Работы АО УНПП «Молния» по созданию электрических систем зажигания ЖРД, использующих несамовоспламеняющиеся компоненты топлива

Уже более 80 лет АО УНПП «Молния» является основным российским предприятием, занимающимся разработкой и изготовлением систем зажигания (СЗ) для авиационных двигателей. Разработанные АО УНПП «Молния» СЗ используются практически на всех воздушных судах, созданных в стране за эти годы. Предприятием созданы и изготавливаются СЗ промышленных газотурбинных установок, используемых для привода газоперекачивающих агрегатов, электростанций, нагнетателей газа, генераторов водяного пара и нейтрального газа, в т. ч. ёмкостные, плазменно-струйные системы зажигания во взрывозащищённом исполнении.

В последние годы опыт АО УНПП «Молния» был востребован и отечественными разработчиками морских судовых двигателей ПАО «ОДК-Сатурн». Достигнутая на сегодняшний день наработка СЗ только на промышленных газотурбинных установках значительно превышает 56 млн ч [1]. С 1960-х гг. АО УНПП «Молния» привлекается и к разработке СЗ для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих на несамовоспламеняющихся топливных компонентах — кислородно-водородных и кислороднокеросиновых двигателей.

Экологическая чистота этих топливных пар определяет перспективу их применения для вновь создаваемых ЖРД различного назначения. Актуальной остаётся и проблема обеспечения многоразовости применения таких двигателей — обеспечение их многократного запуска для контроля качества изготовления, в процессе штатного применения, а также при повторном использовании после выполнения комплекса восстановительных работ.

Выбор СЗ для цепей воспламенения компонентов топлива для таких ЖРД представляется для их разработчиков достаточно непростой задачей, что определяется:

• •    желанием сосредоточить все работы по СЗ на своём предприятии, исключив известные издержки выполнения работ по кооперации с другими разработчиками и изготовителями систем зажигания;

• •    отсутствием информации об имеющемся опыте использования электрических СЗ в составе ЖРД различного назначения.

Зарубежные производители ЖРД, прежде всего в США, с самого начала использования кислородно-водородных двигателей, таких как J2 , RL10 , RS25 ( SSME ) [2] и других двигателей, используют электрические СЗ. «Детские болезни» отработки запуска ЖРД с использованием электрических СЗ как в наземных условиях, так и в условиях низкого давления окружающей среды пройдены разработчиками этих двигателей ещё в далекие 1960-е гг. [3].

Представляется целесообразным обобщение имеющегося в отечественной практике опыта применения электрических СЗ для запуска ЖРД различного назначения, возможностей их использования в новых перспективных ЖРД с учётом возрастающих требований к показателям их надёжности, стойкости к воздействию ионизирующих излучений космического пространства (ИИКП), обеспечения взрывозащищённости, имеющихся тенденций повышения давления в камере сгорания маршевых ЖРД, стремление разработчиков двигателей исключить использование пусковых воспламенителей (запальных устройств) с дополняющей их пневмогидравлической аппаратурой управления, автоматикой — трубопроводов подвода компонентов топлива, клапанов, датчиков температуры или давления для контроля воспламенения компонентов топлива.

Ниже представлены результаты разработки электрических СЗ для ЖРД, которые вышли на этап стендовых огневых и лётных испытаний, в т. ч. СЗ, освоенных серийным производством.

Система зажигания кислородно-водородного двигателя рд0120

Ёмкостная система зажигания двигателя РД0120 [4] разрабатывалась по техническому заданию (ТЗ) АО КБХА (г. Воронеж) в 1976…1987 гг. и предназначалась для воспламенения компонентов топлива в запальных устройствах газогенератора (ЗУГГ) и запальных устройствах камеры сгорания (ЗУКС).

В состав СЗ (рис. 1) входили четырёхканальный агрегат зажигания СК-44-ЗБ и четыре свечи зажигания СЭ-31Б кл. П2В, которые были заменены на этапе лётных испытаний на свечи зажигания СЭ-31Б кл. А. Высоковольтные провода зажигания, соединяющие агрегат зажигания со свечами зажигания, разрабатывались АО КБХА и серийно производились Воронежским механическим заводом. Агрегат зажигания СК-44-ЗБ после завершения его разработки серийно производился АО «УАПО», а изготовление свечей зажигания было сохранено за УНПП «Молния».

