А съперничеството между СССР и САЩ за лидерство в изследването на космоса беше мощен стимул за развитието на ракетни двигатели с течно гориво.
През 1957 г. в СССР под ръководството на С. П. Корольов е създадена междуконтиненталната балистична ракета R-7, оборудвана с двигатели с течно гориво РД-107 и РД-108, по това време най-мощните и модерни в света, разработени под ръководството на ръководството на V.P.Glushko. Тази ракета е използвана като носител на първите в света изкуствени спътници на Земята, първите пилотирани космически кораби и междупланетни сонди.
През 1969 г. в Съединените щати е изстрелян първият космически кораб от серията Аполо, изстрелян по траектория на полета към Луната от ракетата носител Сатурн 5, чиято първа степен е оборудвана с 5 двигателя F-1. В момента F-1 е най-мощният сред еднокамерните двигатели с течно гориво, по-нисък по тяга от четирикамерния двигател RD-170, разработен от конструкторското бюро Energomash в Съветския съюз през 1976 г.
В момента космическите програми на всички страни се основават на използването на течни ракетни двигатели.
Обхват на употреба, предимства и недостатъци
Каторгин, Борис Иванович, академик на Руската академия на науките, бивш ръководител на НПО Енергомаш
Устройство и принцип на работа на двукомпонентен ракетен двигател с течно гориво
ориз. 1 Схема на двукомпонентен ракетен двигател
1 - линия на окислител
2 - горивопровод
3 - помпа на окислителя
4 - горивна помпа
5 - турбина
6 - газов генератор
7 - вентил на газов генератор (окислител)
8 - вентил на газов генератор (гориво)
9 - главен окислителен клапан
10 - главен горивен клапан
11 - изпускателна тръба на турбината
12 - смесителна глава
13 - горивна камера
14 - дюза
Има доста голямо разнообразие от схеми за проектиране на течни ракетни двигатели с един и същ основен принцип на тяхната работа. Нека разгледаме дизайна и принципа на работа на ракетен двигател с течно гориво, като използваме примера на двукомпонентен двигател с помпено гориво, като най-често срещаният, чийто дизайн е станал класически. Други видове ракетни двигатели с течно гориво (с изключение на трикомпонентния) са опростени версии на разглеждания и при описанието им ще бъде достатъчно да се посочат опростяванията.
На фиг. 1 схематично показва устройството за ракетен двигател с течно гориво.
Горивна система
Горивната система на ракетен двигател с течно гориво включва всички елементи, използвани за подаване на гориво към горивната камера - горивни резервоари, тръбопроводи, турбопомпено устройство(TNA) - агрегат, състоящ се от помпи и турбина, монтирани на един вал, инжекторна глава и клапани, които регулират подаването на гориво.
Помпа захранванегоривото ви позволява да създадете високо налягане в камерата на двигателя, от десетки атмосфери до 250 atm (LPRE 11D520 RN "Zenit"). Високото налягане осигурява по-голяма степен на разширение на работния флуид, което е предпоставка за постигане на висок специфичен импулс. Освен това при високо налягане в горивната камера се постига по-добра стойност съотношение на тяга към теглодвигател - съотношението на количеството на тягата към теглото на двигателя. как повече стойносттози показател, толкова по-малък е размерът и теглото на двигателя (със същото количество тяга) и толкова по-висока е степента на неговото съвършенство. Предимствата на помпената система са особено забележими при двигатели с течно гориво с висока тяга - например в задвижващите системи на ракети-носители.
На фиг. 1 изгорелите газове от TNA турбината навлизат през главата на дюзата в горивната камера заедно с горивните компоненти (11). Такъв двигател се нарича двигател с затворен контур(в противен случай - със затворен цикъл), при който целият горивен поток, включително използваното в задвижването на TPU, преминава през горивната камера на ракетния двигател с течно гориво. Очевидно налягането на изхода на турбината в такъв двигател трябва да бъде по-високо, отколкото в горивната камера на ракетния двигател с течно гориво, а на входа на газогенератора (6), захранващ турбината, трябва да бъде още по-високо. За да се изпълнят тези изисквания, същите горивни компоненти (под високо налягане), с които работи самият двигател с течно гориво, се използват за задвижване на турбината (с различно съотношение на компонентите, обикновено с излишно гориво за намаляване на топлинното натоварване на турбината).
Алтернатива на затворения цикъл е отворена верига, при който отработените газове от турбината се произвеждат директно в средапрез изходящата тръба. Изпълнението на отворен цикъл е технически по-просто, тъй като работата на турбината не е свързана с работата на камерата на двигателя с течно гориво и в този случай TPU може като цяло да има собствена независима горивна система, което опростява процедурата за стартиране на цялата задвижваща система. Но системите със затворен цикъл имат малко по-добри специфични импулсни стойности и това принуждава дизайнерите да преодолеят техническите трудности при тяхното внедряване, особено за двигатели с големи ракети-носители, които имат особено високи изисквания към този показател.
В диаграмата на фиг. 1 една помпа помпа изпомпва и двата компонента, което е приемливо в случаите, когато компонентите имат сравнима плътност. За повечето течности, използвани като пропелантни компоненти, плътността варира в диапазона от 1 ± 0,5 g/cm³, което позволява използването на едно турбо задвижване и за двете помпи. Изключение прави течният водород, който при температура 20°K има плътност 0,071 g/cm³. Такава лека течност изисква помпа с напълно различни характеристики, включително много по-висока скороствъртене. Следователно, в случай на използване на водород като гориво, за всеки компонент е предвидена независима горивна помпа.
При ниска тяга на двигателя (и следователно нисък разход на гориво), турбопомпеният агрегат става твърде „тежък“ елемент, влошавайки тегловните характеристики на задвижващата система. Алтернатива на горивната система с помпа е репресивен, при които подаването на гориво към горивната камера се осигурява от форсираното налягане в горивните резервоари, създавано от сгъстен газ, най-често азот, който е незапалим, нетоксичен, неокисляващ и сравнително евтин за производство. Хелият се използва за херметизиране на резервоари с течен водород, тъй като други газове кондензират при температурата на течния водород и се превръщат в течности.
