ЛЗУ - лазерные зажигательные устройства

[LITY]

Свежая информация:

В августе 2015 года на серийном стенде ОП «Винтай» ОАО «КУЗНЕЦОВ» в результате совместной работы специалистов ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» и ПФ ОАО «НПО Энергомаш» успешно проведена серия из 11 испытаний двигателя 14Д22 РН «Союз» с лазерным зажиганием. В ходе испытаний достигнута 100-процентная надежность зажигания, оптимизирована схема подачи топлива в форсуночные головки, отработаны вопросы ввода лазерного излучения в камеры сгорания с использованием малогабаритных лазерных модулей отечественной разработки. Полученные результаты позволяют перейти к этапу проектирования штатной системы лазерного зажигания на РН «Союз».

Источник: Сайт Центра Келдыша: http://kerc.msk.ru/2015-2/август-2015.
Фотография с того же сайта:

[Salo]

Спасибо!

[Salo]

http://24space.ru/906-esa-razrabatyvaet-sistemu-lazernogo-vosplameneniya-v-raketnyh-dvigatelyah.html

ESA разрабатывает систему лазерного воспламенения в ракетных двигателях
Автор: Vadim Baybikov от 19 ноя 20:57
         
Научно-исследовательский центр Carinthian заключил контракт с ЕКА на разработку системы лазерного воспламенения HiPoLas. Работы будут выполняться в сотрудничестве с немецко- французской фирмой Airbus Safran.
 

В предыдущих проектах, выполненных на испытательных площадках при немецком космическом центре (DLR), специалисты Carinthian доказали (и весьма успешно), что лазерная система HiPoLas подходит для воспламенения ракетного топлива.
 
Согласно новому контракту Carinthian должен разработать и изготовить тестовый вариант системы, работающий в условиях космоса, что позволит создать новое поколение европейских ракетных двигателей. Сумма контракта в пределах 700 тысяч евро.
В настоящее время Carinthian приспособили систему HiPoLas ко всевозможным двигателям в автомобилях и самолетах, а последний время активно работают над внедрением ее в ракетные и спутниковые двигатели.
Система уже неоднократно показывала свою надежность на Земле во время разнообразных испытаний. В дополнение к успешным экспериментам в автомобиле, лазерный источник успешно проверен в авиационных реактивных двигателях. Теперь перед специалистами стоит задача по интеграции системы HiPoLas в ракетные двигатели, использующие криогенное топливо, и адаптации ее к экстремальным условиям космического пространства.
Это означает, что материалы, разнообразное оборудование и система управления должны отвечать сложным техническим условиям и требованиям, позволяющие вывести космический аппарат на орбиту. Учитывая экстремальные механические нагрузки во время запуска и крайне высокую температуру и давление в камере сгорания, самые большие требования предъявляются к надежности системы.
В дополнение к надежности, инженерам также предстоит повысить КПД HiPoLas по сравнению с обычными системами воспламенения. В зависимости от результата рабочего проекта, лазерная система может быть установлена на ракетоносителе «Ариан-6».
Миниатюрный лазер.
Миниатюрный лазерный источник, который вообще не требует каких-либо сложных элементов и поэтому может выдержать экстремальные температуры и вибрацию, имеет несколько важных преимуществ: высокая степень гибкости относительно своего местоположения в камере сгорания, более высокая мощность импульса по сравнению с электрическими системами. Такое решение позволит создать систему с более надежным воспламенением даже при сложных топливных составах.

[LITY]

Европейцы догоняют, похоже...

