На испытательном комплексе воронежского КБХА впервые в России проведены успешные испытания лазерной системы поджига кислородно-водородного топлива жидкостного ракетного двигателя, сообщает научно- производственное объединение «Энергомаш». По словам главного конструктора КБХА Виктора Горохова, внедрение лазерной системы поджига в жидкостном ракетном двигателе «способствует снижению его массы, что всегда важно для ракетной техники, а также упрощает циклограмму запуска» силового агрегата. По мнению эксперта, протестированная технология «найдет применение в перспективных отечественных многоразовых ракетно-космических системах».

Всего было проведено три испытания, в ходе которых впервые поджиг кислородно-водородного топлива производился лазерной системой зажигания непосредственно в камере сгорания. Отмечается, что состояние материальной части после проведенных огневых испытаний удовлетворительное.

Работы выполнены в рамках сотрудничества КБХА с «Исследовательским центром Келдыша» в рамках опытно-конструкторской работы «Создание ракетных двигателей нового поколения и базовых элементов маршевых двигательных установок перспективных средств выведения». Решение о дальнейших работах будет принято после анализа полученной в ходе испытаний информации.

В июне 2018-го в «Энергомаше» заявили, что ракетные двигатели на метане перспективнее силовых агрегатов на керосине и США опережают Россию в создании таких установок. В апреле 2018-го в «Роскосмосе» отметили, что Россия единственная из космических держав не использует водород в качестве топлива в ракетных двигателях.

В январе 2016-го сообщалось, что «Роскосмос» планирует воссоздать российскую версию носителя «Зенит» с двигателем на метановом топливе. Финансирование разработки заложено в опытно-конструкторской работе «Двигательные установки средств выведения» Федеральной космической программы на 2016-2025 годы.

Справка:

Обычно при поджиге криогенных топлив применяют электроискровые свечи зажигания. Боковой заземленный электрод свечи зажигания  изогнут и имеет L-образную форму, будучи перпендикулярным к направлению осевого центрального электрода так, чтобы поперечное сечение разрядной части, так называемой «минифоркамеры», обращенной к осевому центральному электроду, было прямоугольным.

Когда возникает искровой разряд свечи зажигания, искра появляется между осевым центральным электродом  и концевой разрядной частью заземленного электрода, расположенной ниже осевого центрального электрода. Газовая смесь в искровом промежутке, сформированном этими электродами, воспламеняется за счет искры так, что сжатая газовая смесь воспламеняется сначала в «минифоркамере» между электродами, а потом горизонтально истекающий факел воспламеняет остальную ТВС. В обычных конструкциях высокое давление газа, вызванное воспламенением, может быть заблокировано концевой разрядной частью так, что эффект распространения горения на воздушно-топливную газовую смесь в камере сгорания является недостаточно хорошим. А запуск двигателя при отрицательных температурах вообще вызывает затруднение из-за охлаждения воспламеняющего факела от холодных металлических частей головки цилиндра.

Лазерные свечи имеют много преимуществ по сравнению с электроискровыми и обеспечивают полное сгорания топлива и многократное снижение выброса вредных вещств. В печати последнее время появились сведении об испытаниях лазерных свеч зажигания для жидкостных ракетных двигателей – ЖРД – [1 и 2]. Имеются сведения об успешном испытании лазерных свеч для двигателей внутреннего сгорания – ДВС в Японии [3] однако сведений о серийном изготовлении лазерных свеч зажигания нет. Очевидно,  технические трудности с созданием достаточно мощной свечи в габаритах стандартных электроискровых, защита от перегрева «начинки» лазерной свечи и предотвращение загрязнения оптики затрудняют их внедрение.

В России также ведутся работы по проектирования таких свеч зажигания  [4…6]. Автор статьи принял участи в разработке лазерных свеч зажигания как для ЖРД, так и для ДВС и далее описан один из наиболее интересных вариантов воспламенителя с форкамерой и лазерной свечей зажигания.