При разглеждане на работата на двигател с обемна система за подаване на гориво от диаграмата на фиг. 1, TNA е изключен, а горивните компоненти се подават от резервоарите директно към главните клапани на двигателя с течно гориво (9) и (10). Налягането в резервоарите за гориво по време на положително изместване трябва да е по-високо, отколкото в горивната камера, а резервоарите трябва да са по-здрави (и по-тежки), отколкото в случай на горивна система с помпа. На практика налягането в горивната камера на двигател с обемно захранване с гориво е ограничено до 10 - 15 at. Обикновено такива двигатели имат сравнително ниска тяга (в рамките на 10 тона). Предимствата на системата за изместване са простотата на дизайна и скоростта на реакция на двигателя към командата за стартиране, особено в случай на използване на самозапалващи се горивни компоненти. Такива двигатели се използват за извършване на маневри космически кораб V космическото пространство. Системата за изместване е използвана и в трите системи за задвижване на лунния космически кораб Аполо - обслужване (тяга 9760 kG), кацане (тяга 4760 kG) и излитане (тяга 1950 kG).
Глава на дюзата- устройството, в което са монтирани инжектори, предназначен за впръскване на горивни компоненти в горивната камера. Основното изискване за инжекторите е най-бързото и пълно смесване на компонентите при влизане в камерата, тъй като от това зависи скоростта на тяхното запалване и изгаряне.
През дюзната глава на двигателя F-1 например всяка секунда в горивната камера влизат 1,8 тона течен кислород и 0,9 тона керосин. И времето за престой на всяка порция от това гориво и продуктите от изгарянето му в камерата се изчислява в милисекунди. През това време горивото трябва да изгори възможно най-пълно, тъй като неизгорялото гориво означава загуба на тяга и специфичен импулс. Решението на този проблем се постига чрез редица мерки:
- Максимално увеличаване на броя на дюзите в главата, с пропорционално минимизиране на дебита през една дюза. (Инжекторната глава на двигателя съдържа 2600 кислородни инжектора и 3700 керосинови инжектора).
- Специална геометрия на дюзите в главата и реда на редуване на дюзите за гориво и окислител.
- Специалната форма на канала на дюзата, поради която се придава въртене, когато течността се движи през канала, а когато влезе в камерата, се разпръсква настрани чрез центробежна сила.
Охладителна система
Поради бързината на процесите, протичащи в горивната камера на ракетен двигател с течно гориво, само незначителна част (фракции от процента) от общата топлина, генерирана в камерата, се прехвърля към конструкцията на двигателя, но поради висока температура на горене (понякога над 3000 ° K) и значително количество генерирана топлина, дори малка част от нея е достатъчна за термично разрушаване на двигателя, така че проблемът с охлаждането на двигателя с течно гориво е много актуален.
За ракетни двигатели с течно гориво с помпено гориво се използват главно два метода за охлаждане на стените на камерата на ракетния двигател с течно гориво: регенеративно охлажданеи стенен слой, които често се използват заедно. Често се използва за малки двигатели с обемни горивни системи. аблативенметод на охлаждане.
Регенеративно охлажданесе състои в това, че в стената на горивната камера и горната, най-нагрята част на дюзата, по един или друг начин се създава кухина (понякога наричана "охладителна риза"), през която един от компонентите на горивото ( обикновено гориво) преминава преди да влезе в смесителната глава, като по този начин охлажда стената на камерата. Топлината, погълната от охлаждащия компонент, се връща в камерата заедно със самата охлаждаща течност, което оправдава името на системата - "регенеративна".
Разработени са различни технологични методи за създаване на охлаждаща риза. Камерата на ракетния двигател с течно гориво на ракетата V-2, например, се състоеше от две стоманени обвивки, вътрешна и външна, повтарящи формата една на друга. Охлаждащият компонент (етанол) преминава през пролуката между тези черупки. Поради технологични отклонения в дебелината на междината възникна неравномерен поток на флуида, което доведе до създаването на локални зони на прегряване на вътрешната обвивка, които често „изгаряха“ в тези зони с катастрофални последици.
В съвременните двигатели вътрешната част на стената на камерата е изработена от бронзови сплави с висока топлопроводимост. В него се създават тесни тънкостенни канали чрез фрезоване (15D520 RN 11K77 Zenit, RN 11K25 Energia) или киселинно ецване (SSME Space Shuttle). Отвън тази конструкция е плътно обвита около носеща листова обвивка, изработена от стомана или титан, която поема силовото натоварване от вътрешното налягане на камерата. Охлаждащият компонент циркулира през каналите. Понякога охлаждащата риза се сглобява от тънки топлопроводими тръби, запечатани с бронзова сплав за плътност, но такива камери са проектирани за по-ниско налягане.
Стенен слой(граничен слой, американците също използват термина „завеса“) е газов слой в горивната камера, разположен в непосредствена близост до стената на камерата и състоящ се главно от горивни пари. За да се организира такъв слой, по периферията на смесителната глава се монтират само горивни дюзи. Поради излишък на гориво и липса на окислител, химическата реакция на горене в пристенния слой протича много по-малко интензивно, отколкото в централната зона на камерата. В резултат на това температурата на стенния слой е значително по-ниска от температурата в централната зона на камерата и изолира стената на камерата от директен контакт с най-горещите продукти на горенето. Понякога в допълнение към това на страничните стени на камерата се монтират дюзи, които извеждат част от горивото в камерата директно от охлаждащата риза, също с цел създаване на стенен слой.
Пускане на ракетен двигател
Пускането на ракетен двигател с течно гориво е отговорна операция, изпълнена със сериозни последствия в случай на аварийни ситуации по време на нейното изпълнение.
