К развитию стендовой базы научно-испытательного центра ракетно-космической промышленности для экспериментальной отработки перспективных двигательных установок на криогенных компонентах топлива

Решение перспективных задач Федеральной космической программы (запуск орбитальных средств по программам «Сфера» и «Глонасс», исследование объектов ближнего и дальнего космоса, в т. ч. на пилотируемых кораблях, и др.) требует создания и модернизации средств выведения легкого, среднего, тяжелого и сверхтяжелого классов. При этом с учётом обеспечения транспортировки и возможности наземной отработки объектов ракетно-космической техники принимается модульный принцип построения средств выведения с применением более эффективных криогенных топливных пар в двигательных установках (ДУ): кислород–керосин, кис-лород–сжиженный природный газ (СПГ) и кислород–водород [1, 2].

Важными и актуальными при этом являются следующие вопросы:

• •    обеспечение безопасности стендовых испытаний ракетных блоков на компонентах кислород–СПГ и кислород–

водород с увеличенными дозами заправки СПГ и водорода в топливный бак ДУ;

• •    повышение эффективности систем пожаровзрывопредупреждения (СПВП) за счёт применения эффективных ингибиторов (например, пропилена) с флег-матизирующим азотом для предотвращения взрыва смесей водорода с воздухом или кислородом при нештатных ситуациях;

• •    повышение эффективности систем функциональной диагностики и аварийной защиты (САЗ) испытаний (обеспечение быстродействия аппаратуры САЗ и средств контроля опасных накоплений взрывоопасных газов в пожаро- и взрывоопасных отсеках объекта испытания и испытательного стенда) [3].

характеристика испытательных стендов центра для отработки перспективных средств выведения на криогенных

(первой ступени), а блок первой ступени РН «Союз-6» — в качестве второй ступени создаваемой РН сверхтяжёлого класса.

Рис. 1. Испытательный стенд ИС-102

компонентах топлива

В статье рассматриваются основные сооружения Центра, на которых будет проводиться отработка перспективных средств выведения на эффективных криогенных топливных парах кислород– керосин, кислород–СПГ и кислород– водород, а также вопросы повышения эффективности систем обеспечения имитации условий эксплуатации и безопасности испытаний.

На испытательном стенде ИС-102 (рис. 1) планируется отработка ДУ первой и второй ступеней ракет-носителей (РН) среднего (полутяжёлого) класса «Союз-5» с кислородно-керосиновыми двигателями РД-171МВ тягой 840 тс и РД-0124МС тягой 60 тс, соответственно, и ДУ РН среднего класса «Союз-6» с кислородно-керосиновым двигателем РД-180МВ тягой 400 тс [2].

Основные технологические системы испытательного стенда ИС-102 могут обеспечить проведение как заправочных операций ракетных блоков компонентами топлива, так и «холодных» и огневых стендовых испытаний систем РН «Союз-5» и «Союз-6» при их экспериментальной отработке.

Следует отметить, что блоки первых ступеней РН «Союз-5» в дальнейшем предусматривается использовать в качестве боковых блоков

В составе комплекса стендов водородных испытаний КСВИ-106 представлены:

• •    стенды для обеспечения отработки кислородно-водородных двигателей РД-0146Д (тяга 9 тс) и РД-0150 (тяга 55 тс), создаваемых для разгонных блоков кислородно-водородного тяжёлого класса (РБ КВТК) и 3-ей ступени РН «Ангара-А5В»;

• •    стенды для обеспечения отработки РБ КВТК и ракетного блока 3-ей ступени РН «Ангара-А5В» (повышенной грузоподъёмности).

Современные двигатели РД-0146Д и РД-0150, предназначенные для верхних ступеней и РБ РН, оснащаются сопловыми насадками с большой степенью расширения ( f_а = 114…475) и требуют применения систем имитации высотных условий, принципиальные схемы которых представлены на рис. 2 [3, 4].

Вода

а)

б)

Рис. 2. Системы имитации высотных условий: а — с барокамерой и диффузором; б — с барокамерой, диффузором, конденсатором и пароэжекторной установкой; 1 — барокамера; 2 — двигатель; 3 — диффузор; 4 — клапан; 5 — эжектор; 6 — смеситель-конденсатор; 7 — парогенератор

Для испытаний двигателей с f_а ≤ 114, как правило, используется схема имитации высотных условий с барокамерой и выхлопным диффузором, представленная на рис. 2, а и обеспечивающая безотрывное истечение газов из сопла после запуска диффузора на маршевом режиме функционирования двигателя. В современных двигателях РБ сопловые насадки выполняются со степенями расширения f_а = 200…500 с применением композиционных материалов, и система имитации высотных испытаний включает в себя барокамеру с диффузором и пароэжекторную установку (ПЭУ) с конденсатором, представленную на рис. 2, б [4].