Воспламенитель содержит лазерную свечу зажигания 1, содержащую в свою очередь корпус 2 с полостью 3, в которой установлено оптическое окно 4 из кварцевого стекла, канал 4, в котором установлен преобразователь напряжения 6, соединенный проводом 7 с твердотельным лазером 8, который оптическим волокном 9 соединен с фокусирующей линзой 10. Лазерная свеча зажигания 1 ввернута в головку блока цилиндров 11.  Под лазерной свечой 1 выполнена форкамера 12, которая содержит днище 13 с выходными отверстиями 14. В форкамере 12 на держателе 15 установлена мишень 16.

Фокамера 12 отделена от лазерной свечи 1 шайбой 17 с центральным отверстием 18, которое сообщает форкамеру 12 с защитной полостью 19, предназначенной для защиты оптического окна 4 от прямого воздействия продуктов сгорания в форкамере 12. Центральное отверстие 18 предназначено для прохождения луча лазера 20 от фокусирующей линзы 10.

Держатель 15 может быть выполнен в виде конуса 20 установленного на днище 13 (рис. 2), или цилиндра 2,1 также установленного вдоль оси воспламенителя на днище 13 форкамеры 12 (фиг. 3) или в виде пластины 22, установленной перпендикулярно оси воспламенителя со сквозными отверстиями 24 для прохождения продуктов сгорания(фиг.4).

Блок согласования напряжения 6 электрически соединен с клеммным наконечником 25, который высоковольтным проводом 26 соединен с распределителем импульсов 27, который низковольтными проводами 28 соединен с источником энергии 29. Один низковольтный провод 29 соединен с массой 30 (заземлен).

Форкамера 12 может быть выполнена в виде  части шара, имеющего объем   половины геометрического объема шара. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены радиальными. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены цилиндрической формы. Выходные  отверстия 14 могут быть выполнены конической формы с расширением в сторону выхода. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены с перекрытием. Геометический центр мишени 16 О1 может быть выполнен совпадающим с геометрическим центром О2 форкамеры 12, выполненной в виде полусферы. Это способствует радиальному выходу продуктов сгорания из выходных отверстий 14 с минимальными потерями давления (рис. 5).

Выходные отверстия 14 могут быть выполнены радиально. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены цилиндрической формы. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены конической формы с расширением в сторону выхода (рис. 8).

Выходные отверстия 14 могут быть выполнены с перекрытием (рис. 9 и 10) для увеличения проницаемости днища 13 (степени перфорации).

На рис. 11 приведена схема фокусировки лазерного луча, на рис. 12 приведен вид С, первый вариант с фаской 31 на входе в выходные отверстия 14, на рис. 13 приведен вид С, второй вариант с фасками 32 на выходе из выходных отверстий 14, на рис. 14 приведен вид С, третий вариант  с радиусными скруглениями 33 на входе в выходные отверстия 14, на фиг. 15 приведен вид С, четвертый вариант с радиусными скруглениями 34 на выходе их выходных отверстий 14. Фаски 31 и 32 и радиусные скругления 33 и 34 на входе и выходе выходных отверстий 14 снижают гидравлические потери факелов воспламенения при выходе из форкамеры 12, которое наблюдалось при внезапном сужении и внезапном расширении потока.

Работа устройства

При работе воспламенителя, например в составе ДВС (рис. 1…15), в состав которого входит воспламенитель, после впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 14 попадает в форкамеру 12. В момент опережения зажигания распределитель 27 подает потенциал на блок преобразования напряжения 6 и далее на твердотельный лазер 8, который генерирует луч лазера 20. Луч лазера 20 практически мгновенно подогревает мишень 16 из-за ее малых габаритов. ТВС находящаяся в контакте с поверхность мишени воспламеняется и фронт пламени в виде шара радиально идет до выходных отверстий 14 и выходит из них. В верхней части форкамеры 12 из-за наличия на мишени 16 плоской поверхности 15 фронт пламени идет как указано стрелкой 26 и не попадает в центральное отверстие 18 шайбы 17, не забивает отверстие продуктами неполного сгорания и защищает оптику.