Ако горивните компоненти са самозапалващ се, тоест влизане в химическа реакцияизгаряне при физически контакт един с друг (напр. хептил/азотна киселина), започването на процеса на горене не създава проблеми. Но в случай, че компонентите не са такива, е необходим външен инициатор на запалване, чието действие трябва да бъде точно съгласувано с подаването на горивни компоненти към горивната камера. Неизгорялата горивна смес е експлозив с голяма разрушителна сила и натрупването й в камерата заплашва сериозна авария.
След запалване на горивото, поддържането на непрекъснат процес на неговото изгаряне се случва от само себе си: горивото, което ново влиза в горивната камера, се запалва поради високата температура, създадена по време на изгарянето на предварително въведени порции.
За първоначално запалване на гориво в горивната камера при стартиране на ракетен двигател с течно гориво се използват различни методи:
- Използването на самозапалващи се компоненти (обикновено на базата на фосфорсъдържащи стартови горива, самозапалващи се при взаимодействие с кислород), които в самото начало на процеса на стартиране на двигателя се въвеждат в камерата чрез специални допълнителни дюзи от спомагателното гориво система, а след започване на горенето се подават основните компоненти. Наличието на допълнителна горивна система усложнява конструкцията на двигателя, но позволява да се рестартира няколко пъти.
- Електрически възпламенител, разположен в горивната камера близо до смесителната глава, който, когато се задейства, създава електрическа дъга или серия от искрови разряди високо напрежение. Този запалител е за еднократна употреба. След като горивото се запали, то гори.
- Пиротехнически възпламенител. В близост до смесителната глава в камерата се поставя малка пиротехническа запалителна бомба, която се запалва от електрически фитил.
Автоматичното стартиране на двигателя координира действието на възпламенителя и подаването на гориво във времето.
Пускането на големи ракетни двигатели с течно гориво с горивна система с помпа се състои от няколко етапа: първо, помпата се стартира и ускорява (този процес може да се състои и от няколко фази), след това се завъртат главните клапани на ракетния двигател с течно гориво на, обикновено на два или повече етапа с постепенно увеличаване на тягата от етап на етап до нормалното.
За сравнително малки двигатели се практикува незабавно стартиране на ракетния двигател при 100% тяга, наречена "оръдие".
LRE система за автоматично управление
Модерният ракетен двигател с течно гориво е оборудван с доста сложна автоматизация, която трябва да изпълнява следните задачи:
- Безопасно стартиране на двигателя и привеждането му в основен режим.
- Поддържане на стабилни работни условия.
- Промяна на тягата в съответствие с програмата на полета или по команда външни системиуправление.
- Изключване на двигателя, когато ракетата достигне зададена орбита (траектория).
- Регулиране на съотношението на потреблението на компоненти.
система автоматично управлениеСистемата за задвижване включва сензори за налягане и поток в различни точки на горивната система и изпълнителни органитова са главните клапани на двигателя с течно гориво и клапаните за управление на турбината (на фиг. 1 - позиции 7, 8, 9 и 10).
Горивни компоненти
Изборът на горивни компоненти е едно от най-важните решения при проектирането на двигател с течно гориво, което предопределя много детайли от конструкцията на двигателя и последващите технически решения. Следователно изборът на гориво за ракетен двигател с течно гориво се извършва с цялостно отчитане на предназначението на двигателя и ракетата, на която е инсталиран, условията на тяхната работа, технологията на производство, съхранение, транспортиране до мястото на изстрелване и т.н.
Един от най-важните показатели, характеризиращи комбинацията от компоненти, е специфичен импулс, която има особено важнопри проектирането на ракети-носители за космически кораби, тъй като съотношението на масата на горивото и полезния товар и следователно размера и масата на цялата ракета (виж Формулата на Циолковски), което, ако специфичният импулс не е достатъчно висок, може да се окаже нереалистично, до голяма степен зависи от това. Таблица 1 показва основните характеристики на някои комбинации от компоненти на течно гориво.
Таблица 1.| Окислител | гориво | Средна плътност гориво, g/cm³ |
Температура на камерата изгаряне, °K |
Специфична празнота импулс, s |
|---|---|---|---|---|
| Кислород | Водород | 0,3155 | 3250 | 428 |
| Керосин | 1,036 | 3755 | 335 | |
| 0,9915 | 3670 | 344 | ||
| Хидразин | 1,0715 | 3446 | 346 | |
| Амоняк | 0,8393 | 3070 | 323 | |
| Диаазот тетроксид | Керосин | 1,269 | 3516 | 309 |
| Несиметричен диметилхидразин | 1,185 | 3469 | 318 | |
| Хидразин | 1,228 | 3287 | 322 | |
| Флуор | Водород | 0,621 | 4707 | 449 |
| Хидразин | 1,314 | 4775 | 402 | |
| Пентаборан | 1,199 | 4807 | 361 |
Еднокомпонентните също са реактивни двигатели, работещи със сгъстен студен газ (например въздух или азот). Такива двигатели се наричат газореактивни и се състоят от клапан и дюза. Газовите реактивни двигатели се използват там, където термичните и химичните ефекти на изпускателната струя са неприемливи и където основното изискване е простотата на конструкцията. На тези изисквания трябва да отговарят например индивидуалните устройства за придвижване и маневриране на космонавтите (УПМК), разположени в раницата зад гърба и предназначени за движение при работа навън космически кораб. UPMK работят от два цилиндъра със сгъстен азот, който се подава през соленоидни клапани към задвижваща система, състояща се от 16 двигателя.
Трикомпонентни ракетни двигатели
От началото на 70-те години СССР и САЩ изучават концепцията за двигатели с три горива, които биха комбинирали висок специфичен импулс при използване на водород като гориво и по-висока средна плътност на горивото (и следователно по-малък обем и тегло на горивото резервоари), характерни за въглеводородното гориво. При стартиране такъв двигател ще работи с кислород и керосин, а на голяма надморска височина ще премине към използване на течен кислород и водород. Този подход може да направи възможно създаването на едностепенна космическа ракета-носител. Руски пример за трикомпонентен двигател е ракетният двигател с течно гориво РД-701, който е разработен за транспортно-космическата система за многократно използване МАКС.
