Первый двигатель РД-171МВ для создаваемой российской ракеты среднего класса “Союз-5” (“Иртыш”) собран на “Энергомаше”. Тяга двигателя должна превысить 800 тонн. Это самый мощный ракетный двигатель в мире. Сейчас РД-171МВ готовят к огневым испытаниям, рассказал глава “Роскосмоса” Дмитрий Рогозин в своем Twitter. Первый двигатель для испытаний самой ракеты “Иртыш” ракетостроители получат в 2021 году. Двигатель для “Иртыша” – это модернизированная версия РД-171. Базовый двигатель РД-170/171 разрабатывался в Советском Союзе с 1976 по 1986 годы. Двигатели сертифицированы на десятикратное полетное использование. Модернизированные двигатели РД-171 и РД-180 могут быть использованы для создаваемой на основе “Союза-5” сверхтяжелой ракеты “Енисей” для полетов к Луне и Марсу.
Об этом в январе 2019 года рассказал гендиректор РКЦ “Прогресс” Дмитрий Баранов. Двигатели РД-180 были созданы на основе РД-170 в середине 1990-х годов. Позже они устанавливались на первых ступенях американских ракет-носителей Atlas. Их тяга примерно вдвое меньше, чем у создаваемого РД-171МВ.
История:
К началу работ над двигателями 11Д520 и 11Д521 НПО “Энергомаш” (прежние названия ОКБ-456 и КБ ЭМ) обладал опытом создания двигателей с высоким давлением в КС, построенных по замкнутой схеме и работавших на высококмпящих компонентах (AT и НДМГ).
В частности, для баллистических ракет были созданы двигатели 15Д119 (РД-263/264) тягой Pз=1040 кН (106 т) и давлением в КС 20.6 МПа, и 15Д168 (РД-268) тягой Pз=1147 кН (117 т) и с давлением в КС 22.6 МПа. В процессе работы над этими двигателями на заводе при КБ усовершенствовали технологию стального литья сложных силовых деталей (например, корпусов насосов и агрегатов автоматики, которые ранее изготавливаться из цветных металлов). Для исключения возникновения неустойчивости горения в камере ЖРД были внедрены пластмассовые антипульсационные перегородки, устанавливаемые на смесительную головку и способствовавшие затуханию пульсаций давления.
Определенный задел был обеспечен также разработкой двигателя 8Д420 (РД-270) тягой 640 т и давлением в КС 26.1 МПа, работающего по схеме “газ-газ”. Среди прочего, для этого двигателя были разработаны специальные стояночные уплотнения ТНА для обеспечения многократности запуска, а для уменьшения массы и габаритов ТНА была разработана конструкция бустерных насосов с расположением лопаток турбины непосредственно на рабочем колесе-шнеке насосна.
Опыт проектирования и экспериментальных испытаний крупномасштабных двигателей и агрегатов, работающих при давлениях до 60 МПа, а также освоенные технологии изготовления таких агрегатов были использованы при работе над двигателями 11Д520 и 11Д521.
Краткая хронология создания двигателя
1973 г. – начало проектно-расчетных исследований и конструкторских проработок. Разработаны технические предложения по двигателям РД-123 с тягой 800 т и РД-150 с тягой до 1500 т.
1974 г. – начало экспериментальных исследований по отработке химического зажигания, смесеобразования в камере сгорания и газогенераторе, высокочастотной устойчивости рабочего процесса в камере и газогенераторе, многоразовости запуска.
Исследования проводились на двигателе-аналоге, созданном на базе серийного двигателя 15Д168. Двигатель был конвертирован для работы на жидком кислороде и керосине. На новых компонентах при давлении в КС 20 МПа двигатель развивал тягу 90 т.
Всего было проведено более 300 испытаний на 200 экземплярах с суммарной наработкой по времени в 20 тыс.с. По результатам исследований были рекомендованы: пятикратный запас ресурса, запас по разгрузке осевой силы на валу ТНА не менее 20%, исключение возможности работы насосов в зоне частичной кавитации, а пульсация давления должна быть не более 1-2 % рабочего уровня. Предусматривалось особое внимание уделить стойкости материалов в среде окислительного газа.