В цикле «рабочий ход»  продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру,  с огромной скоростью выбрасываются из форкамеры 12 в полость камеры сгорания цилиндра ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней. При этом, за счет того, что общая площадь выходных отверстий 12 больше, чем площадь поперечного сечения форкамеры 12 выходные отверстия 14 не дросселируют поток ТВС при его поступлении в форкамеру 12 и в камеру воспламенения. Вследствие этого заряд ТВС в форкамере 12  возрастает. В цикле рабочий ход  из-за большей общей площади выходных отверстий 12 по сравнению с прототипом мощность воспламеняющего факела возрастает.

Сферическая форма днища (в виде полушара)  позволяет разместить на нем максимально количество отверстий при минимальном выступании форкамеры 12 внутрь цилиндра ДВС. Кроме того, на сферической поверхности можно расположить выходные отверстия 14 под любым углом к оси форкамеры 12. Предпочтительно – радиально. При этом геометрические центры сфер, образующих форкамеру 12 и мишень 16 должны совпадать, тогда движение фронта пламени внутри форкамеры 12 будет строго радиальным. Применение фасок 31 и 32 или радиусных скруглений 33 и 34 значительно (на порядок) уменьшит потери давления факелов воспламенения, выходящих их выходных отверстий (из-за отсутствия внезапного расширения и сужения).

Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности при малой мощности твердотельного лазера 6 (фиг. 1). Также этот подход может быть применен на двигателях, работающих на криогенных топливах: водороде и сжиженном природном газе. Для воспламенения криогенного топлива, имеющего очень низкую температуру, не понадобится значительно увеличивать мощность свечи зажигания. Особенно хорошо этот  эффект будет проявляться на двигателях большой мощности и на двигателях работающих на природном газе.

В итоге применение лазерной свечи зажигания с форкамерой позволит:

1. Уменьшить осевые габаритные размеры воспламенителя.
2. Упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении свечи зажигания и форкамеры.
3. Увеличить мощность воспламенителя за счет снижении аэродинамических потерь в выходных отверстиях за счет:

 – выполнения форкамеры и мишени сферическими и совмещения их геометрических осей,

– выполнением выходных отверстий радиальными,

– выполнением на выходных отверстиях фасок или радиусных скруглений,

– выполнением на мишени со стороны падения луча лазера плоской поверхности, выполненной неперпендикулярно к продольной оси воспламенителя.Упростить конструкцию системы зажигания

4. Улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет воспламенении ТВС в малом объеме форкамеры.
5. Уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом форкамеры.
6. Снизить эмиссию вредных веществ, вследствие более полного сгорания топлива.
7. Увеличить ресурс работы свечи за счет предотвращения отложения копоти на ее оптике. Это достигнуто выполнение на мишени плоской наклонной поверхности неперпендикулярной продольной оси воспламенителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Болотин Н. Б., Цейтлин Д. М., Ребров С. Г. Заявитель ООО «Спектралазер». Пат. 2533262, Устройство для лазерного     воспламенения топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя. Опубл. 20.11.2014 г.
2. Болотин Н. Б., Цейтлин Д. М., Ребров С. Г. Заявитель ООО «Спектралазер». Пат. 2527500, Устройство для лазерного воспламенение топлива в газогенераторе жидкостного ракетного двигателя. Опубл. 10.09.2014 г.
3. http://content-bis.com.ru/lazernye-svechi-zazhiganiya-ot-yaponskix-inzhenerov.html Лазерные свечи зажигания от японских инженеров. 2012 г.
4. Болотин Н. Б. Пат. 2574191 «Воспламенитель двигателя внутреннего сгорания», опубл. 10.02.2016 г.
5. Болотин Н. Б. Пат. 2576099 «Двигатель внутреннего сгорания» опубл. 27.02.2016 г.
6. Болотин Н. Б. Пат. 2576088 «Двигатель внутреннего сгорания и воспламенитель»,  опубл. 27.02.2016 г.

Источники: http://i-r.ru/, https://lenta.ru/