[Salo]

http://www.npoenergomash.ru/netcat_files/File/ZaRodinu/za_rodinu2015_11.pdf

Успешные испытания двигателей с лазерным зажиганием «Спектралазер»

АО «НПО Энергомаш имени академика В. П. Глушко» и ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» в 2014-2015 годах успешно провели серию из 21 огневого испытания двигателя РД-107/108 (14Д22/14Д21) РН «Союз» с лазерным зажиганием основной камеры.
Проект реализуется при участии резидента Фонда «Сколково» компании «Спектралазер». Успешные испытания подтвердили надежность лазерного зажигания и лазерных модулей отечественной разработки и позволяют перейти к проектированию штатной системы лазерного зажигания РН «Союз».
– По двигателям РН «Союз» мы сделали полный комплекс работ. Дальнейшее внедрение этой системы зависит от ракетчиков – РКЦ «Прогресс». Cегодня мы начинаем проверку работоспособности лазерного зажигания в условиях работы на современных мощных двигателях РД-191 и РД-170. Испытания начнутся в конце года, и в дальнейшем эту систему мы планируем внедрить на все НПО Энергомаш двигатели, – говорит первый заместитель главного конструктора НПО Энергомаш Петр Левочкин.

[LITY]

Фрагмент статьи Ивана Крылова «Подобный принцип еще никогда не применялся в ракетном двигателестроении» от 30.04.2016г. на сайте  Gazeta.ru  с комментариями генерального директора НПО «Энергомаш» Игоря Арбузова.
http://www.gazeta.ru/science/2016/04/30_a_8206139.shtml
 

.....Другой перспективной разработкой предприятия является система лазерного зажигания топлива, призванная обеспечить надежный запуск, в том числе и многократный, ракетного двигателя.

В настоящее время при запусках ракет-носителей семейства «Союз» используется пирозажигательное устройство (ПЗУ), которое представляет собой деревянную Т-образную опору, на которой установлены две пиротехнические шашки с датчиком. Такое устройство наравне с достоинствами в виде дешевизны, отработанности и того, что оно не влияет на массовые характеристики двигателя, имеет и недостатки – одноразовость, невозможность полноценной проверки устройства и зависимость от человеческого фактора.

Помимо ПЗУ существуют еще электрическая и химическая системы зажигания, которые тоже неэффективны на 100%. Так, электрическая система зажигания удобна, но применима только к твердотопливным двигателям, а химическая система зажигания способна обеспечить многоразовость запуска двигателя, но громоздка и в случае неисправности требует много времени на его устранение.

Лазерное зажигание — это небольшое и легкое устройство, которое способно обеспечить многократный пуск двигателя и не требует никакого специального дополнительного оборудования.

Система проста и надежна в эксплуатации, а по стоимости сравнима с существующими, что дает ей хорошие конкурентные преимущества перед другими принципами зажигания.

Суть новой технологии запуска ракетного двигателя в устройстве, формирующем оптический пробой в виде плазмы в том объеме, куда впрыскивается топливо. Температура этой шаровой молнии порядка одного миллиона градусов, и именно она поджигает топливо. «В рамках данного проекта была проведена серия успешных огневых испытаний на двигателе РД-107/108, предназначенного для РН «Союз», — комментирует Игорь Арбузов. — Сейчас будут проводиться экспериментальные натурные испытания системы на современных мощных двигателях РД-191. Если лазерное зажигание и здесь подтвердит свою эффективность и надежность, то планируется ее внедрение на всю линейку машин, выпускаемых предприятиями холдинга».

http://www.gazeta.ru/science/2016/04/30_a_8206139.shtml

[Salo]

Спасибо!

[LITY]

Информация с сайта http://www.spectralaser.ru/:
20.012016 г.  Компания «Спектралазер» в рамках выигранного тендера осуществила поставку в АО «НПО Энергомаш» мощного лазерного модуля для исследования воспламенения топлива в модельной установке с параметрами, имитирующими работу газогенератора.

[Salo]

http://www.roscosmos.ru/22355/

НПО ЭНЕРГОМАШ. ЛАЗЕРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ ВОШЛО В «100 ЛУЧШИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ РОССИИ-2015»

28.06.2016 16:19
 

   Федеральная служба по интеллектуальной собственности включила патент НПО «Энергомаш» на конструкцию камеры, воспламенение топлива в которой происходит с помощью лазерного зажигания, в «100 лучших изобретений России» по итогам 2015 года.

