Об опыте разработки в АО «НИИМАШ» перспективных ракетных двигателей малой тяги на экологически безопасных компонентах топлива

Одним из активно развивающихся направлений техники в мире на сегодняшний день является создание многоразовых средств выведения полезной нагрузки на орбиты. Это обусловлено стремлением к снижению стоимости, наращиванию темпов и повышению надёжности запусков. Поэтому создание многоразовых систем — актуальная задача, которая стоит перед разработчиками ракетно-космической техники.

В качестве исполнительных устройств реактивных систем управления космических аппаратов широко применяются жидкостные ракетные двигатели малой тяги (РДМТ). Эти двигатели используют высокотоксичные компоненты топлива (КТ), такие как производные гидразина (горючие) и смеси на базе азотного тетраоксида (окислители) [1]. Однако, несмотря на этот существенный недостаток, выбор в пользу таких КТ обусловлен простотой обеспечения их длительного хранения, так как они являются высококипящими жидкостями. Кроме того, эти КТ обладают свойством само-реагирования при контакте, что исключает необходимость использования запального устройства. Также следует отметить, что накопленная значительная теоретическая и методическая база позволяет разрабатывать новые высокоэффективные РДМТ на основе этих КТ.

Впервые требования к экологической безопасности КТ ракетных двигательных установок возникли при разработке многоразового орбитального корабля «Буран». Токсичность не допускалась, поскольку требовалось межполётное обслуживание. В обеспечение указанных требований, в АО «НИИМаш» в 1980-х гг. был разработан РДМТ 17Д16 [2] тягой 196 Н на топливе «газообразный кислород + углеводородное горючее», входящий в состав объединённой двигательной установки 17Д11.

В АО «НИИМаш», начиная с 1970-х гг., ведутся работы по созданию перспективных РДМТ на экологически безопасных компонентах топлива («кислород + жидкие углеводородные горючие», «кислород + этиловый спирт», «кислород + водород» и «кислород + метан»). Для достижения высоких динамических характеристик криогенные компоненты топлива (кислород, метан, водород) подаются в двигатель в газифицированном виде. Исследования процессов в РДМТ на экологически безопасных топливных парах непрерывно продолжаются в АО «НИИМаш» и по сегодняшний день [3–6]. Далее представлены обобщённые результаты проводимых в АО «НИИМаш» разработок за период 2016–2024 гг.

РДМТ на КТ «кислород (газ) + нафтил»

РДМТ тягой 25 Н, работающий на компонентах топлива «кислород (газ) + нафтил», разрабатывается в АО «НИИМаш» с 2016 г. для использования в составе двигательной установки реактивной системы управления перспективного кислородно-углеводородного разгонного блока [4]. На рис. 1 представлен вариант РДМТ с соплом из нержавеющей стали.

В 2022 г. был завершён первый этап доводочных испытаний. По результатам огневых пусков подтверждено максимальное время одного включения 600 с, суммарная продолжительность всех включений 2 400 с и суммарное количество включений — 1 000. Отработка на этом этапе проводилась как в земных, так

Рис. 1. Ракетный двигатель малой тяги на компонентах топлива «кислород (газ) + нафтил»: 1 — агрегат зажигания КН-11Б (высоковольтный блок); 2 — смесительная головка; 3 — клапан подачи окислителя; 4 — стабилизатор расхода окислителя; 5 — сопло; 6 — стабилизатор расхода горючего; 7 — клапан подачи горючего; 8 — датчик температуры (рисунок создан авторами)

и в высотных условиях. Для создания условий, близких к эксплуатационным, была выполнена модернизация огневого стенда. Высотные условия обеспечивались при помощи газоэжекторной установки, которая создавала начальное давление на срезе сопла в момент запуска двигателя порядка 18 мм рт. ст. (2 400 Па), а после запуска газодинамической трубы давление поддерживалось на уровне 4 мм рт. ст. (533 Па).

Опытные образцы двигателя с соплом из сплава Нб5В2МЦ с нанесённым покрытием из дисилицида молибдена подтвердили требуемый огневой ресурс при температуре наружной поверхности сопла на уровне 1 300 °С (рис. 2).