Също така е възможно да се използват две горива едновременно - например водород-берилий-кислород и водород-литий-флуор (берилият и литият горят, а водородът се използва предимно като работен флуид), което позволява да се постигнат специфични импулсни стойности в района на 550-560 секунди, но технически много трудно и никога не е използвано на практика.
Управление на ракета
При ракетите с течно гориво двигателите често, в допълнение към основната си функция за генериране на тяга, служат и за управление на полета. Още първата управляема балистична ракета V-2 беше управлявана с помощта на 4 графитни газодинамични кормила, поставени в струйния поток на двигателя по периферията на дюзата. Отклонявайки се, тези кормила отклоняваха част от реактивната струя, което променяше посоката на вектора на тягата на двигателя и създаваше момент на сила спрямо центъра на масата на ракетата, което беше управляващото действие. Този метод значително намалява тягата на двигателя; освен това графитните кормила в струя са подложени на силна ерозия и имат много кратък експлоатационен живот.
IN модерни системиизползват се средства за управление на ракетите PTZ камериТечни ракетни двигатели, които са прикрепени към носещи елементитялото на ракетата с помощта на панти, които позволяват камерата да се върти в една или две равнини. Компонентите на горивото се подават в камерата с помощта на гъвкави тръбопроводи - силфони. Когато камерата се отклони от ос, успоредна на оста на ракетата, тягата на камерата създава необходимия управляващ въртящ момент. Камерите се въртят от хидравлични или пневматични машини за управление, които изпълняват команди, генерирани от системата за управление на ракетата.
В местната космическа ракета-носител Союз (вижте снимката в заглавието на статията), в допълнение към 20 основни, неподвижни камери на задвижващата система, има 12 въртящи се (всяка в собствената си равнина), по-малки камери за управление. Кормилните камери споделят обща горивна система с основните двигатели.
От 11-те задвижващи двигателя (всички степени) на ракетата-носител Сатурн-5, девет (с изключение на централните 1-ва и 2-ра степен) са ротационни, всеки в две равнини. Когато се използват главните двигатели като контроли, работният диапазон на въртене на камерата е не повече от ±5°: поради голямата тяга на основната камера и нейното местоположение в задното отделение, тоест на значително разстояние от центъра на маса на ракетата, дори малко отклонение на камерата създава значителен контрол
Компания Dearman в партньорство с учени, ръководители индустриални предприятияи специалисти по криогенно оборудване, специализирани в разработването на технологии, използващи втечнени газове. Коронното постижение на това изследване е двигателят Dearman, нов бутален двигател, задвижван от разширяването на течен азот или течен въздух за производство на екологична студена и механична енергия.
Когато азотът преминава от течно в газообразно агрегатно състояние, този газ се разширява 710 пъти. Това увеличение на обема се използва за задвижване на буталата на двигателя. Двигателите на Dearman работят като парни машини високо налягане, но при ниската точка на кипене на течния азот. Това означава, че както отпадъчната топлина, така и температурата на околния въздух могат да се използват като източник на топлинна енергия, елиминирайки необходимостта от традиционно гориво.
Уникална характеристика на двигателите на Dearman е използването на смес от вода и гликол като охлаждаща течност. Когато тази охлаждаща течност се смеси с изключително охладен азот, течността се разширява квазиизотермично, което значително повишава ефективността на двигателя.
Важно е да се отбележи, че когато двигателят на Dearman работи, той отделя само въздух или азот, без емисии на азотни оксиди (NOx), въглероден диоксид (CO2) или прахови частици.
Технологията Dearman има много предимства в сравнение с други нисковъглеродни технологии:
- Ниски капиталови разходи и задържан въглерод – двигателите на Dearman се произвеждат от обикновени материали, като се използват технологии, обичайни в индустрията за производство на двигатели.
- Бързо пълнене - течният газ може да се прехвърля между резервоарите при високи скорости. Съвременната газова индустрия използва системи, способни да транспортират повече от 100 литра течен газ на минута.
- Голямо количество съществуваща инфраструктура – газовата индустрия е глобална по своята същност. В момента има достатъчно развито производство на течен азот, способен да захранва хиляди двигатели на Dearman.
- Ефективността на процеса на производство на „гориво“ е втечняването на въздуха, отдавна установен процес, който изисква само въздух и електричество.
- Производственият капацитет за втечняване на въздух може да се използва много гъвкаво – например в извънработно време или в периоди на намален капацитет. За допълнително намалениеразходи, могат да се използват възобновяеми енергийни източници.
Как става това
Двигателят на Dearman работи по следния начин:
1. охлаждащата течност се изпомпва в цилиндрите на двигателя, запълвайки почти целия им обем;
2. след това в цилиндъра се въвежда криогенен азот, който влиза в контакт с топлообменната течност и започва да се разширява;
3. топлината от охлаждащата течност се абсорбира от разширяващия се газ, което води до почти изотермично разширение;
4. Буталото се движи надолу, изпускателният клапан се отваря и сместа от газ и течна охлаждаща течност напуска двигателя;
5. Охлаждащата течност се възстановява, нагрява и използва повторно, докато азотът или въздухът се отделят в атмосферата.
Всички знаем, че една от основите на материалния живот на съвременното човечество са добре познатите минерали нефт и газ. Благословените въглеводороди присъстват по един или друг начин във всяка област от живота ни и първото нещо, което идва на ум на всеки човек, е горивото. Това са бензин, керосин и природен газ, използвани в различни енергийни системи (включително двигатели на превозни средства).
Колко коли по пътищата на света и самолети във въздуха горят бензин и керосин в двигателите си... Техният брой е огромен и обемът на горивото, което излита, така да се каже, в канала е също толкова огромен (и при същевременно се стреми да допринесе своя значителен дял в отравянето на атмосферата :-)). Този процес обаче не е безкраен. Запасите от нефт, от които се произвежда лъвският пай от световното гориво (въпреки факта, че постепенно губи позиции пред природния газ), бързо намаляват. Постоянно поскъпва и има все по-голям дефицит.