а)

б)

Рис. 1. Система зажигания двигателя РД0120: а — агрегат зажигания СК-44-3Б, б — свеча зажигания СЭ-31 кл. П2В (фотографии сделаны авторами)

Для запуска ЗУГГ и ЗУКС применялось по два канала СЗ. Дублирование каналов СЗ в ЗУГГ и ЗУКС обеспечивало надёжное воспламенение компонентов топлива во всём диапазоне их запуска от любого из каналов системы зажигания, подключенного к данному запальному устройству (ЗУ). Такое построение СЗ повышало надёжность системы запуска двигателей, исключало приостановку запусков двигателя на этапе стендовой отработки при отказе одного канала СЗ или нестабильной работе электроплаз-менных устройств, в которые устанавливались свечи зажигания, что сокращало затраты времени и затраты, связанные с остановкой запуска двигателя.

Основные параметры и характеристики СЗ двигателя РД0120 представлены в табл. 1 (см. с. 66).

В процессе выполнения разработки СЗ двигателя были решены вопросы:

• •    выбора выходного напряжения агрегата зажигания, величины искрового промежутка свечи зажигания, обеспечи-

• вающих в условиях электроплазменного устройства бесперебойное искрообразо-вание в условиях, определяемых циклограммой подачи топливных компонентов — температурой в зоне искрового зазора свечи до -250 °С и давлением компонентов до 9 МПа;

• •    выбора минимально необходимых коммутируемой на свечу зажигания энергии и частоты следования искровых разрядов на свечи зажигания для надёжного, с допустимой задержкой, воспламенения компонентов топлива в ЗУГГ и ЗУКС;

• •    обеспечения герметичности свечей зажигания при воздействии температуры компонентов топлива в зоне рабочего торца от -250 до +700°С; до +250°С — в зоне установочной резьбы при воздействии давления компонентов топлива до 52 МПа при ограниченных осевых габаритах свечей зажигания.

Высокое значение энергии, запасаемой в агрегате зажигания (см. табл. 1, с. 66), было обусловлено особенностями первоначального построения схемы электро-плазменного устройства ЗУКС и ЗУГГ и подачи компонентов топлива в зону генерируемой плазменной струи. Проведённый АО КБХА в процессе опытноконструкторской работы (ОКР) комплекс работ по оптимизации конструкции электроплазменного устройства

ЗУКС и ЗУГГ обеспечил уменьшение минимального значения энергии, достаточного для надёжного воспламенения топлива — менее 0,3 Дж.

Учитывая необходимость сокращения затрат, в т. ч. временных, завершённость ОКР по агрегату зажигания СК-44-ЗБ на тот период отработки двигателя РД0120, было принято решение о сохранении в составе двигателя именно этого агрегата зажигания.

В соответствии с требованиями ТЗ на разработку СЗ в целях обеспечения взрывозащищённости конструкции агрегата зажигания, высоковольтных проводов зажигания и свечей зажигания, через их внутренний объём обеспечивалась без создания застойных зон продувка азота, который выбрасывался в окружающую среду через специальное отверстие в экранной части корпусов свечей зажигания.

Совокупность завышенных требований по накопленной энергии (применения по этой причине высоковольтных конденсаторов К75-15-5 кВ, имеющих значительные массу и габариты), требований по обеспечению продувки внутреннего объёма агрегата зажигания азотом без образования застойных зон в целях обеспечения взрывозащи-щённости, требований по применению только электрорадиоизделий (ЭРИ) категории качества «ОС» (достаточно ограниченной номенклатуры), имеющихся в производстве на момент начала разработки в СССР, повышенный уровень фактически имеющихся на двигателе виброперегрузок привели к тому, что агрегат зажигания СК-44-ЗБ имел высокую массу и большие габариты по сравнению с агрегатами зажигания, применяемыми в составе авиационных газотурбинных двигателей и промышленных газотурбинных установок.

Наиболее сложной проблемой в процессе разработки СЗ двигателя РД0120 была задача обеспечения требований по герметичности свечей зажигания. Габаритные размеры свечей зажигания были ограничены. В зоне возможного размещения узла герметизации свечи (между центральным электродом и керамическим изолятором, между этим керамическим изолятором и корпусом), на рабочем торце свечи в искровом зазоре, изоляция которого формировалась основным керамическим изолятором, имели место значительные изменения температуры. На рабочем торце и рабочей цилиндрической части свечи зажигания после открытия клапана горючего температура изменялась от температуры окружающей среды до температуры жидкого водорода менее чем за 0,25 с, а после открытия клапана окислителя и воспламенения компонентов топлива за 0,25 с температура повышалась до 700 °С, а затем в течение ~60 с повторно уменьшалась до температуры жидкого водорода. В то же время в зоне монтажной резьбы свечи зажигания, обеспечивающей её монтаж в ЗУГГ и ЗУКС, температура свечи в течение 60–130 с после запуска повышалась до 150 °С.