Было введено контрольно-технологическое испытание для каждого двигателя, без переборки.
Февраль-март 1976 г. – правительством принято решение о разработке ракетных систем “Энергия”-“Буран” и “Зенит”.
Ноябрь 1976 г. – разработан эскизный проект двигателя РД-170 со следующими характеристиками: тяга на земле 740 т, в пустоте – 806,4 т; удельный импульс на земле 309,3 с, в пустоте – 337 с; давление в камере сгорания 250 атмосфер, в газогенераторе – до 583 атмосфер; мощность турбины до 297,260 л.с.
25 августа 1980 г. – состоялось первое огневое испытание двигателя РД-171 (варианта двигателя РД-170 для РН “Зенит”).
9 июня 1981 г. – первое огневое испытание двигателя РД-171 № A15, успешно отработавшего заданные 150 с по намеченной программе испытаний.
26 июня 1982 г. – первое огневое испытание двигателя РД-171 № A18 на стенде НИИХиммаш в составе первой ступени РН “Зенит”. Пуск закончился аварией, разрушившей единственный в СССР стенд, пригодный для проведения испытаний ступени ракеты с двигателем такой мощности.
Май 1983 г. – первое успешное огневое испытание двигателя РД-171 на номинальном режиме.
1 декабря 1984 г. – первое успешное огневое испытание двигателя РД-171 на стенде НИИХиммаш в составе первой ступени РН “Зенит”.
13 апреля 1985 г. – первый пуск РН “Зенит” с двигателем РД-171 в составе первой ступени, завершившийся аварией из-за отказа системы управления расходом топлива второй ступени.
Июнь 1985 г. – второй пуск РН “Зенит” с двигателем РД-171 в составе первой ступени, завершившийся аварией в результате отклонений в работе рулевых двигателей второй ступени и последовавшего взрыва в конце активного участка.
Октябрь 1985 г. – третий (первый успешный) пуск РН “Зенит” с двигателем РД-171 в составе первой ступени.
Ноябрь 1985 г. – первое стендовое испытание двигателя РД-170 в составе блока “А” РН “Энергия”. Двигатель успешно отработал заданное время.
15 мая 1987 г. – первый пуск РН “Энергия” с двигателями РД-170 в составе первой ступени.
Декабрь 1987 г. – завершение летных испытаний РН “Зенит” с двигателем РД-171 в составе первой ступени.
15 ноября 1988 г. – второй пуск РН “Энергия” с двигателями РД-170 в составе первой ступени.
4 октября 1990 г. – пятнадцатый пуск РН “Зенит”, завершившийся аварией на третьей секунде полета в результате взрыва двигателя первой ступени. По заключению аварийной комиссии отказ двигателя произошел вследствие разрушения узла качания газового тракта второй камеры. Наиболее вероятной причиной возгорания явилось попадание во внутреннюю полость узла качания инициатора возгорания в виде вещества органического происхождения с концентрированным выделением тепла при сгорании более 30 килоджоулей.
27 июля 1991 г. – шестнадцатый пуск РН “Зенит” не состоялся из-за незапуска двигателя первой ступени.
20 мая 1997 г. – двадцать восьмой пуск РН “Зенит”, завершившийся аварией на 49-й секунде полета в результате произошло аварийного выключения двигателя первой ступени. Ракета упала 28 километрах от стартового комплекса.
9 сентября 1998 г. – пуск РН “Зенит”, завершившийся аварией на 72-й секунде полета.
25 марта 2004 г. – поставка первого товарного двигателя РД-171М для РН “Зенит-3SL” для программы “Морской старт”.
5 июля 2004 г. – двигатель РД-171М сертифицирован для использования в составе РН “Зенит-3SL” для программы “Морской старт”.
15 февраля 2006 г. – первый пуск РН “Зенит-3SL” с РД-171М.
25 апреля 2006 г. – решением Минобороны РФ и Роскосмоса двигателям РД-171М присвоена литера “О1”, которая разрешает применение двигателя в составе РН “Зенит-М” при реализации государственных программ.