    

   Небольшое и легкое лазерное зажигательное устройство способно обеспечить многократный пуск ракетного двигателя и не требует никакого специального дополнительного оборудования. Система проста и надежна в эксплуатации, а по стоимости сравнима с существующими, что дает ей хорошие конкурентные преимущества перед другими принципами зажигания.

    

   Суть новой технологии запуска ракетного двигателя заключается в инициации в полости камеры сгорания при подаче компонентов топлива оптического пробоя с образованием плазменного сгустка. Температура этой «шаровой молнии» порядка одного миллиона градусов и именно она поджигает топливо.

    

   В рамках проекта была проведена серия успешных огневых испытаний на двигателе РД-107/108 (используются на ракете-носителе «Союз»). В настоящее время предполагается продолжить испытания системы для оценки возможности применения на современных мощных двигателях типа РД-191. Если лазерное зажигание и здесь подтвердит свою эффективность и надежность, то планируется ее внедрение на всю линейку двигателей.

    

   ***

    

   Воспламенение компонентов топлива, поступающих в камеру сгорания двигателя или газогенератора, является ответственным моментом запуска жидкостного ракетного двигателя. К настоящему времени разработаны и эксплуатируются различные схемы и способы зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. Наиболее широкое применение в кислородно-керосиновых ЖРД получили пиротехнический и химический способы зажигания.

    

   Основным преимуществом пиротехнического способа зажигания является высокая надёжность запуска, недостаток – одноразовость использования и сложность в монтаже устройств.

    

   Химический способ так же отличается высокой надёжностью и его можно применять для многократного включения, однако в этом случае система существенно усложняется, что приводит к увеличению габаритов и массы ЖРД. Недостаток - токсичность, взрыво- и пожароопасность пускового горючего.

    

   Электроискровой способ зажигания используется главным образом при запуске кислородно-водородных ЖРД, основной его недостаток – нестабильность воспламенения топлива.

    

   Современное развитие ЖРД определяет необходимость перехода на более перспективный способ зажигания компонентов топлива, являющийся многоразовым, обеспечивающий стабильность воспламенения, характеризующийся простотой конструкции, небольшими габаритно-массовыми характеристиками и оптимальной стоимостью. Перечисленным требованиям наиболее соответствует лазерный способ зажигания.

[Salo]

http://www.npoenergomash.ru/news/news2_2525.html

28 июня 2016
 Лазерное зажигание вошло в число «100 лучших изобретений России-2015»
 
НПО Энергомаш получило патент на конструкцию камеры, воспламенение топлива в которой происходит с помощью лазерного зажигания.
В декабре 2013 года коллективом авторов в составе Владимира Чванова, Петра Левочкина, Евгения Ромасенко, Николая Иванова, Евгения Белова, Дины Дубовик была подана заявка на конструкцию камеры, воспламенение топлива в которой осуществляется с помощью лазерного устройства. Это обеспечивает повышение надежности, возможность многократного запуска, улучшение габаритно-массовых характеристик.
Работоспособность данной конструкции была успешно подтверждена экспериментальными работами, проведенными на штатных камерах двигателя семейства РД 107/108 в НПО Энергомаш и Приволжском филиале НПО Энергомаш.
Работы по оформлению заявки проведены ведущим инженером по патентно-изобретательской работе Н.Н. Асташенковым.
В июне 2015 года НПО Энергомаш получило по данной заявке патент на изобретение № 2555021.
Федеральная служба по интеллектуальной собственности включила данный патент в номинацию «100 лучших изобретений России- 2015» и наградила патентообладателя-НПО Энергомаш дипломом.
Воспламенение компонентов топлива, поступающих в камеру сгорания двигателя или газогенератора, является ответственным моментом запуска жидкостного ракетного двигателя. К настоящему времени разработаны и эксплуатируются различные схемы и способы зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. Наиболее широкое применение в кислородно-керосиновых ЖРД получили пиротехнический и химический способы зажигания.
Основным преимуществом пиротехнического способа зажигания является высокая надёжность запуска, недостаток – одноразовость использования и сложность в монтаже устройств.
Химический способ также отличается высокой надёжностью и его можно применять для многократного включения, однако в этом случае система существенно усложняется, что приводит к увеличению габаритов и массы ЖРД. Недостатком также является токсичность, взрыво- и пожароопасность пускового горючего.
Электроискровой способ зажигания используется главным образом при запуске кислородно-водородных ЖРД, основной его недостаток – нестабильность воспламенения топлива
 