Сложность отработки узла герметизации свечи зажигания для таких условий определялась также и невозможностью воспроизводства в автономных условиях такого изменения температуры, необходимостью проведения основной доли подтверждающих разрабатываемые мероприятия испытаний в составе ЗУ или двигателя. В процессе разработки свечей зажигания апробировались узлы герметизации с металлокерамическими паяными соединениями, торцевой стеклогермети-зацией, комбинированные узлы герметизации. Учитывая различное давление в ЗУГГ и ЗУКС (см. табл. 1, с. 66), было установлено, что свечи зажигания СЭ-31Б кл. П2В с металлокерамическим узлом герметизации удовлетворяют условиям работы в ЗУКС, а свечи зажигания СЭ-31Б кл. А с комбинированным узлом герметизации — в ЗУГГ. В целях унификации используемых свечей зажигания в комплектовку двигателя на этапе лётных испытаний были введены свечи зажигания СЭ-31Б кл. А, а работы по повышению их надёжности были продолжены.

В процессе разработки свечей зажигания специалистами УНПП «Молния» исследовалась динамика пространственного развития трещин в керамических изоляторах, спаях стеклогерметика с корпусом свечей зажигания в зависимости от температурных условий их использования, были определены ограничения ресурса свечей зажигания по количеству запусков ЗУ.

В результате работ было показано, что ресурс свечей зажигания в ЗУКС и ЗУГГ двигателя РД0120 имеет огра- ничения, а ресурс агрегата зажигания многократно превышает перспективные ресурсы двигателя РД0120 и может быть доведён до 6 000 включений по 30 с.

В результате совместной с АО КБХА отработки СЗ были обеспечены без зачётных отказов все виды стендовых испытаний двигателя. Система зажигания в составе двигателя РД0120 прошла все виды технологической и конструкторской отработки, и в составе двигателя сертифицирована на ресурс 1 600 с и пять запусков, обеспечив остаточную вероятность безотказной работы Р = 0,992 при доверительной вероятности γ = 0,9 [5].

Система зажигания успешно обеспечила огневые испытания 12 двигателей РД0120 в составе РН «Энергия», в т. ч. четырёх двигателей РД0120 при наземных испытаниях, восьми двигателей — в процессе лётных испытаний.

При создании СЗ двигателя РД0120 УНПП «Молния» активно сотрудничало с АО КБХА (г. Воронеж), ГИПХ (г. Санкт-Петербург), ЦИАМ (г. Москва), ГКП «НИЦ РКП» (г. Пересвет), РКК «Энергия» (г. Королёв), другими предприятиями Министерства общего машиностроения. УНПП «Молния» был приобретён опыт совместной работы по решению комп- лексных задач, возникающих при разработке аппаратуры для двигательных установок ракетно-космических систем.

В период разработки СЗ для двигателей РД0120 и при развитии этой работы на УНПП «Молния» был создан следующий технический задел:

• •    по перспективной методике контроля электроплазменных СЗ — обеспечивается контроль наличия непосредственно плазменной струи с параметрами, обеспечивающими воспламенение компонентов топлива;

• •    по оптимизации параметров разрядного контура ёмкостных СЗ со свечами, устанавливаемыми в электроплаз-менные устройства — обеспечивается уменьшение накопленной энергии и расширение диапазона воспламенения компонентов топлива;

• •    по созданию свечей зажигания, стойких к воздействию повышенного давления до 100 МПа.

Результаты работ по созданию СЗ двигателя РД0120 и созданный при этом технический задел оказались востребованными при создании электрической СЗ для двигателей РД0146, РД0146Д; в ряде авиационных агрегатов зажигания, разработанных УНПП «Молния» в период 1991–2005 гг.; при создании свечей зажигания для двигателей ПС-90А таких воздушных судов, как Ил-96-300,  Ту-204,  Ту-214, Ил-76МФ,

Ил-476, их модификаций и др.

Агрегаты зажигания СК-44-ЗБ, свечи зажигания СЭ-31Б кл. П2В, СЭ-31Б кл. А, полученные АО КБХА в период разработки двигателя РД0120, до настоящего времени успешно используются при проведении экспериментальных работ с двигателями, использующими несамовоспламеняющиеся компоненты топлива.