Стенд В2 , включающий в себя (рис. 3):

• •    горизонтальный стенд В2а , который обеспечивал огневые испытания (ОИ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) типа РД-0120 (РД-0750) тягой до 200 тс продолжительностью до 120 с, их узлов и агрегатов на компонентах ракетного топлива (КРТ): жидкий кислород, керосин и жидкий водород. При этом технологические системы стенда В2а, которые применялись для отработки двигателя РД-0120, готовы к отработке кислородно-водородного двигателя РД-0150 тягой 55 тс на ресурс без имитации высотных условий.

• •    горизонтальный стенд В2б , предназначенный для ОИ ЖРД тягой до 50 тс на КРТ: горючее — жидкий водород, СПГ; окислитель — жидкий кислород.

Рис. 3. Макет испытательного стенда В2: В2а — для испытаний двигателей тягой до 200 тс с газоотводным устройством; В2б — для испытаний двигателей тягой до 50 тс с газодинамической трубой

Для имитации высотных условий эксплуатации стенд В2б (рис. 4) снабжён термобарокамерой, выхлопным трактом с газодинамической трубой и пароэжекторной установкой откачки газов; на рис. 4, б представлен двигатель РД-0146Д с сопловым насадком fa = 114.

а)

б)

Рис. 4. Стенд В2б, снабжённый выхлопной трубой с газодинамической трубой и пароэжекторной установкой, для испытаний двигателей со степенью расширения сопел fa = 170 (а) и двигатель РД-0146Д (б)

На стенде В2б 29.09.2010 г. было проведено ресурсное ОИ двигателя-демонстратора С5.86.1000-0 тягой 7,5 тс разработки КБХМ им. А.М. Исаева на топливе кислород–СПГ с рекордной длительностью функционирования двигателя при однократном включении 1 160 с.

В настоящее время стенд В2б подготовлен к ресурсным испытаниям двигателя РД0146Д с сопловым насадком радиационного охлаждения (СНРО) со степенью расширения f_а = 170, продолжительность испытания до 1 400 с.

На рис. 5, а представлена система имитации высотных условий на вновь создаваемом рабочем месте стенда В2в с выхлопным трактом, включающем барокамеру, газодинамическую трубу с конденсатором и пароэжекторной установкой для испытаний двигателя РД-0146Д с полноразмерным сопловым насадком ( f_а = 475), показанным на рис. 5, б .

а)

б)

Рис. 5. Стенд В2в для испытаний двигателей с имитацией высотных условий (а) и двигатель РД-0146Д с полноразмерным сопловым насадком радиационного охлаждения (СНРО) (б): 1 — сопловой насадок, охлаждаемый жидким водородом (f_a = 114); 2 — стационарный СНРО (f_a = 170); 3 — выдвижной СНРО (f_a = 475)

Стенды для обеспечения отработки кислородно-водородных РБ и ракетного блока верхних ступеней РН «Ангара-А5В» включают в себя:

• •    стенды В3а, В3б, В3в, В3г и В3д , предназначенные для «холодных» испытаний узлов и насосных агрегатов систем подачи горючего, модельных ёмкостей, трубопроводов, подшипников, уплотнений и арматуры на жидком водороде, для испытаний на прочность баков жидкого водорода в условиях, имитирующих штатные;

• •    вертикальный стенд В3е , предназначенный для ОИ ДУ с ЖРД тягой до 50 тс на КРТ: горючее — жидкий водород; окислитель — жидкий кислород (рис. 6) [5].

Рис. 6. Стенд для испытаний ракетного блока на кислородно-водородном топливе: 1 — испытуемый ракетный блок;

2 — газоотводящее устройство результаты исследований основных факторов и особенностей обеспечения безопасности испытаний двигателей и ду на компонентах топлива кислород–водород и кислород–СПг

К наиболее опасным факторам при испытаниях кислородно-водородных и кислородно-метановых двигателей и ДУ следует отнести те, которые могут привести к разгерметизации топливной системы, аварийному выбросу водорода (метана) и кислорода, взрыву и пожару. При этом есть принципиальные отличия в обеспечении безопасности испытаний двигателя и ДУ на стенде [3, 6].