Сейчас при запусках ракет-носителей семейства «Союз» используется пирозажигательное устройство (ПЗУ), которое представляет собой деревянную Т-образную опору, на которой установлены две пиротехнические шашки.
Современное развитие ЖРД определяет необходимость перехода на более перспективный способ зажигания компонентов топлива, являющийся многоразовым, обеспечивающий стабильность воспламенения, характеризующийся простотой конструкции, небольшими габаритно-массовыми характеристиками и оптимальной стоимостью.
Перечисленным требованиям наиболее соответствует лазерный способ зажигания.
 
Лазерное зажигательное устройство – это небольшое и легкое устройство, которое способно обеспечить многократный пуск двигателя и не требует никакого специального дополнительного оборудования. Система проста и надежна в эксплуатации, а по стоимости сравнима с существующими, что дает ей хорошие конкурентные преимущества перед другими принципами зажигания.
Суть новой технологии запуска ракетного двигателя заключается в инициации в полости камеры сгорания при подаче компонентов топлива оптического пробоя с образованием плазменного сгустка.
Температура этой «шаровой молнии» порядка одного миллиона градусов и именно она поджигает топливо.
В рамках данного проекта была проведена серия успешных огневых испытаний на двигателе РД-107/108 РН «Союз». В настоящее время предполагается продолжить испытания системы для оценки возможности применения на современных мощных двигателях типа РД-191. Если лазерное зажигание и здесь подтвердит свою эффективность и надежность, то планируется ее внедрение на всю линейку двигателей.
 

[LITY]

На сайте Энергомаша, от 11.08.2016  появилась новая версия сообщения о патенте, вошедшем в 100 лучших изобретений: 
http://www.npoenergomash.ru/news/news2_2550.html


Судя по содержанию, такое сообщение могло появиться после некоторого выяснения отношений между Энергомашем и Центром Келдыша.        

Новости

11 августа 2016
АО «НПО Энергомаш» получило патент на конструкцию камеры для использования совместно с лазерным зажигательным устройством разработки ГНЦ ФГУП «Центра Келдыша».