Тази ситуация принуждава изследователи и учени по целия свят да търсят от доста време. алтернативни източницигориво, включително и за авиацията. Една от областите на такава дейност беше развитието самолетизползване на криогенно гориво.
Криогенен означава „роден от студ“, а горивото в този случай е втечнен газ, който се съхранява при много ниски температури. Първият газ, който привлече вниманието на разработчиците в това отношение, беше водородът. Този газ има три пъти по-висока калоричност от керосина и освен това, когато се използва в двигател, в атмосферата се отделят вода и много малко количество азотни оксиди. Тоест е безвреден за атмосферата.
Криогенно гориво
Самолет ТУ-154Б-2
В средата на 80-те години на миналия век конструкторското бюро на А. Н. Туполев започва да създава самолет, използващ течен водород като гориво. Разработен е на базата на серийния ТУ-154Б с турбореактивен двигател НК-88. Този двигател е създаден в Бюрото за проектиране на двигатели на името на. Кузнецов (Самара) отново базиран на серийния двигател за Ту-154 НК-8-2 и е предназначен да работи с водород или природен газ. Трябва да се каже, че работата по нови теми се извършва в това бюро от 1968 г.
Криогенно гориво
Същият самолет Ту-155 е на склад... За съжаление, отвратителен склад :-(
Новият самолет, работещ с криогенно гориво, е наречен ТУ-155. Всичко обаче не е толкова просто. Факт е, че водородът е опасно гориво. Той е изключително запалим и експлозивен. Има изключителна проникваща способност и може да се съхранява и транспортира само във втечнено състояние при много ниски температури, близки до абсолютната нула (-273 градуса по Целзий). Тези характеристики на водорода представляват доста голям проблем.
Следователно ТУ-155 беше летяща лаборатория за изследване и решаване на съществуващи проблеми, а базовият самолет по време на създаването си претърпя радикална промяна. Вместо десния двигател NK-8-2 беше монтиран нов криогенен NK-88 (другите два останаха оригинални :-)). В задната част на фюзелажа, на мястото на купето, е поставен специален резервоар за криогенно гориво, течен водород, с обем 20 кубически метра. с подобрена екранна вакуумна изолация, където водородът може да се съхранява при температури под минус 253 градуса по Целзий. Той се подава към двигателите от специален турбопомпеен агрегат, като на ракета.
Криогенно гориво
Двигател НК-88. Отгоре на двигателя се вижда масивна турбопомпа
Поради високата опасност от експлозия се наложи да напуснете отделението с резервоар за горивопремахнете почти цялото електрическо оборудване, за да елиминирате и най-малката възможност за искрене, а цялото отделение постоянно се продухва с азот или въздух. За управление на блоковете на електроцентралата е създадена специална система за управление на хелий. В допълнение, водородните пари от резервоара трябваше да бъдат отклонени от двигателите, за да се избегне запалване. За целта е направена дренажна система. На самолета неговите завои са ясно видими в задната част на фюзелажа (особено на перката).
Криогенно гориво
Схема на разположението на TU-155. Син - резервоар за гориво. В предното отделение има поддържащо оборудване. Червено - криогенен двигател
Общо бяха създадени и внедрени повече от 30 нови авиационни системи. Като цяло работата беше извършена в голям мащаб :-) . Но те също се нуждаеха от наземно, не по-малко сложно оборудване за осигуряване на зареждане с гориво и съхранение. Вярно е, че по това време развитието на системата Буран беше в разгара си, на ракетата-носител, един от компонентите на горивото беше течен водород. Затова се смяташе, че всичко ще бъде поставено на индустриална основа и няма да има недостиг на гориво. Но мисля, че всеки разбира, че криогенното гориво в такава система става просто „златно“ като цена. А това означава, че комерсиалното използване на течния водород е малко вероятно да бъде възможно в близко бъдеще. Затова още тогава течеше подготовка за преминаване към друг вид криогенно гориво – втечнен природен газ (LNG).
Въпреки това първият полет на ТУ-155 с течен водород се състоя на 15 април 1988 г. Освен това имаше 4 такива полета. След това TU-155 е модифициран за полети, използващи втечнен природен газ (LNG).
В сравнение с водорода, този вид гориво е много по-евтино и по-достъпно, освен това е няколко пъти по-евтино от керосина. Калоричността му е с 15% по-висока от тази на керосина. Освен това той също малко замърсява атмосферата и може да се съхранява при температура от минус 160 градуса, което е с цели 100 градуса по-високо от водорода. Освен това, в сравнение с водорода, LNG все още е по-малко опасен от пожар (въпреки че, разбира се, такава опасност все още съществува) и има достатъчно опит в поддържането му в безопасно състояние. Организирането на доставките на газ (LNG) на летищата като цяло също не е изключително трудно. Почти всяко голямо летище има газопроводи. Като цяло има достатъчно предимства :-).
Първите полети на ТУ-155, който вече използва втечнен природен газ като криогенно гориво, се състояха през януари 1989 г. (Видеоклипът по-долу говори за това.) Имаше още около 90 такива полета. Всички те показаха, че разходът на гориво намалява с почти 15% в сравнение с керосина, тоест самолетът става по-икономичен и рентабилен.
Сега малко за перспективите... В края на 90-те години главният мениджър на руските газови запаси, Газпром, пое инициативата да построи първо товаро-пътнически, а след това просто пътнически самолет, който може да се движи изцяло на LNG. Самолетът е наречен ТУ-156 и е създаден на базата на съществуващия ТУ-155. На него трябваше да бъдат монтирани три нови двигателя НК-89. Това са турбовентилатори, подобни на NK-88, но имат две независими горивни системи: една за керосин, а другата за криогенно гориво (CNG). Това беше удобно в смисъл, че не навсякъде имаше възможност за зареждане с газ и самолетът можеше да превключва от една енергийна система към друга, ако е необходимо. С помощта на разработената технология това отне само пет минути. NK-89 имаше и топлообменник в следтурбинното пространство, където втечненият газ преминаваше в газообразно състояние и след това влизаше в горивната камера.
