ЖРД на 100 кгс тяги собран и готов к испытаниям
Первый образец нашего жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), работающего на керосине и высококонцентрированной перекиси водорода, собран и готов к испытаниям на стенде в МАИ.
Все началось около года назад с создания 3D-моделей и выпуска конструкторской документации.
Готовые чертежи мы отправили нескольким подрядчикам, в том числе нашему основному партнеру по металлообработке «АртМеху». Все работы по камере дублировались, а изготовление форсунок вообще было поручено нескольким поставщикам. К сожалению, тут мы столкнулись со всей сложностью изготовления, казалось бы, простых металлических изделий.
Особенно много усилий пришлось потратить на центробежные форсунки для распыления горючего в камере. На 3D-модели в разрезе они видны как цилиндры синего цвета с гайками на конце. А вот так они выглядят в металле (одна из форсунок показана с открученной гайкой, карандаш дан для масштаба).
Об испытаниях форсунок мы уже писали. В результате, из многих десятков форсунок были выбраны семь. Через них в камеру будет поступать керосин. Сами керосиновые форсунки встроены в верхнюю часть камеры, которая является газификатором окислителя — областью, где пероксид водорода будет проходить через твердый катализатор и разлагаться на водяной пар и кислород. Затем получившаяся газовая смесь тоже поступит в камеру ЖРД.
Чтобы понять, почему изготовление форсунок вызвало такие сложности, надо заглянуть внутрь — внутри канала форсунки находится шнековый завихритель . То есть поступающий в форсунку керосин не просто ровно течет вниз, а закручивается. Шнековый завихритель имеет много мелких деталей, и от того, насколько точно удается выдержать их размеры, зависит ширина зазоров, через которые будет течь и распыляться в камеру керосин. Диапазон возможных исходов — от «через форсунку жидкость вообще не течет» до «распыляется равномерно во все стороны». Идеальный исход — керосин распыляется тонким конусом вниз. Примерно так, как на фото ниже.
Поэтому получение идеальной форсунки зависит не только от мастерства и добросовестности изготовителя, но и от используемого оборудования и, наконец, мелкой моторики специалиста. Несколько серий испытаний готовых форсунок под разным давлением позволили нам выбрать те, конус распыла которых близок к идеальному. На фото — завихритель, который не прошел отбор.
Посмотрим, как наш двигатель выглядит в металле. Вот крышка ЖРД с магистралями для поступления перекиси и керосина.
Если приподнять крышку, то можно увидеть, что через длинную трубку прокачивается перекись, а через короткую — керосин. Причем керосин распределяется по семи отверстиям.
Снизу к крышке присоединен газификатор. Посмотрим на него со стороны камеры.
То, что нам с этой точки представляется дном детали, на самом деле является ее верхней частью и будет присоединено к крышке ЖРД. Из семи отверстий керосин по форсункам польется в камеру, а из восьмого (слева, единственное несимметрично расположенное) на катализатор хлынет перекись. Точнее она хлынет не напрямую, а через специальную пластину с микроотверстиями, равномерно распределяющими поток.
На следующем фото эта пластина и форсунки для керосина уже вставлены в газификатор.
Почти весь свободный объем газификатора будет занят твердым катализатором, через который потечет пероксид водорода. Керосин будет идти по форсункам, не смешиваясь с перекисью.
На следующем фото мы видим, что газификатор уже закрыли крышкой со стороны камеры сгорания.
Через семь отверстий (специальные гайки на фото выше) потечет керосин, а через мелкие отверстия пойдет горячий парогаз, т.е. уже разложившаяся на кислород и водяной пар перекись.
Теперь давайте разберемся с тем, куда они потекут. А потекут они в камеру сгорания, которая представляет собой полый цилиндр, где керосин воспламеняется в кислороде, разогретом в катализаторе, и продолжает гореть.
Разогретые газы поступят в сопло, в котором разгонятся до высоких скоростей. Вот сопло с разных ракурсов. Большая (сужающаяся) часть сопла называется докритической, затем идет критическое сечение, а потом расширяющаяся часть — закритическая.
В итоге собранный двигатель выглядит так.
Красавец, правда?
Мы изготовим еще как минимум один экземпляр ЖРД из нержавеющей стали, а затем перейдем к изготовлению ЖРД из инконеля.