30 января 2007 г. – пуск РН “Зенит-3SL” с морской стартовой платформы Odyssey завершившился аварией. Ракета взорвалась на старте. Российско-украинская межведомственная комиссия по расследованию аварии установила, что причиной аварии явилось возгорание случайно привнесенной извне металлической частицы в насосе окислителя.
29 июня 2007 г. – первый пуск РН “Зенит-М” с двигателем РД-171М, осуществленный с пусковой установки № 1 пл. № 45 Государственного испытательного космодрома Байконур.
26 апреля 2008 г. – первый пуск РН “Зенит-3SLБ” с РД-171М по программе “Наземный старт”, осуществленный с Государственного испытательного космодрома Байконур.
25 декабря 2009 г. – при проведении огневого приемочного испытания двигателя РД-171М на стенде ОАО “НПО Энергомаш” произошел отказ двигателя с разрушением материальной части двигателя и отдельных систем стенда. Комиссия, рассмотрев результаты обработки телеметрических измерений и результаты анализа состояния материальной части, заключила следующее: отказ двигателя при его работе на номинальном режиме тяги произошел в результате возгорания на 17.6 сек в газовой полости за турбиной ТНА в месте соединения выхлопного коллектора турбины с газовым трактом одной из камер (камера №2). Развитие горения привело на 18.2 сек к разрушению газового тракта двигателя за турбиной, взрыву и пожару. Инициирование возгорания произошло в результате попадания внутрь газовой полости постороннего предмета (вещества) в процессе изготовления двигателя, который не мог быть обнаружен проведенными штатными процедурами осмотра и контроля. Признана наиболее вероятной органическая природа постороннего предмета (вещества) попавшего внутрь газового тракта в процессе работ с подсборкой «блок газоводов» двигателя.
Двигатель выполнен по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины. Компоненты топлива: окислитель – жидкий кислород, горючее – керосин.
Двигатель состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата (ТНА), бустерного насосного агрегата горючего (БНАГ), бустерного насосного агрегата окислителя (БНАО), двух газогенераторов, блока управления автоматикой, блока баллонов, системы приводов автоматики (СПА), системы рулевых приводов (СРП), регулятора расхода горючего в газогенераторе, двух дросселей окислителя, дросселя горючего, пуско-отсечных клапанов окислителя и горючего, четырех ампул с пусковым горючим, пускового бачка, рамы двигателя, донного экрана, датчиков системы аварийной защиты, двух теплообменников для подогрева гелия на наддув бака окислителя.
Одна из основных конструктивных особенностей этого двигателя – наличие четырех камер, качающихся в двух плоскостях, и двух газогенераторов, работающих на одну турбину. Четыре камеры сгорания позволили иметь параметры камеры по тяге, близкие к освоенному диапазону: 185 т тяги при достигнутых в других разработках 150 т. Кроме того, наличие четырех камер и двух ГГ позволяет организлвать автономную отработку этих агрегатов.
Турбонасосный агрегат располагается между камерами, и его ось параллельна оси камер. Такое решение позволяет оптимально разместить двигатель в ограниченных габаритах хвостового отсека РН.
Для обеспечения ремонтопригодности конструкции широко используются разъемные фланцевые соединения. Для обеспечения герметичности напряженных фланцев большого диаметра используются самоуплотняющиеся двухбарьерные уплотнения с металлическими прокладками.
При разработке двигателя было предусмотрено обеспечение возможности не менее двадцатикратного его использования в составе носителя, включая межполетные огневые проверки в составе блока. Гарантированные запасы работоспособности двигателей по ресурсу и количеству включений, сверх потребных в эксплуатации (перед последним использованием), должны составлять не менее 5, необходимых для одного полета. В конце 80-х годов максимальное количество на одном экземпляре двигателя составило 21 испытание.