При испытаниях двигателя на стенде количе- ство выброса (пролива) водорода в аварийной ситуации определяется быстродействием систем контроля опасных накоплений водорода в боксе, САЗ, временем перекрытия отсечных клапанов и объёмом полостей системы питания двигателя после отсечных клапанов. Так, для стенда В2а НИЦ РКП, предназначенного для проведения испытаний двигателя РД-0120 с массовым расходом водорода ~70 кг/с, в аварийной ситуации при выключении двигателя по команде САЗ возможен выброс 600…700 кг водорода в испытательном боксе. В этом случае безопасное расстояние от стенда составляет R = 500…600 м. При этом количество без жидкого водорода в стендовых ёмкостях, расположенных в специальных защищённых отсеках, практически не имеет ограничений, которые определяются объёмом расходных ёмкостей.

Наиболее опасными являются стендовые испытания ДУ (рис. 6), так как в случае разгерметизации топливной системы работающий двигатель (выхлопная струя, повышенный уровень вибраций и др.) может явиться инициатором взрыва смесей выброса (пролива) водорода с воздухом (или кислородом) при одновременном или раздельном разрушении топливных баков.

Ключевыми в этом случае являются масса выброса взрывоопасного компонента и коэффициент участия этого компонента во взрыве.

В соответствии с разработанной авторами моделью мгновенного развития событий при стендовых испытаниях ракетных блоков, имеющих в топливных баках 1…10 т жидкого водорода, были проведены расчёты опасных зон [5]. В стендовых условиях выбросы водорода очень опасны и могут взрываться в смесях с кислородом (воздухом), так как на стенде всегда есть источники инициирования (струя двигателя, источники высокого давления, источники электропитания и др.).

Давление во фронте ударной волны при взрыве на поверхности земли может быть оценено по формуле М.А. Садовского [6–8]:

∆ p взр

1,06 ₊ 4,3 B ₊ 14

_{R      R 2        R 3}

B , (1)

где Δ p _взр — давление во фронте ударной волны на расстоянии ~ R (м) от центра взрыва, бар; В — масса заряда тротила, определяемая соотношением B = zC _э m _H2 ; z — коэффициент участия водорода во взрыве для случая истечения и смешения с Re >> Re _кр ; z _max = 0,42; Re — критерий Рейнольдса; m _H — масса выброшенного водорода, кг; С _э ² — тротиловый эквивалент взрыва водородно-воздушных и водородно-кислородных смесей в стехиометрическом соотношении составляют 10,4 и 13,3 кг ТНТ/кг Н ₂ , соответственно.

Формула (1) справедлива для значений приведённого расстояния от центра взрыва

R

—

R =     = 1…15.

3 _B

Результаты расчётов для водороднокислородной смеси с использованием соотношений (1) и (2) показаны на рис. 7 для разомкнутого (полностью открытого) рабочего объёма стенда при коэффициенте участия водорода во взрыве z = 0,02…0,10 и для замкнутого рабочего объёма при z = 0,20…0,42.

Рис. 7. Результаты расчёта избыточного давления Δ p во фронте ударной волны в зависимости от массы выброса водорода m и коэффициента участия его во взрыве z при расстоянии до жилого массива R = 1 100 м (водородно-кислородная смесь): 1 — при заправке в бак 2 700 кг водорода; 2 — при заправке в бак 7 000 кг водорода

При этих расчётах на ограниченном расстоянии от стенда В3 до жилых массивов (1 100 м) допускалось избыточное давление во фронте ударной волны, равное 2 кПа, при котором реализуется вторая степень безопасности и возможно частичное разрушение (менее 20%) остеклений зданий и сооружений.

В связи с вышеизложенным, «холодные» и огневые испытания ДУ на стенде В3е при заправке 2 700 кг водорода в топливный бак ДУ должны проводиться с выполнением специальных мероприятий по безопасности с риском 10^–4 (одна авария на 10 000 испытаний), которые были определены решением Межведомственной комиссии по безопасности испытаний в 1991 г. [2]. При этом экспертами для условий испытаний на стенде В3е было принято значение z = 0,3 (рис. 7) [3, 9].