В декабре 2013 года коллективом авторов в составе Владимира Чванова, Петра Левочкина, Евгения Ромасенко, Николая Иванова, Евгения Белова, Дины Дубовик была подана заявка на конструкцию камеры, воспламенение топлива в которой осуществляется с помощью лазерного устройства. Это обеспечивает повышение надежности, возможность многократного запуска, улучшение габаритно-массовых характеристик ракеты-носителя.
Работоспособность данной конструкции была успешно подтверждена экспериментальными работами, проведенными на штатных камерах двигателя семейства РД 107/108 в АО «НПО Энергомаш» и Приволжском филиале АО «НПО Энергомаш» совместно с ГНЦ ФГУП «Центром Келдыша».
Работы по оформлению заявки проведены ведущим инженером по патентно-изобретательской работе Асташенковым Н.Н.
В июне 2015 года АО «НПО Энергомаш» получило по данной заявке патент на изобретение № 2555021 (на конструкцию камеры или газогенератора для использования с ЛЗУ).
Федеральная служба по интеллектуальной собственности включила данный патент в номинацию «100 лучших изобретений России-2015» и наградила патентообладателя – АО «НРО Энергомаш» дипломом.
Впервые использование энергии излучения лазера как источника воспламенения топлива в ракетных двигателях было предложено т опробовано в ГНЦ ФГУП «Центре Келдыша» на различных топливах и ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» является патентообладателем способа воспламенения топлива «Лазерное зажигание», суть которого – формирование оптического пробоя в виде плазмы в том объеме, куда впрыскивается топливо. В 2011 году в АО «НПО Энергомаш» совместно с ГНЦ ФГУП «Центром Келдыша» были проведены первые работы по воспламенению несамовоспламеняющегося ракетного топлива кислород-керосин на экспериментальной газогенераторной установке с помощью лазерного зажигательного устройства (ЛЗУ).
Полученные положительные результаты на экспериментальной установке позволили постепенно перейти к отработке воспламенения с помощью ЛЗУ в модельных камерах, затем в натурных камерах двигателей РД-107/108, предназначенных для РН «Союз». Все работы велись с непосредственным участием ГНЦ ФГУП «Центра Келдыша». Для каждого вновь используемого агрегата, особенно уже находящегося в эксплуатации, требовалось создание узла ввода ЛЗУ во внутреннюю полость агрегата, не нарушающего условий работы конструкции камеры на данном участке.
Для камер двигателей РД-107/108 был использован специальный штуцер, разработанный ранее в АО «НПО Энергомаш», и приспособлен для ввода в конструкцию камеры. Конструктивное оформление места ввода ЛЗУ в камеру является предметом патента на изобретение № 2555021. Камеры двигателей РД-107/108, доработанные с учетом вышеуказанного патента, прошли серию успешных огневых испытаний с воспламенением топлива с помощью ЛЗУ.

[LITY]

В опубликованной на сайте 
http://www.zakupki.gov.ru/epz/order/notice/ok44/view/common-info.html?regNumber=0995000000216000062
конкурсной документации на  СЧ ОКР: «ДУ СВ» (Перспектива)  «Создание базовых элементов маршевых двигательных установок перспективных средств выведения», 
в ТЗ указаны следующие работы по лазерному зажиганию:
 2.2.6.5 Разработка базовых элементов системы лазерного зажигания для кислородно-углеводородного маршевого двигателя нового поколения (по техническому заданию разработчика опытного образца двигателя).
 2.2.6.6 Разработка базовых элементов системы лазерного зажигания для кислородно-водородного маршевого двигателя нового поколения (по техническому заданию разработчика опытного образца двигателя). 

[Salo]

http://www.npoenergomash.ru/netcat_files/File/byh_otchet/god_otchet_%202015.rar

- отработка воспламенения несамовоспламеняющихся компонентов топлива (кислород-керосин) с помощью лазерного зажигательного устройства для замены системы зажигания с помощью пускового горючего;

[slava-p]

LITY пишет:
Температура этой шаровой молнии порядка одного миллиона градусов, и именно она поджигает топливо.

Миллион градусов это круто. Почти термояд. Не ЛЗу, а что-то близкое к ядру Солнца. В реальности больше 20-30 тысяч градусов ЛЗУ не создаёт.

[LITY]

slava-p пишет:

LITY пишет:
Температура этой шаровой молнии порядка одного миллиона градусов, и именно она поджигает топливо.

Миллион градусов это круто. Почти термояд. Не ЛЗу, а что-то близкое к ядру Солнца. В реальности больше 20-30 тысяч градусов ЛЗУ не создаёт.

При лазерном зажигании десятки мегаватт фокусируешь в маленький объем с характерным размером десятки микрон и меньше, вот и получается высокая температура - светодетонация. Об измерениях температуры можно почитать:
1. Одна из последних публикаций при сравнительно низких импульсных энергиях:
J. A. Aguilera and C. Aragon, "Characterization of laser-induced plasma during its expansion in air by optical emission spectroscopy: Observation of strong explosion self-similar behavior," Spectrochim. Acta, Part B 97, 86 (2014).  
 
