19 – сопло, охлаждаемое жидким водородом с последующим его сбросом. Конструкция и технология изготовления  камеры сгорания данной схемы, как и  схемы с дожиганием генераторного газа, аналогичны  маршевому двигателю ТКА Space Shuttle (SSME). Основные характеристики двух анализируемых схем ЖРД приведены в табл.1, где также для сравнения даны характеристики маршевого ЖРД ТКА Space Shuttle (SSME). Можно видеть, что для обеих схем уровни давления ниже, чем у SSME.

 

Таблица 1. Сравнение вариантов ЖРД НМ60 и ЖРД SSME

 

	НМ 60 без дожигания		НМ 60 с дожиганием		SSME
Тяга в вакууме, кН	800	1300	800	1300	2092(100%)
Тяга на уровне моря, кН	624	1054	654	1104	1669
Соотношение компонентов	5,12	5,12	5,58	5,58	6.0
Камера сгорания:   Давление в камере сгорания х 105 Па   Отношение площадей	100     103,7	160     103,7	125     124,4	203     124,4	205     77.5
Газогенератор:   Давление х 105 Па   Соотношение компонентов	50,6     0,9	115,6     0,9	194     0,68	355     0,9	356     0,81
Турбонасосы (Н2ж/О2ж):   Давление на выходе х 105 Па   Скорость вращения, об/мин	143/122     30000/ 11700	243/218     40500/ 16140	225/153 (257)     25000/ 21900	415/248 (486)     35000/ 31100	413/296 (480)*     34700/ 27500
Мощность турбины, мВт	7,6/2,0	21,2/5,6	10,8/2,8	32,4/8,6	45,5/18,6

 

 

 

^* - Давление на выходе второй ступени насоса окислителя.

 

На рис.6 приводятся характеристики двух схем ЖРД в диапазоне от 900 кН (6) до 1300 кН, где по оси ординат отложен удельный импульс [х 9.81 Нсек/кг], по оси абсцисс – давление в камере сгорания [x 10⁵ Па], 1 – теоретический удельный импульс; 2 – двигатель с оптимальной степенью расширения (отношение площадей среза и критической части) с дожиганием генераторного газа; 3 – двигатель с дожиганием и с фиксированной степенью расширения; 4 – двигатель с оптимальной степенью расширения без дожигания; 5 – двигатель без дожигания с фиксированной степенью расширения; 6 – номинальная тяга; 7 – максимальная тяга.

 

Уменьшение удельного импульса для двигателя без дожигания генераторного база объясняется увеличением необходимого количества основных компонентов топлива для газогенератора. Обе схемы двигателя оптимизированы при тяге равной 800 кН.

Для двигателя без дожигания разработка, включая создание стендов, потребует 7,5 лет и 8,75 лет для   двигателя   с   дожиганием. Кроме того, ЖРД с дожиганием для уровня тяги 800 кН имеет на 25% большую стоимость разработки и на 20) большую стоимость изготовления. Имея ввиду степень  технического риска и стоимостные характеристики, для ЖРД НМ60 была выбрана схема без дожигания генераторного газа. В результате предварительных исследований были сформулированы новые требования:

номинальная тяга в вакууме – 900 кН;

ЖРД должен дополнительно обеспечивать следующие функции:

а) управление по каналам тангажа и рысканья, используя карданов                     подвес;

          б) наддув топливных баков основными компонентами;

          в) обеспечение расхода 1 50кг/сек для управления по крену;

тяга и соотношение компонентов должны удовлетворять проектным и эксплуатационным ограничениям, представленным на рис.7, где по оси ординат отложена тяга (кН), по оси абсцисс – соотношение компонентов; 1 – проектные ограничения; 2 – ограничения квалификационных испытаний; 3 – эксплуатационные ограничения; 4 – номинальные условия;

при выборе проектные решений предпочтение должно отдаваться вариантам с минимальной стоимостью производства;

 обслуживание ЖРД должно предполагать использование его на многоразовых РН;

 двигатель должен использоваться для пилотируемых полетов с минимальной модификацией.

                                                                            

Старт турбин и воспламенение в газогенераторе и камере  сгорания осуществляется пиротехнической системой, аналогичной ЖРД НМ7

Ариан-I. Соотношение компонентов регулируется клапаном, управляющим подачей газа на турбину окислителя. Тяга ЖРД и соотношение компонентов в газогенераторе регулируется клапаном, управляющим подачей компонентов в газогенератор. Проверки и контроль работы осуществляется ЭВМ двигателя и топливных баков. Основные характеристики двигателя даны в табл.2.

 

Турбонасос окислителя (рис.8) состоит    из осевого преднасоса, одноступенчатого центробежного насоса и реактивной турбины. Преднасос и крыльчатка центробежного насоса и реактивной турбины. Преднасос и крыльчатка центробежного насоса выполнены из  алюминиевого сплава, турбина из сплава INCO 718.

 

 

Таблица 2. Характеристики ЖРД НМ60

 

	НМ 60	SSME
Тяга в вакууме, кН	900	2090
Тяга на уровне моря, кН	715	1700
Удельный импульс в вакууме, Нс/кг	4364	4462
Удельный импульс на уровне моря, Нс/кг	3423	3559
Соотношение компонентов	5,1	6,0
Давление в камере сгорания, х 105 Па	100	207
Отношение площадей	110,5	77,5
Суммарный массовый расход, кг/с	206	468
Массовый расход газогенератора, кг/с	7,06	248
Расход сбрасываемого охладителя (Н2), кг/с	1,93	-
Давление на выходе из насоса окислителя, х 105 Па	125,7	319(528)
Длина, м	4,0	4,24
Диаметр среза сопла, м	2,52	2,39
Время работы двигателя, с	291	480
Масса, кг	1300	3002

 

 

 

Подшипники насоса смазываются жидким кислородом, а подшипники турбины – жидким водородом. Герметизация достигается динамическими уплотнителями типа плавающих колец и наддувом гелием. Дистанционно управляемый уплотнитель  служит для предупреждения просачивания жидкого  водорода в процессе захолаживания перед стартом. Осевые нагрузки компенсируются регулированием  потока жидкого  кислорода к задней части крыльчатки. Основные характеристики турбонасоса кислорода даны в таблице 3.