Специальные меры безопасности испытаний включают в себя:

• •    предупреждение образования взрывоопасных смесей Н ₂ с воздухом и О ₂ на стенде и в отсеках ДУ;

• •    для первых испытаний ДУ выполняется с упрочнёнными баками;

• •    двигатель отделяется от баков защитным устройством (бронеплитой);

• •    двигатель до начала испытаний в ДУ должен иметь коэффициент надёжности F _н = 0,98, подтверждённый при автономных испытаниях;

• •    огневым испытаниям должны предшествовать холодные испытания ДУ для проверки функционирования систем;

• •    в баках двигательной установки

должны быть установлены разделительные клапаны и клапаны аварийного слива по магистралям «О» и «Г», дополнительные дренажнопредохранительные клапаны, системы дополнительного наддува баков;

• •    оснащение ДУ СПВП подсистемой контроля опасных накоплений взрывоопасных газов с применением инертного газа для профилактической и аварийной продувки отсека ДУ при нештатных ситуациях и САЗ для контроля параметров двигателя и ДУ с прекращением испытания при их отклонениях от заданных величин [3].

На стенде В3е в 2001 г. были проведены циклы «холодных» и огневых стендовых испытаний ДУ РБ 12КРБ (РН GSLV ) с заправкой в топливный бак ДУ до 2 400 кг жидкого водорода с выполнением специальных мер безопасности. По результатам указанных испытаний в последующем были успешно завершены лётные испытания РН GSLV с РБ 12КРБ, оснащённым кислородноводородным двигателем КВД1.

В то же время следует отметить, что статистика аварий, произошедших по причине выброса водорода, показывает, что развитие событий при нештатной ситуации испытания ракетного блока на стенде имеет заметное время, и при применении малоинерционных систем контроля опасных концентраций взрывоопасных газов и средств предотвращения взрыва возможно парировать развитие аварийной ситуации, а коэффициент участия водорода во взрыве z в этом случае не превышает 0,1.

Исследованиями в НИЦ РКП в 2009–2011 гг. с участием Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН) было установлено, что при применении эффективного ингибитора (например, пропилена) в смеси с флегматизатором — азотом можно обеспечить регулирование процессов воспламенения и детонации взрывоопасных смесей газов за счёт обрыва цепей воспламенения в противовес тепловой теории воспламенения (рис. 8) [3, 9, 10].

На основе проведённых исследований был предложен комплекс дополнительных мер безопасности при испытаниях ракетных блоков с увеличенными дозами заправки топливного бака ДУ жидким водородом (до 7 000 кг), включающий в себя иерархический принцип построения программ испытаний, схему построения СПВП с применением ингибитора в смеси с флегматизатором — азотом (рис. 9), а также применение малоинерционных систем контроля опасных накоплений взрывоопасных газов при испытаниях ДУ РБ [10].

Исследования [9, 10] позволяют рассматривать вопрос о проведении испытаний на стенде В3ж НИЦ РКП кислородно-водородной ДУ с двигателями РД-0150 с увеличенной заправкой бака блока второй ступени РН водородом (до 7 000 кг) при выполнении дополнительного комплекса мер обеспечения безопасности и парировании нештатных ситуаций, предусматривающих:

• •    построение испытательного стенда ДУ в максимально открытом исполнении;

• •    сохранение иерархического принципа построения программ испытаний с постепенным их усложнением;

• •    внедрение диагностических методов контроля технического состояния двигателя после испытания для оценки остаточного ресурса его систем;

• •    внедрение датчиков контроля утечек водорода с инерционностью до 2 с;

• •    оснащение САЗ двигателя высокочувствительными датчиками, обеспечивающими контроль наиболее напряжённых параметров криогенного двигателя, например, износа беговых дорожек узлов качения турбонасосного агрегата, температуры лопаток турбины и др.;

• •    оснащение САЗ двигателя каналами контроля виброперегрузок в наиболее теплонапряжённых системах ДУ (турбонасосный агрегат и камера сгорания);

  

  а)                                   б)                                   в)

  Рис. 8. Взрыв смеси 30% водорода с воздухом стехиометрического состава в барокамере V = 4 м³ (а) и изменение ударной волны Δр взрыва в барокамере по времени t при отсутствии ингибитора (б) и при наличии ингибитора — до 7% пропилена (в)

  Примечание. t ₁ — время подачи импульса на воспламенение смеси.

  
  

• •    применение активных средств флег-матизации (газообразного азота) с добавками ингибиторов, например, пропилена, для предотвращения взрыва смесей водорода с воздухом и кислородом в отсеках ДУ и стенда и др.

Ракетно-космические системы с двигателями, функционирующими на кислороде и СПГ (метане) [9], позволяют успешно решать вопросы как обеспечения многоразового использования ДУ и возвращения первой ступени РН, так и проблемы экологии и удешевления вывода орбитальных средств в космическое пространство.