а)                                                       б)

Рис. 2. Огневая работа ракетного двигателя малой тяги c соплом из Нб5В2МЦ тягой 25 Н в высотных условиях: а — кадр с камеры видеофиксации; б — термоизображение (рисунки созданы авторами)

Основные характеристики РДМТ тягой 25 Н на КТ «кислород (газ) + нафтил»:

номинальная тяга                  25 Н;

номинальный удельный импульс тяги в непрерывном режиме          2 900 м/с;

рабочее давление на входе в двигатель:

– горючее             1,01…1,73 МПа;

– окислитель          1,42…1,62 МПа;

ресурсные характеристики:

– максимальная длительность одного включения               600 с;

– суммарная продолжительность всех включений                 2 400 с;

– суммарное количество включений                     1 000;

геометрическая степень расширения сопла                   130;

рабочее напряжение:

• –    электроклапаны             27±7 В;

• –    агрегат зажигания            27±7 В;

масса (без агрегата зажигания)                 не более 1,3 кг.

Работы по совершенствованию схемы смесеобразования двигателя на КТ «кислород (газ) + нафтил» были продолжены в 2023 г. за счёт собственных средств АО «НИИМаш». Экспериментальный образец получил обозначение 100Э1089 (рис. 3).

На рабочем месте в научно-испытательном комплексе 101 АО «НИИМаш» (рис. 4) было проведено несколько

Рис. 3. Ракетный двигатель малой тяги 100Э1089 (фотография сделана авторами)

огневых пусков двигателя 100Э1089 в земных условиях. Охлаждение огневой стенки в экспериментальном образце осуществлялось двумя способами:

• 1)    подачей газообразного кислорода через тангенциальные каналы на огневую стенку камеры;

• 2)    подачей воды в контур охлаждения.

С целью сохранения матчасти входные давления компонентов топлива подбирались таким образом, чтобы гарантированно обеспечить избыток окислителя.

а)

б)

Рис. 4. Рабочее место для проведения испытаний двигателя в земных условиях с измерением тяги: а — вид с улицы; б — вид из огневого бокса (фотографии сделаны авторами)

В РДМТ, когда хотя бы один из компонентов топлива подаётся в газообразном состоянии, достаточно затруднительно проводить оценку эффективности рабочего процесса по расходному комплексу путём измерения давления в камере сгорания p _КС [6]. Это связано с тем, что газ в камеру сгорания подаётся с тангенциальной составляющей скорости ~100 м/с, и значения давления на периферийных и осевых участках существенно отличаются. Поэтому есть необходимость в прямом измерении тяги для определения энергетических характеристик двигателя.

Для обеспечения возможности измерения тяги в земных условиях на двигатель было установлено сопло с геометрической степенью расширения F = 1,3, что гарантировало безотрывное течение продуктов сгорания в сверхзвуковой части сопла.

Удельный импульс тяги в пустоте определялся как

P

I = п , уд.п G + G ог где Gо и Gг — массовые расходы окислителя и горючего соответственно; Pп — пустотная тяга.

Выражение для пустотной тяги выглядит следующим образом:

Pп = Pизм + pнFa, где Pизм — измеренная тяга; pн — давление окружающей среды; Fa — площадь среза сопла.

Эффективность работы камеры двигателя оценивалась по коэффициенту удельного импульса тяги:

I уд.п

^{ϕ I =} I ^т уд.п ^.

В этом выражении значения теоретического удельного импульса тяги в пустоте I ^т_уд.п были получены по результатам термодинамического расчёта.

В таблице приведены параметры, определённые по результатам огневых пусков изделия 100Э1089. На рис. 5 показан огневой пуск двигателя 100Э1089.

Рис. 5. Огневой пуск двигателя 100Э1089 (фотография сделана авторами)

Судя по величине коэффициента удельного импульса тяги ϕ _I = 0,93…0,96, была достигнута достаточно высокая эффективность внутрикамерного процесса для двигателей данного класса.

Результаты огневых пусков РДМТ 100Э1089

№ п/п	τ вкл, с	p КС, МПа	G о, кг/с	G г, кг/с	km ( α ок)	P изм, Н	P п , Н	I уд.п, м/с	I т уд.п, м/с	ϕ I
1	6	0,34	0,00675	0,001460	4,62 (1,36)	12,42	16,32	1987,8	2148,4	0,93
2	6	0,44	0,00710	0,001498	4,74 (1,39)	13,88	17,78	2 067,9	2147,4	0,96
3	6	0,48	0,00733	0,001487	4,93 (1,45)	13,81	17,71	2 009,1	2133,7	0,94
4	15	0,45	0,00692	0,001530	4,52 (1,33)	13,78	17,68	2 092,3	2168,9	0,96

Примечание . τ_вкл — время работы двигателя; p _КС— давление в камере сгорания; G _о и G _г — массовые расходы окислителя и горючего соответственно; k_m — массовое соотношение компонентов топлива; α_ок — коэффициент избытка окислителя; P _изм — измеренная тяга; P _п — пустотная тяга; I _уд.п — удельный импульс тяги в пустоте; I ^т _уд.п — теоретический удельный импульс тяги в пустоте; ϕ _I — коэффициент удельного импульса тяги.