Бяха проведени обширни изследвания и изчислителна работа за пренареждане на отделенията и местоположението на резервоарите за гориво. До 2000 г. Самарският авиационен завод трябваше да произведе три ТУ-156 и да започне тяхното сертифициране и пробна експлоатация. Но... За съжаление това не беше направено. А пречките пред изпълнението на плановете бяха изключително финансови.
След това бяха разработени още няколко проекта за самолети, използващи криогенно гориво (LNG), като например ТУ-136 с турбовитлови двигатели, работещи както на керосин, така и на втечнен гази широкофюзелажния ТУ-206 с турбореактивни двигатели, задвижвани от LNG. В момента обаче всички тези проекти си остават само проекти.
Криогенно гориво
Модел на самолет Ту-136
Криогенно гориво
Самолет модел ТУ-206 (ТУ-204К)
Времето ще покаже как ще се развият нещата в тази област на авиационната наука и технологии. Засега създаването на самолети, използващи криогенно гориво, се възпрепятства от различни обстоятелства, както обективни, така и субективни. Има още много да се направи в разработването на специални авиационни системи, развитието на наземната инфраструктура, системите за транспортиране и съхранение на гориво. Но тази тема е изключително обещаваща (и според мен много интересна :-)). Водородът, със своята огромна енергийна интензивност и практически неизчерпаеми запаси, е горивото на бъдещето. Това можем да кажем с пълна увереност. Преходният етап към това е използването на природен газ.
И тази решителна крачка към бъдещето беше направена именно в Русия. Чувствам се горд да кажа това отново :-). Никъде по света не е имало и до ден днешен самолет подобен на нашия ТУ-155. Бих искал да цитирам думите на известния американски авиоинженер Карл Бревър: „Руснаците извършиха подвиг в авиацията, съизмерим с полета на първия спътник на Земята!“
Това е абсолютната истина! Наистина просто искам тези неща да вървят в поток (и руснаците го могат :-)), и този поток да е непрекъснат, а не да се движи на ритъм, както често се случва при нас...
НАЙ-ВАЖНОТО събитие се случи в историята на Индия космическа програма: проведоха се първите тестове на криогенен двигател, изцяло произведен в Индия, предназначен за извеждане на сателити в геосинхронна орбита.
Тестовете, проведени в специализиран център в Махендрагири (южен индийски щат Тамил Наду), регистрират стабилна работа на двигателя в продължение на 15 секунди, съобщи Индийската организация за космически изследвания (IOSRO). По този начин, се казва в изявлението на IOIC, първият етап от изпълнението на цялата задача е успешно завършен: криогенният двигател е създаден от индийците независимо и е тестван.
Нека ви припомня историята на въпроса. През юли 1993 г. Москва направи още една голяма отстъпка на Вашингтон, като го увери, че отказва да прехвърли на Индия технологията за създаване на криогенни космически двигатели, необходими за изстрелване на ракети във високи и много високи околоземни орбити. В същото време Русия на Елцин не само се „преклони“ пред своя отвъдморски партньор, но и загуби икономически ползи и накърни международния си авторитет. Освен това, според споразуменията от 1991 г., Русия не само се задължава да достави на Делхи два криогенни двигателя, но и да предаде технологията за тяхното производство на индийците. Това беше потвърдено по време на посещението на президента Елцин в Индия през януари 1993 г., а след това, шест месеца по-късно, думата на Москва беше нарушена. Руско-индийската „сделка на века“ се оказа провалена.
Ясно е, че сътрудничеството в областта на създаването на криогенни (базирани на течен водород) космически двигатели (екологични и неподходящи за военни нужди, тъй като зареждането на ракети с течен водород трябва да се извършва изключително внимателно, бавно и за дълго време) беше от полза както на Индия, така и на Русия, но изключително раздразни Вашингтон. Не беше тайна, че Съединените щати наистина искаха да заемат мястото на Русия в тази сделка, но това не се получи. След това, възползвайки се от някои благоприятни черти на вътрешнополитическия живот на Русия, САЩ буквално принудиха Кремъл да се откаже от по-голямата част от изгодния договор, което, естествено, предизвика огромно възмущение в Индия.
Тогавашният ръководител на индийската космическа програма U.R. Рао подчерта, че „беше нанесен сериозен удар, сега трябва да разчитаме на собствените си сили“. И министър-председателят на Индия от онези години, P.V. Нарасимха Рао в един от личните си разговори отбеляза: „Ако това е така, тогава самата Индия ще създаде криогенни двигатели; само след няколко години нашите учени ще постигнат това. Предсказанието се сбъдна.
Изминаха седем години и Индия създаде и тества криогенен двигател, с който индийски ракети ще изстрелват сателити в космоса от стартовата площадка в Шрихарикота.
Успешният тест е забележителен не само от техническа, но и от политическа гледна точка. Първо, това е важно за престижа на Делхи в навечерието на преговорите с американския президент Клинтън, който ще посети Индия през март. Второ, вече ще бъде възможно да се прояви милост по отношение на осъдените на доживотен затвор пилоти Ан-26 на латвийската авиокомпания, повечето от които приеха руско гражданство, докато бяха в затвора в Калкута. Председателят, който е на официално посещение в Делхи, отправи това искане към индийските власти. Държавна думаГенадий Селезнев. В местните журналистически среди се смята, че евентуално помилване ще има, ако се случи непосредствено преди дългоочакваното посещение руски президентдо Индия.
На територията на Института за летателни изследвания на Громов в Жуковски край Москва има самолет с надпис на борда на Ту-155. Тази уникална машина е летяща лаборатория за тестване на системи и двигатели, използващи криогенно гориво. Работата в тази посока е извършена в края на 80-те години. Ту-155 стана първият в света самолет, използващ течен водород и втечнен природен газ като гориво. Изминаха 27 години от първия полет на тази необичайна машина. И сега стои тихо сред изведените от експлоатация самолети. Няколко пъти искаха да я нарежат на метал. И така, какво прави този самолет уникален?
1.