Таблица 1. Технические параметры двигателя
| Параметр | Значение | Единицы | |
| Тяга | |||
| у Земли | 740 000 | кг | |
| 7256 | кН | ||
| в пустоте | 806 000 | кг | |
| 7904 | кН | ||
| Пределы дросселирования тяги | 100-40 | % | |
| Удельный импульс тяги | |||
| в вакууме | 337 | с | |
| на уровне моря | 309 | с | |
| Давление в камере сгорания | 24.5 | МПа | |
| Расход компонентов топлива через двигатель | 2393 | кг/с | |
| Коэффициент соотношение компонентов | 2.63 | m(ок)/m(г) | |
| Регулирование соотношения компонентов | ±7 | % | |
| Время работы | 140-150 | с | |
| Масса двигателя | |||
| сухого | 9755 | кг | |
| залитого | 10750 | кг | |
| Габариты | |||
| высота | 4015 | мм | |
| диаметр в плоскости среза сопел | 3565 | мм | |
Двигатель содержит содержит камеру сгорания 1, турбонасосный агрегат 2, состоящий из турбины 3, двухступенчатого насоса горючего 4 и одноступенчатого насоса окислителя 5, два газогенератора 6, бустерный насос горючего 7, приводом которого является гидравлическая турбина 8, и бустерный насос окислителя 9, приводом которого является газовая турбина 10.
Бустерный насос окислителя (БНАО) 9 через трубопровод 11 соединен со входом насоса окислителя 5, выход которого через пускоотсечной клапан 12 соединен с коллекторной полостью 13 смесительной головки 14 газогенератора 6. На входе БНАО установлен фильтр окислителя.
Бустерный насос горючего (БНАГ) 7 через трубопровод 15 соединен со входом первой ступени 16 насоса горючего 4. Первая ступень насоса горючего 16 соединена со входом второй ступени 17 насоса горючего и через трубопровод 18, в котором установлен дроссель 19 с электроприводом 20, соединена с коллектором 21 камеры сгорания 1, из которого горючее распределяется по каналам 22 регенеративного охлаждения камеры сгорания 1. На входе БНАГ установлен фильтр горючего.
Каналы 22 регенеративного охлаждения сопла 23 через коллектор 24 соединены с пускоотсечным клапаном 25. Выход этого клапана соединен с коллектором 26, размещенным на цилиндрической части камеры сгорания. Выход коллектора 26 через регенеративные каналы 27 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания соединен с полостью горючего 28 смесительной головки 29 камеры сгорания 1.
Вторая ступень 17 насоса горючего 4 (через который проходит 20% от общего расхода горючего) через трубопровод 30 соединена с основным входом 31 регулятора тяги 32, управляемого электроприводом 33 и имеющим на входе обратный клапан 34. Выход 35 регулятора тяги 32 соединен с ампулами 36 (2 шт.), заполненными пусковым горючим триэтилалюминием Аl(С2Н5)з. Выходы из этих ампул через пускоотсечные клапаны 37 соединены с полостью горючего 38 смесительных головок 39 газогенераторов 6. Выход газогенераторов 40 соединен с турбиной 3, выход которой через трубопроводы 41 соединен с полостью 42 смесительных головок 29 камер сгорания 1.
Кроме того, выход из турбины 3 через трубопровод 43, в котором установлен теплообменник 44 и клапан давления 45, соединен с коллектором турбины 46 привода бустерного насоса 9 окислителя.
Пневмогидравлическая схема ЖРД содержит также систему запуска, которая включает пусковой бачок 47 с разделительной мембраной 48, патрубок 49 подвода газа высокого давления и выходной патрубок 50. Выходной патрубок 50 пускового бачка 47 через заправочный клапан 51 соединен с трубопроводом 15 подвода горючего от бустерного насоса горючего 7. Кроме того, выходной патрубок 50 с одной стороны через трубопровод 52, в котором установлен обратный клапан 53, соединен со вторым входом 54 регулятора тяги 32, через который осуществляется запуск двигателя, а с другой стороны – через обратный клапан 55 – соединен с ампулой 56, заполненной пусковым горючим (гиперголем), выход которой через клапан 57 соединен с магистралью 58 подвода пускового горючего к форсункам зажигания 59 камеры сгорания. В магистрали 58 установлен жиклер 60, обеспечивающий дозированную подачу пускового горючего к форсункам зажигания.