РДМТ на КТ«кислород (газ) + этиловый спирт»

Конструкторские и схемные решения, опробованные на камере РДМТ тягой 25 Н на КТ «кислород (газ) + нафтил», стали базовыми при разработке камеры 25Д19 (рис. 6) тягой 100 Н для работы на топливной паре «кислород (газ) + этиловый спирт». Огневые испытания экспериментальных образцов 25Д19 проводились на стенде ЮжноУральского государственного университета (ЮУрГУ) в г. Челябинске.

а)

б)

Рис. 6. Экспериментальный образец камеры 25Д19 (а) и её огневой пуск (б) (фотографии сделаны авторами)

Отработанные конструкторские решения на камере 25Д19 позволили на производственной базе ЮУрГУ изготовить десятки двигателей для использования в составе макета-демонстратора двигательной установки (рис. 7) с центральным телом многоразовой ракеты-носителя [5].

а)

б)

Рис. 7. Макет-демонстратор двигательной установки с центральным телом (а) и огневой пуск (б) (фотографии сделаны авторами)

Огневые пуски макета-демонстратора двигательной установки с центральным телом, работающей на топливной паре «кислород (газ) + этиловый спирт», проводились на площадке научно-испытательного комплекса 301 АО «НИИМаш».

РДМТ на КТ «кислород (газ) + метан (газ)» и «кислород (газ) + водород (газ)»

В настоящее время разработка новых РДМТ основывается на традиционных технологиях, включающих в себя операции механической обработки и создания неразъёмных соединений (сварки, пайки). Применение аддитивных технологий позволит существенно ускорить отработку схемы смесеобразования, обеспечивающей требуемые энергетические характеристики при удовлетворительном тепловом состоянии РДМТ, уменьшить стоимость и сроки изготовления, а также снизить влияние кадрового голода на производство изделий.

Существует множество различных видов аддитивного производства металлических деталей. При изготовлении РДМТ необходимо учитывать конструктивные особенности смесительных элементов, среди которых, например, сложнопрофильные каналы и малоразмерные отверстия. Поэтому выбор методов в данном случае достаточно ограничен.

К привлекательным по своим возможностям можно отнести технологию Selective Laser Melting — селективное лазерное сплавление (СЛС). По этой технологии порошковый материал наносится на подложку, а лазер избирательно и послойно сплавляет порошок путём сканирования поперечного сечения, сгенерированного из 3 D -модели.

Основные элементы камер двигателей тягой 10, 100 и 250 Н (рис. 8), работающих на КТ «кислород (газ) + метан (газ)» и «кислород (газ) + водород (газ)», были изготовлены методом СЛС из металлопорошковой композиции сплава 316 L . Для зажигания несамовоспламеняющихся топливных композиций в указанных камерах использовались доработанные свечи, первоначально применяемые в двигателях внутреннего сгорания.

Экспериментальные исследования проводились в земных условиях на рабочем месте в Южно-Уральском государственном университете в 2024 г. Было осуществлено 13 пусков камеры 100Э1097 тягой 10 Н на топливной паре «кислород (газ) + метан (газ)» длительностью 2…12 с (рис. 9). В процессе запуска пропусков воспламенения не наблюдалось. На первых кратковременных режимах были замечены характерные вылеты из сопла твёрдых частиц, разогретых до температуры плавления.

а)                                           б)                                    в)

Рис. 8. Основные элементы камер ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), работающих на компонентах топлива «кислород (газ) + метан (газ)» и «кислород (газ) + водород (газ)»: а — РДМТ тягой 10 Н (100Э1097); б — тягой 100 Н (100Э1095); в — тягой 250 Н (100Э1096) (фотографии сделаны авторами)

Это объясняется особенностями технологии изготовления, когда на внутренних поверхностях остаются плохо припёкшиеся мелкодисперсные фракции, отделяющиеся при воздействии на них с большой скоростью разогретого потока продуктов сгорания. После проведения более длительных прожигов данный эффект не наблюдался.

Рис. 9. Огневой пуск камеры 100Э1097 тягой 10 Н (фотография сделана авторами)

Основными задачами исследования камеры 100Э1097 в данном случае являлись следующие:

• •    подтверждение работоспособности конструкции, изготовленной методом СЛС;

• •    отработка процессов воспламенения;

• •    визуальная оценка теплового состояния наружной поверхности сопла.