Агрегаты зажигания СК-44-ЗБ, свечи зажигания СЭ-31Б кл. П2В также применялись в составе изделия 17Л10, используемого в составе стартового комплекса РН «Энергия» для дожигания несгоревшего топлива. За всё время применения агрегатов зажигания СК-44-ЗБ и свечей зажигания СЭ-31Б кл. П2В отказов СЗ в составе изделия 17Л10 зафиксировано не было.

Система зажигания кислородно-водородных двигателей семейства рд0146, рд0146д

В настоящее время для кислородноводородных разгонных блоков тяжёлого класса (КВТК), планируемых к использованию в составе ракеты-носителя (РН) «Ангара-А5», а также для верхних ступеней перспективных РН, АО КБХА разрабатывает семейство двигателей РД0146 [4]. С 2001 г. в АО КБХА начаты огневые стендовые испытания двигателя РД0146. Успешное проведение этих испытаний позволило подтвердить принятые конструктивнотехнологические решения, предложить использование двигателей РД0146 и РД0146Д отечественным и западным разработчиками РН [5]. С 2010 г. к работам по созданию СЗ для этих двигателей было подключено УНПП «Молния», которое по ТЗ АО КБХА приступило к разработке агрегата зажигания ПВФ-11-03, кабеля зажигания КЗ-1-1, свечи зажигания СЭ-31-146 (рис. 2). Основные параметры СЗ представлены в табл. 1. Разработку СЗ для этих двигателей УНПП «Молния» проводит с учётом технического задела, полученного в процессе разработки и производства СЗ двигателя РД0120, опыта создания и серийного производства СЗ авиационных газотурбинных двигателей и промышленных газотурбинных установок, в т. ч. во взрывозащищённом исполнении. В процессе технического проектирования СЗ УНПП «Молния» совместно с АО КБХА были выполнены работы (с использованием специального макета СЗ) по подтверждению достаточности заданных в ТЗ параметров, необходимых для надёжного воспламенения компонентов топлива в ЗУ: запасаемой для коммутации на свечу зажигания энергии, минимально допустимой частоты следования искровых разрядов на свечах зажигания, минимально допустимого выходного напряжения агрегата зажигания.

Рис. 2. Система зажигания двигателей РД0146, РД0146Д: 1 — агрегат зажигания ПВФ-11-0; 2 — кабель зажигания КЗ-1-1; 3 — свеча зажигания СЭ-31-146 (фотография сделана авторами)

Таблица 1

Параметры	Система зажигания двигателя РД0120	Система зажигания двигателя РД0146Д
Компоненты топлива	Жидкий водород и жидкий кислород	Жидкий водород и жидкий кислород
Рабочее давление окружающей среды, Па (мм рт. ст.)	От 0,95·105 до 1,05·105 (от 720 до 780)	От 1,33·10–7 до 1,05·105 (от 1,0·10–9 до 780)
Рабочая температура окружающей среды, ° С	От –60 до +60	От –60 до +87
Запасаемая на накопительном конденсаторе энергия, Дж	Не менее 3,0	Не менее 0,3
Частота электрических разрядов на свече зажигания, Гц	Не менее 4,5	Не менее 30 (фактически 50–60 Гц)
Рабочая температура в зоне рабочего торца свечи зажигания, ° С	От –60 до +2501)	От –173 до +87
Диапазон давлений в зоне рабочего торца свечи зажигания при искрообразовании, Па	—	От 1,33·10–7 до 4,1·106
Предельное повышенное давление в зоне рабочего торца свечи, Па (кгс/см2)	60,8·106 (600)	8,6·106 (85)
Назначенный ресурс по ТЗ, с	2600	3200 (12 включений)2)
Потребляемая мощность, Вт	75 на 1 канал зажигания	100
Количество независимых каналов	4	1
Наличие встроенной системы контроля	Контроль параметров: •    превышения фактической частоты искрообразования над минимально допустимой по ТУ; •    соответствия поданного напряжения питания требованиям ТУ	Контроль превышения параметров: •    фактической частоты искрообразования над минимально допустимой по ТУ; •    фактической накопленной энергии над минимально допустимой по ТУ.
Наличие встроенного фильтра помех, генерируемых по цепям питания	Есть	Есть
Масса системы зажигания, кг: •    агрегат •    свеча •    кабель	Не более 13 Не более 0,12 —	Не более 1,85 Не более 0,12 Не более 0,27

Сравнительная таблица параметров систем зажигания двигателей рд0120 и рд0146д