Преди да говорим за този самолет, си струва да обясним какво е криогенно гориво и как се различава от въглеводородното гориво. Криогениката е промяната в свойствата на различни вещества при изключително ниски температури. Тоест, криогенно гориво означава „родено от студ“. Става въпрос заза течен водород, който се съхранява и транспортира в течно състояние при много ниски температури. И за втечнения природен газ, който също има много ниски температури.
В сравнение с керосина течният водород има редица предимства. Има три пъти по-висока калоричност. Тоест при изгаряне на равни маси водородът отделя повече топлина, което пряко влияе икономически характеристикиелектроцентрала. Освен това, когато се използва, в атмосферата се отделят вода и много малко количество азотни оксиди. Това прави електроцентралата безвредна за атмосферата. Водородът обаче е много опасно гориво. Когато се смеси с кислород, той е изключително запалим и експлозивен. Има изключителна проникваща способност и може да се съхранява и транспортира само във втечнено състояние при много ниски температури (-253°C).
Тези характеристики на водорода представляват доста голям проблем. Ето защо, заедно с течния водород като авиационно горивоприродният газ също беше разгледан. В сравнение с водорода, той е много по-евтин и по-достъпен. Може да се съхранява във втечнено състояние при температура -160°C, като в сравнение с керосина има 15% по-висока калоричност. Той е няколко пъти по-евтин от керосина, което го прави и икономически изгоден като авиационно гориво. Природният газ обаче също е опасен от пожар, макар и в по-малка степен от водорода. Именно с тези трудности трябваше да се справят инженерите от конструкторското бюро на Туполев при създаването на експерименталния самолет Ту-155.
2.
Авиационните дизайнери се сблъскаха с криогенната технология за първи път. Следователно дизайнът се проведе не само в тишината на дизайнерските стаи, но и в изследователските лаборатории. Конструкторите стъпка по стъпка въвеждат нови дизайнерски решения и технологии, които осигуряват създаването на фундаментално нови системи за въздухоплавателни средства, криогенни електроцентрали и системи, които позволяват безопасната им работа.
3.
Летателната лаборатория е създадена на базата на серийния Ту-154, модифициран до стандарта Ту-154Б. Бордов номер СССР-85035. Владимир Александрович Андреев е назначен за главен конструктор на Ту-155. Самолетът имаше много фундаментални разлики от основната версия. Криогенен резервоар за гориво с обем 17,5 m 3, заедно със система за подаване на гориво и система за поддържане на налягането, представляват експериментален горивен комплекс, разположен в задната част на фюзелажа, отделен от другите секции на самолета с буферна зона. Резервоар, тръбопроводи и агрегати горивен комплексимаше екранна вакуумна изолация, осигуряваща определени топлинни притоци. Буферните зони защитаваха екипажа и жизненоважните отделения на самолета в случай на теч във водородните системи.
4.
Самолетът е оборудван с експериментален турбореактивен двигател НК-88, създаден в Самара в конструкторското бюро на двигатели под ръководството на академик Николай Дмитриевич Кузнецов на базата на серийния двигател за Ту-154 НК-8-2. Той беше инсталиран вместо правилния стандартен двигател и използваше водород или природен газ за работа. Другите два двигателя бяха оригинални и работеха на нафта. Сега те са премахнати. Но NK-88 остана на мястото си.
5.
6.
7.
За контрол и наблюдение на криогенния комплекс на самолета има редица системи:
Хелиева система, която управлява блоковете на електроцентралата. Тъй като двигателят работеше с водород, електрическите задвижвания не можеха да бъдат свързани към него. Ето защо системата за управление е заменена с хелиева.
Азотна система, която замества въздуха в отделения, където са възможни течове на криогенно гориво.
Система за наблюдение на газ, която следи газовата среда в отделенията на самолета и предупреждава екипажа в случай на изтичане на водород много преди да възникнат експлозивни концентрации.
Система за контрол на вакуума в топлоизолационни кухини.
В товарното отделение на предната част на фюзелажа има кръгли цилиндри с азот. Те са монтирани и в кабината на самолета над прозорците. На пода вместо пътнически седалки са монтирани хелиеви цилиндри. Плюс стелажи с контролна, измервателна и записваща техника.
Общо бяха създадени и внедрени повече от 30 нови авиационни системи. Сред новите технологии важно място заемат процес, осигуряващи почистване на вътрешните кухини на тръбопроводи и агрегати. Тъй като с високоефективна изолация и вакуумно запечатване, чистотата е ключът към бъдещата безопасност на полетите.
Кокпитът е претърпял промени. Преградата беше преместена по-дълбоко в кабината и в пилотската кабина бяха инсталирани работни станции за втория борден инженер, който отговаряше за работата на експерименталния двигател, и инженера-изпитател, който контролираше работата на бордовите експериментални системи . В пода на кабината е монтиран авариен люк.
Създаден е авиационен криогенен комплекс за обслужване на самолета и извършване на тестова работа. Състои се от система за захранване с течен водород (или втечнен природен газ), пневматично захранване, захранване, телевизионен мониторинг, газов анализ, водна струя в случай на пожар и криогенен контрол на качеството на горивото.
На сцената наземни тестовебеше проверено функционирането на всички експериментални системи, включително работата на двигателя NK-88 на течен водород. Бяха разработени режимите на зареждане с гориво, обслужване на вакуумни системи, режими на работа на горивната система и системата за поддържане на налягането в комбинация с работещ двигател. Едновременно с това се отработваше подготовката на самолета за полет и зареждането на бордовите системи с хелий и азот.
Снимката показва дълга тръба, простираща се от под фюзелажа до централната дюза на двигателя. Това е система за аварийно изпускане на течен водород (природен газ). Това направи възможно, ако е необходимо, да се източи криогенно гориво върху края на дюзата на среден стандартен двигател. По време на наземните тестове се справихме различни ситуациисвързани с риск от експлозия и пожар.
9.
10.
11.