В камере РДМТ 100Э1095 тягой 100 Н смесительные головка, соединительное кольцо и сопло с рубашкой регенеративного охлаждения были напечатаны с последующим проведением доводочных операций и сборкой. При этом точность изготовления обеспечила получение отверстий подачи горючего диаметром 0,5 мм. Результаты успешных огневых испытаний позволили сделать вывод о том, что современный уровень аддитивных технологий даёт возможность изготавливать камеры РДМТ с аналогичными конструктивными параметрами в виде единой детали при минимальном количестве доводочных операций.

Всего было проведено 10 пусков камеры 100Э1095 тягой 100 Н (рис. 10) длительностью 2…4 с в диапазоне коэффициента избытка окислителя для пары «кислород (газ) + метан (газ)» 0,25…0,34 и пары «кислород (газ) + водород (газ)» — 0,27...0,50. В процессе испытаний были отработаны режимы, на которых осуществлялось стабильное воспламенение. Несмотря на то, что при использовании в качестве горючего газообразного метана было достигнуто практически предельное для двигателей подобного класса значение коэффициента удельного импульса тяги 0,96, при работе на газообразном водороде максимальная величина ϕ _I составила 0,71. Полученные результаты требуют проведения дополнительных исследований.

Рис. 10. Огневой пуск камеры ракетного двигателя малой тяги 100Э1095 тягой 100 Н (фотография сделана авторами)

С двумя экземплярами камеры 100Э1096 тягой 250 Н в общей сложности было проведено семь огневых пусков на КТ «кислород (газ) + метан (газ)». Особенностью схемы организации рабочего процесса является то, что горючее и окислитель подаются в ядро потока через двухкомпонентную струйно-центробежную форсунку с внутренним смешением. Во время пуска длительностью 3 с при α_ок = 0,29 начался эрозионный унос материала в области огневого днища (рис. 11). По всей видимости внутри форсунок достигались соотношение горючего и окислителя, близкое к стехиометрическому, и, соответственно, высокая температура горения, которая превышала температуру плавления выбранного материала. Причинами реализации таких режимов могут быть как низкие скорости окислителя и горючего, недостаточные для стабилизации пламени за областью форсунки, так и высокие скорости компонентов топлива, при которых во внутренней полости могли формироваться обратные токи. В то же время на пуске был достигнут коэффициент удельного импульса ϕ _I = 0,97. Это позволяет принять во внимание данную схему как перспективную с проведением дальнейших исследований после доработки форсуночных элементов и разработки мероприятий по организации эффективного охлаждения вблизи огневого днища.

На экземпляре № 2 камеры 100Э1096 были опробованы режимы «обратной» подачи компонентов топлива, на которых стендовые магистрали подвода горючего и окислителя менялись местами между собой. Однако такой подход не дал положительного влияния на удельные параметры (ϕ _I = 0,60…0,72), но при этом конструкция смесительной головки сохранила свою целостность.

На рис. 12 представлены зависимости коэффициента удельного импульса и удельного импульса тяги от коэффициента избытка окислителя для камер 100Э1095 тягой 100 Н [КТ «кислород (газ) + метан (газ)», «кислород (газ) + водород (газ)»] и 100Э1096 тягой 250 Н при «прямой» и «обратной» подаче топливной пары «кислород (газ) + метан (газ).

а)

б)

Рис. 11. Камера 100Э1096 тягой 250 Н: а — огневой пуск; б — смесительная головка после огневого пуска при α _ок = 0,29 (фотографии сделаны авторами)

Коэффициент избытка окислителя

а)

3000 р 2 500 §2 2 000 s 2 =s к 1500 Б = « и 1000 ч 5 £ £    500 ^> н
		ждА а
		X **
	о	X
	о
0	0,2      0,4     0,6     0,8     1,0 Коэффициент избытка окислителя

б)

Рис. 12. Результаты огневых пусков камер 100Э1095 тягой 100 Н и 100Э1096 тягой 250 Н: зависимость ко- эффициента удельного импульса (а) и удельного импульса тяги (б) от коэффициента избытка окислителя; × — 100 Н, метан; ▲ — 100 Н, водород; О — 250 Н, «прямая» подача;

• — 250 Н, «обратная» подача (рисунки созданы авторами)

Выводы

В АО «НИИМаш» накоплен значительный научно-технический задел по созданию перспективных РДМТ на экологически безопасных КТ. В данной статье приведены результаты ряда успешно выполненных научноисследовательских и опытно-конструкторских работ. Отдельно необходимо отметить применение аддитивных технологий, уровень развития которых позволяет с достаточной точностью изготавливать сложнопрофильные камеры РДМТ в виде единой детали, обеспечивая эффективное охлаждение конструкции при высокой полноте сгорания КТ.