Внимательный читатель спросит, а для чего нужны штуцеры по бокам двигателя? У нашего ЖРД есть завеса — жидкость впрыскивается вдоль стенок камеры, чтобы камера не перегревалась. В полете в завесу будет течь перекись либо керосин (уточним по результатам испытаний) из баков ракеты. Во время огневых испытаний на стенде в завесу может впрыскиваться и керосин, и перекись, и вода, или вообще ничего не подаваться (для коротких тестов). Именно для завесы сделаны эти штуцера. Более того, завесы две: одна для охлаждения камеры, другая — докритической части сопла и критического сечения.
Если вы инженер или просто хотите узнать подробнее характеристики и устройство ЖРД, то далее специально для вас приведена инженерная записка.
ЖРД-100С
Двигатель предназначен для стендовой отработки основных конструктивных и технологических решений. Стендовые испытания двигателя запланированы на 2016 год.
Двигатель работает на стабильных высококипящих компонентах топлива. Расчетная тяга на уровне моря — 100 кгс, в вакууме — 120 кгс, расчетный удельный импульс тяги на уровне моря — 1840 м/с, в вакууме — 2200 м/с, расчетный удельный вес — 0,040 кг/кгс. Действительные характеристики двигателя будут уточняться в ходе испытаний.
Двигатель однокамерный, состоит из камеры, комплекта агрегатов системы автоматики, узлов и деталей общей сборки.
Двигатель крепится непосредственно к несущим элементам стенда через фланец в верхней части камеры.
Основные параметры камеры
топливо:
– окислитель — ПВ-85
– горючее — ТС-1
тяга, кгс:
– на уровне моря — 100,0
– в пустоте — 120,0
удельный импульс тяги, м/с:
– на уровне моря — 1840
– в пустоте — 2200
секундный расход, кг/с:
– окислителя — 0,476
– горючего — 0,057
весовое соотношение компонентов топлива (О:Г) — 8,43:1
коэффициент избытка окислителя — 1,00
давление газов, бар:
– в камере сгорания — 16
– в выходном сечении сопла — 0,7
масса камеры, кг — 4,0
внутренний диаметр двигателя, мм:
– цилиндрической части — 80,0
– в районе среза сопла — 44,3
Камера представляет собой сборную конструкцию и состоит из форсуночной головки с интегрированным в нее газификатором окислителя, цилиндрической камеры сгорания и профилированного сопла. Элементы камеры имеют фланцы и соединяются между собой болтами.
На головке размещены 88 однокомпонентных струйных форсунок окислителя и 7 однокомпонентных центробежных форсунок горючего. Форсунки расположены по концентрическим окружностям. Каждая форсунка горючего окружена десятью форсунками окислителя, оставшиеся форсунки окислителя размещены на свободном пространстве головки.
Охлаждение камеры внутреннее, двухступенчатое, осуществляется жидкостью (горючим или окислителем, выбор будет произведен по результатам стендовых испытаний), поступающей в полость камеры через два пояса завесы — верхний и нижний. Верхний пояс завесы выполнен в начале цилиндрической части камеры и обеспечивает охлаждение цилиндрической части камеры, нижний — выполнен в начале докритической части сопла и обеспечивает охлаждение докритической части сопла и области критического сечения.
В двигателе применяется самовоспламенение компонентов топлива. В процессе запуска двигателя обеспечивается опережение поступления окислителя в камеру сгорания. При разложении окислителя в газификаторе его температура поднимается до 900 K, что существенно выше температуры самовоспламенения горючего ТС-1 в атмосфере воздуха (500 К). Горючее, подаваемое в камеру в атмосферу горячего окислителя, самовоспламеняется, в дальнейшем процесс горения переходит в самоподдерживающийся.
Газификатор окислителя работает по принципу каталитического разложения высококонцентрированного пероксида водорода в присутствии твердого катализатора. Образующийся в результате разложения пероксида водорода парогаз (смесь водяного пара и газообразного кислорода) является окислителем и поступает в камеру сгорания.
Основные параметры газогенератора
компоненты:
– стабилизированный пероксид водорода (концентрация по весу), % — 85±0,5
расход пероксида водорода, кг/с — 0,476
удельная нагрузка, (кг/с пероксида водорода)/(кг катализатора) — 3,0
время непрерывной работы, не менее, с — 150
параметры парогаза на выходе из газификатора:
– давление, бар — 16
– температура, К — 900
Газификатор интегрирован в конструкцию форсуночной головки. Ее стакан, внутреннее и среднее днища образуют полость газификатора. Днища связаны между собой форсунками горючего. Расстояние между днищами регулируется высотой стакана. Объем между форсунками горючего заполнен твердым катализатором.