Для уменьшения импульса последействия пускоотсечные клапаны горючего установлены между охлаждающими трактами сопла и камеры сгорания (клапаны 25), а также перед коллектором второго и третьего поясов завес (показаны на рис. 2.2). Пневмоклапаны приводятся в действие гелием от блока баллонов высокого давления с помощью электроклапанов.
Работа двигателя
Запуск двигателя происходит по схеме “самозапуска”. Предварительно приводы 20 и 33 устанавливаются в положения, обеспечивающие начальную установку регулятора тяги 32 и дросселя 19. Затем открывают подбаковые клапаны ракеты (на схеме не показаны) и под воздействием гидростатического напора и давления наддува компоненты топлива заполняют полости насосов окислителя и горючего до пускоотсечных клапанов 12 и 25 и обратного клапана 34 регулятора тяги 32 соответственно. Заполнение полостей двигателя горючим производится до пусковых ампул 36 и 56 через заправочной клапан 51, обратные клапаны 53 и 55. Пусковой бачок 47 также заполняется основным горючим. Такое состояние считается исходным для запуска двигателя.
При запуске двигателя производится наддув бачка 47 и вытеснение из него горючего, давление которого прорывает мембраны (не показаны) пусковых ампул 36 и 56. Одновременно производится открытие пускоотсечных клапанов 12 и 37 и 25 соответственно. В результате пусковое горючее из ампул 36 и 56 под действием давления, создаваемого пусковым бачком, поступает в газогенераторы (через открытые клапаны 37) и камеры (через обратные клапаны 57). Пусковое горючее, поступающее в газогенераторы, воспламеняется с кислородом, также поступающим в газогенераторы за счет предпускового наддува баков ракеты и гидростатического напора в них. Горючее, пройдя по охлаждаемому тракту камер сгорания, через фиксированное время поступает в смесительные головки камер сгорания 1. В течение этого времени задержки, в газогенераторах успевает начаться процесс горения и вырабатываемый генераторный газ раскручивает турбину 3 ТНА 2. После турбины окислительный газ поступает по четырем охлаждаемым газоводам 41 в смесительные головки 29 четырех камер сгорания, где воспламеняется с пусковым горючим, поступающим из форсунок зажигания 59 и впоследствии дожигается с поступающим в камеры горючим. Время поступления обоих компонентов в камеры сгорания подобрано так, что ТНА 2 успевает выйти на рабочий режим, пока в камерах 1 еще не установилось противодавление.
По мере роста давления за насосом горючего 17 пусковой бачок 47 автоматически выключается из работы посредством закрытия обратных клапанов 53 и 55, а питание горючим газогенераторов 6 переключается на насос 17 за счет программного открытия дросселя регулятора тяги 32.
Часть окислительного газа с выхода турбины отбирается на привод двухступенчатой газовой турбины 10 бустерного преднасоса 9. Этот газ, проходя через теплообменник 44, нагревает газ, идущий на наддув баков ракеты. После турбины 10 газ сбрасывается в выходной коллектор 11, где он смешивается с основным потоком окислителя и конденсируется. Использование газа, отбираемого с выхода турбины ТНА, в качестве рабочего тела привода турбины бустерного насоса окислителя позволяет уменьшить температуру в газогенераторе и соответственно снизить мощность турбины ТНА.
Часть горючего с выхода насоса 4 поступает на привод одноступенчатой гидравлической турбины 8 бустерного насоса горючего 7. Небольшая часть жидкого кислорода отбирается из коллекторов газогенераторов и поступает в охлаждающий тракт корпуса турбины и газоводов.
На всем этапе запуска двигателя производится программное управление открытием дросселя регулятора тяги 32 и дросселя горючего 19 из положений начальной установки в положения, соответствующие номинальному режиму двигателя с помощью соответствующих приводов 33 и 20.
Таким образом осуществляется плавный запуск двигателя с выходом на основной режим через 3 секунды. Перед выключением двигатели переводятся на режим конечной ступени, составляющий 50% от номинального.
Источники: http://ru-good.ru/, http://www.lpre.de/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