В процеса на непосредствена подготовка за полета течният водород беше доставен с танкери. Те бяха свързани със самолета чрез стационарни криогенни тръбопроводи със спирателни и свързващи вентили, които осигуряваха необходимите противопожарни прекъсвания между самолета, танкера и мястото, където водородният газ се изхвърля в атмосферата. След като танкерите акостираха, качеството на течния водород беше наблюдавано с помощта на специален пробоотборник и газов хроматограф. В допълнение към обичайните операции по подготовката на самолета за полет, беше извършена подготовка на експерименталния двигател, експерименталните системи на самолета и наземния комплекс. Особено внимание беше отделено на оборудването за взривна и пожарна безопасност, системите за контрол на газа, контрол на азота, контрол на вакуума в изолационни кухини, пожарогасителни системи, вентилация на горивния отсек и гондолата на двигателя. По време на тестовете бяха тествани различни средства за защита срещу увеличаване на концентрацията на водород в отделенията, както с помощта на неутрална среда (азот), така и с вентилация на въздуха от бордовата климатична система.
Поради високия риск от експлозия се наложи почти цялото електрическо оборудване да бъде извадено от отделението с резервоара за гориво. Това елиминира и най-малката възможност за искрене и цялото отделение постоянно се продухва с азот или въздух. В допълнение, водородните пари от резервоара трябваше да бъдат отклонени от двигателите, за да се избегне запалване. За целта е направена дренажна система. Един от неговите елементи е първият, който привлича вниманието ви върху перката на самолета. Това е обтекателят на изпускателния колектор.
12.
13.
Самолетът е подготвен за първия си полет в Жуковската летателно-изпитателна и развойна база на Туполев (ЖЛИиДБ). Ту-155 беше изтеглен до мястото за пускане на двигатели. „Аз съм 035, искам излитане.“ „035, излитането е разрешено.“ На 15 април 1988 г. в 17:10 часа самолет Ту-155 с двигател, работещ с течен водород, излита за първия си полет от летище край Москва. Пилотиран е от екипаж в състав: първи пилот - заслужил летец-изпитател на СССР Владимир Андреевич Севанкаев, втори пилот - заслужил летец-изпитател на СССР Андрей Иванович Талалакин, бординженер - Анатолий Александрович Криулин, втори бординженер - Юрий Михайлович Кремльов, водещ инженер-тест - Валерий Владимирович Архипов.
Полетът мина добре. Изпълнението му беше наблюдавано от всички наземни служби и ескортиращия самолет Ту-134. Системите, тествани и тествани на земята, за първи път бяха тествани във въздуха. Полетът продължи само 21 минути в малки кръгове на различни височини не по-високи от 600 метра. Той приключи малко по-рано от планираното, за което тестовият инженер Валерий Архипов имаше убедителни причини: в азотното отделение сензорите откриха наличието на азот, който трябваше да се появи автоматично при изтичане на водород. Но, слава Богу, причината беше друга. Азотът влезе през клапан на цилиндър, който падна под налягане, когато самолетът се завъртя от двете страни на оста. Това стана ясно едва на земята.
Направена е само първата стъпка към решаването на сложните проблеми с въвеждането на течен водород като авиационно гориво. По време на летателните изпитания бяха извършени полети за проверка на работата на силовата установка и системите на самолета в различни режими на полет и по време на еволюция на самолета. Пуснат е експерименталният двигател и е изпробвана работата на системите за взриво- и пожарна безопасност в режимите за създаване на неутрална среда и вентилация на въздуха. През юни 1988 г. програмата за летателни изпитания с течен водород е завършена изцяло. След това Ту-155 е модифициран за полети с втечнен природен газ. Първият полет с това гориво е извършен на 18 януари 1989 г. Самолетът е тестван от екипаж в състав: командир на кораба - заслужил пилот-изпитател на СССР Владимир Андреевич Севанкаев, втори пилот - Валерий Викторович Павлов, борден инженер - Анатолий Александрович Криулин, втори борден инженер - Юрий Михайлович Кремльов, водещ инженер-изпитател - Валерий Владимирович Архипов.
Както каза генералният конструктор Алексей Андреевич Туполев: „Днес за първи път в света излетя самолет, използващ като гориво втечнен природен газ. И се надяваме, че този първи полет на този самолет ще ни даде възможност да съберем всички научни и експериментални данни и да изградим самолет, на който пътниците ще могат да летят в близко бъдеще.
Тестовете показват, че разходът на гориво е намален с почти 15% в сравнение с керосина. Освен това те потвърдиха възможността за безопасна работа на самолета с криогенно гориво. По време на обширен набор от тестове на Ту-155 бяха поставени 14 световни рекорда и бяха извършени няколко международни полета от Москва до Братислава (Чехословакия), Ница (Франция) и Хановер (Германия). Общото време на работа на експерименталната електроцентрала надхвърли 145 часа.
В края на 90-те години главният мениджър на руските газови запаси Газпром пое инициативата да построи първо товарен и пътнически самолет, а след това само пътнически самолет, който може да работи изцяло на втечнен природен газ. Самолетът е наречен Ту-156 и е създаден на базата на съществуващия Ту-155. Той трябваше да бъде оборудван с три нови двигателя NK-89, подобни на NK-88, но с две независими горивни системи: едната за керосин, а другата за криогенно гориво. Бяха проведени обширни изследвания и изчислителна работа за пренареждане на отделенията и местоположението на резервоарите за гориво.
До 2000 г. Самарският авиационен завод трябваше да произведе три Ту-156 и да започне тяхното сертифициране и пробна експлоатация. За съжаление това не беше направено. А пречките пред изпълнението на плановете бяха изключително финансови.
Вероятно можем да кажем, че Ту-155 е изпреварил времето си. Той беше първият, който използва системи, към които човечеството ще се върне. И Ту-155 заслужава да бъде в музей, а не сред забравени излезли от експлоатация самолети.
На Международния авиационен и космически салон МАКС-2015 Научно-инженерна компания "НИК" и ББлаготворителната фондация "Легенди на авиацията" с подкрепата на администрацията на град Жуковски и АО "Авиасалон" за първи път представи този уникален самолет пред широката публика.
Текстът изглежда най-вече