Турбонасос водорода (рис.9)  состоит из осевого преднасоса, двухступенчатого центробежного насоса и  двухступенчатой турбины. Подшипники вала расположены вне секций насоса и турбины,  для  обеспечения приемлемой величины  DN (диаметр  х скорость вращения). Все  подшипники смазываются жидким водородом. Система компенсации осевых нагрузок объединена со второй крыльчаткой центробежного насоса. Преднасос выполнен  из алюминиевого сплава, крыльчатки из титанового сплава ТА5Е-ЕLI, турбина и вал из INCO 718. Характеристики насоса жидкого водорода приведены в табл.3.

 

Таблица 3. Характеристики турбонасосов

 

		Окислителя (02ж)		Горючего (Н2ж)
Частота вращения, мин-1		14500		37900
Массовый расход, кг/с		173,4		34,07
Давление на выходе, х 105 Па		125,7		150,5
Мощность на валу, кВт		2331		8680
Критическое значение избыточного давления, х 105 Па		1,5		0,42
Насос:   диаметр, мм удельная скорость КПД	205 0,545 (1490) 0,79		205 0,534 (1460) 0,77
Турбина:   диаметр, мм отношение давлений КПД		230 17 0,29		201 20,5 0,50

 

 

 

 

На рис.10 дан общий вид камеры сгорания (КС) ЖРД НМ60, где 1 – карданов подвес; 2 – воспламенитель; 3 – форсуночная головка; 4 – камера сгорания; 5 – основной сопловой блок; 6 – сопло большой степени расширения; 7 – каналы сброса охладителя сопла расширения.

На рис.11 приводится удельный импульс КС (ось ординат) (х 9,81 нсек/кг), по оси абсцисс отложена степень расширения сопла. Точки на графике соответствуют характеристикам кислородно-водородных ЖРД , где 1 – ЖРД J2S; 2 – ЖРД RL 10; 3 – ЖРД SSME; 4 – ЖРД НМ7А; 5 – ЖРД НМ7В; 6 – ЖРД НМ60. Характеристики КС  данных ЖРД приведены также в табл.4.

На рис.12 представлена конструкция форсуночной головки, где 1 – подача жидкого кислорода; 2 – канал подачи жидкого кислорода; 3 – подача газообразного водорода; 4 – пористая пластина; 5 – форсунки;

 

 

Таблица 4.

 

	J2S	RL10	SSME	HM7A	HM7B	HM60
Тяга, кН	1060	69	2090	60	60	860
Давление в камере сгорания, х 105 Па	54	27	205	30	35	100
Соотношение компонентов	5,5	5,0	6	5	5,3	5,1
Степень расширения сопла	27,5	57	77,5	62	82	110,5
Теоретический удельный импульс, Нсек/кг	4395	4529	4571	4542	4578	4501
Удельный импульс камеры сгорания, Нсек/кг	4209	4364	4464	4363	4398	4439

 

 

 

 

6 – перегородки гашения высокочастотных колебаний. Форсуночная головка содержит 516 форсунок, собранных на пористой плате, которая охлаждается выпотеванием водорода. Сравнение с другими криогенными форсуночными головками КС дано в табл.5. Перегородки гашения высокочастотных колебаний  в КС  образованы удлиненными форсунками. Конструкция камеры сгорания ЖРД НМ:) представлена на рис.13, где 1 -  полости, предназначенные для повышения устойчивости горения; 2 – выходной трубопровод водорода; 3 – внутренняя стенка КС; 4 – никелевая оболочка КС; 5 – выходной трубопровод водорода; 6 – подача жидкого водорода. КС содержит  сужающуюся часть (отношение площадей равно 5,8) регенеративно охлаждаемую водородом. Внутренняя  часть КС, выполненная из медного сплава, имеет каналы охлаждения, которые закрыты никелевой оболочной. Трубопроводы выполнены из сплава INCONEL и сварены с никелевым корпусом. Основные характеристики КС даны в табл.6 в сравнении с другими криогенными КС.

 

Таблица 5. Характеристики форсуночной головки и камеры сгорания

 

	J2S	RL10	SSME	HM7	MBB	HM60
Форсуночная головка:   Полный массовый расход, кг/с   Диаметр камеры, мм   Число форсунок   Расход через форсунку, г/с   Температура водорода, К   КПД	242     470   614     375     105   0,98	18,5     262   216     85,6     180   0,985	469     450   600     782     850   0,99	13,9     180   90     70,7     136   0,986	45     182   90     470     190   0,98	195,8     415   516     380     95   0,989
Камера сгорания:   Внутренний диаметр, мм   Характерная длина, м   Отношение сжатия   Максимальная температура охладителя, К   Минимальное давление охладителя, х 105 Па   Максимальная Температура стенки, К   Максимальный удельный теплопоток, Вт/см2   Давление, х 105 Па	470   0,62   1,58       60                     54	262   0,98   2,95       150                     27	450   0,8   2,96       254     98     740     12800   205	180   0,7   2,78       100     5,7     625     2900   35	182   2,3   6,95       140     100     690     16800   280	415   0,85   2,99       61     23,3     600     6400   100