Пределы воспламенения и детонации, тротиловые эквиваленты водорода и метана с кислородом и воздухом стехиометрического состава приведены в таблице [9, 11].

Рассмотрение физико-химических характеристик СПГ, содержащего до 97–98% метана, с кислородом и воздухом (таблица) показывает, что пределы воспламенения и детонации и тротиловые эквиваленты взрыва смесей метана с кислородом (воздухом) стехиометрического состава примерно в два раза ниже, чем для смесей водорода с кислородом (воздухом). При этом, с учётом существенно большей плотности паров метана по сравнению с плотностью газообразного водорода, утечки (выбросы) метана могут накапливаться в отсеках объекта испытания и представляют значительную опасность при испытаниях ДУ на стенде. Поэтому стендовые испытания ракетных блоков на СПГ (метане) – кислороде целесообразно проводить с комплексом дополнительных мер безопасности, предусматриваемых для испытаний ДУ на кислородно-водородном топливе (главными из которых являются применение эффективных ингибиторов в СПВП, систем диагностики и аварийной защиты испытаний).

б)

Рис. 9. Система подачи ингибитора с азотом в двигательный отсек ДУ (а) и влияние азота с ингибитором на область детонации при регулировании закономерности взрыва водородно-воздушных смесей за счёт теории « обрыва цепей воспламенения » (б): 1 — баллон со смесью ингибитора и азота в соотношении 0,05:0,95; 2 — электропневмоклапан; 3 — газовый редуктор; 4 — дроссельная шайба; 5 — ДУ; 6 — двигательный отсек; ■ — пропилен (~8%) и ■ — азот

На испытательном стенде ИС-102 предусматривается проведение «холодных» и огневых стендовых испытаний ДУ перспективной РН среднего класса «Амур-СПГ» на компонентах кисло-род–СПГ (с 4–5 двигателями РД-0169 суммарной тягой ~450 тc на первой ступени и с высотным двигателем РД-0177 тягой 95 тс на второй ступени).

Пределы воспламенения и детонации, тротиловые эквиваленты водорода и метана с кислородом и воздухом

Топливные пары	Нижний предел, % Н2 по объёму		Верхний предел, % Н2 по объёму		Тротиловый эквивалент взрыва смеси газов стехиометрического состава, кг ТНТ/кг Н2 (СН4)
	Воспламенения	Детонации	Воспламенения	Детонации
Водород–кислород	4,6	15	94	90	13,3
Водород–воздух	4,1	18,3	74,2	59	10,4
Метан–кислород	5,6	8,2	61	56	5,5
Метан–воздух	4,4	6,3	17	14	4,8

При этом на стенде предусматривается создание соответствующей инфраструктуры для обеспечения заправочных операций и безопасности работ со сжиженным природным газом с применением эффективных ингибиторов в СПВП, систем диагностики и аварийной защиты испытаний.

В процессе экспериментальной отработки двигателей и ДУ при проведении опасных операций заправки и испытания на взрыво- и пожароопасных компонентах (водороде и метане) обязательным является контроль утечек взрывоопасных газов в двигательном и межбаковом отсеках ДУ с инерционностью не более 2 с, подробно рассмотренный в статье [9], и подача ингибитора с флегматизатором — азотом от СПВП в двигательный (межбаковый) отсек ДУ для предотвращения нештатных ситуаций. При этом процесс проведения опасных операций заправки и испытания сопровождается продувкой полостей отсеков ДУ и межбакового отсека флегматизирующим газом (смесью ингибитора с газообразным азотом) от СПВП, включаемых по показаниям сигнализаторов опасных накоплений водорода (или метана).

выводы

Таким образом, при подготовке испытательных стендов к предстоящим стендовым испытаниям следует отметить, что вопросы обеспечения безопасности работ:

• •    ракетных блоков с двигателями РД-171МВ и РД-180МВ на традиционной топливной паре кислород–керосин (РН «Союз-5» и Союз-6») практически решены;

• •    ступеней ракетных блоков типа «Амур-СПГ» на топливной паре кислород– СПГ и кислородно-водородной ступени РН «Ангара-А5В» требуют применения более эффективных систем пожаро-взрывопредупреждения с подсистемами диагностики (с менее инерционными оптоволоконными датчиками на основе оптоволоконной техники и гибридных технологий для контроля опасных концентраций взрывоопасных газов) и с подсистемами аварийной защиты с применением ингибиторов для предотвращения взрыва выбросов (утечек) взрывоопасных газов (водорода и метана) из топливных систем ДУ при нештатных ситуациях.