Длительность импульса 5 ns,  энергия 60 мДж, импульсная мощность 12МВт, температура в момент пробоя – ~500000К.
 
2. Из классической работы прошлого века ЛАЗЕРНАЯ ИСКРА В ГАЗАХ
-Г. В. Островская, А. Н. Зайдель, 1973 г. Декабрь Том 111, вып. 4
УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК, стр. 594: 

[Salo]

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
http://www.freepatent.ru/images/img_patents/2/2527/2527500/patent-2527500.pdf

[Salo]

http://engine.space/docs/TRUDXXXII_rus.docx

УДК 621.45:621.375:662.612
 
Чванов Владимир Константинович, докт. техн. наук.
 

Лёвочкин Пётр Сергеевич, канд. техн. наук.

Ромасенко Евгений Николаевич, канд. техн. наук.
Иванов Николай Геннадьевич
 

Россия, Московская обл., г. Химки, НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко. Контактный телефон  − (495)286-92-54.

Ганин Игорь Анатольевич.

Сурков Борис Анатольевич.

Россия, ПФ НПО Энергомаш

 
 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА
  КИСЛОРОД-КЕРОСИН В КАМЕРАХ ЖРД

Представлены результаты третьего этапа исследования, проводимого НПО Энергомаш, по изучению лазерного воспламенения топлива кислород-керосин.

Главной задачей экспериментов являлось проведение испытаний рулевой и основной камер двигателей РД107 и РД108 с воспламенением топлива с помощью лазерного зажигательного устройства (ЛЗУ) в условиях, приближенных к штатным условиям запуска.

 
 

Ключевые слова: жидкостной ракетный двигатель, воспламенение компонентов топлива, лазерное зажигание, эксперименты

 
 

Литература

 
 

1. Ребров С.Г., Голиков А.Н, Голубев В.А. Воспламенение топлив кислород-этанол и кислород-керосин в беспредкамерном РДМТ с использованием малогабаритных лазеров // Авиакосмическая техника и технология, М: 2009, № 2, С. 8-20.

2. Голиков А.Н, Голубев В.А., Ребров С.Г. Экспериментальные исследования лазерного зажигания несамовоспламеняющихся топлив в ракетном двигателе малой тяги // Космонавтика и ракетостроение, М: 2010, № 3(60), С. 92-100.

3. Ребров С.Г., Голиков А.Н., Голубев В.А. Лазерное воспламенение ракетных топлив в модельной камере сгорания // «Труды МАИ», 2012, № 53.

4.  Чванов В.К., Белов Е.А., Голубев В.А., Дубовик Д.И.,
 Иванов Н.Г., Лёвочкин П.С., Клюева О.Г., Ромасенко Е.Н., Ребров С.Г., Фёдоров В.В. Исследование лазерного воспламенения топлива кислород-керосин в модельной установке // Труды НПО Энергомаш. М., 2012. № 29. С. 198-210.

5. Белов Е.А., Голиков А.Н., Голубев В.А., Дубовик Д.И., Иванов Н.Г., Клюева О.Г., Лёвочкин П.С., Ребров С.Г., Ромасенко Е.Н. Экспериментальное исследование влияния расположения зоны фокусировки лазера на воспламенение топлива кислород-керосин // Труды НПО Энергомаш. М., 2013. № 30. С. 120-134.

6. Ганин И.А., Сурков Б.А., Дубоносов Г.И., Яковлев Е.С. Изготовление материальной части и проведение доводочных испытаний лазерного зажигания топлива в камерах сгорания в составе двигателя 14Д22 // Технический отчет № РЭО 2015-2088 о составной части ОКР.

[LITY]

Европейцы форсируют внедрение лазерного зажигания на РН Ариан-6.

В электронном журнале DLR Magazine, № 150, июнь 2016г. помещена статья «Future launchers are to be ignited with lasers».

В статье представлены материалы о направлениях внедрения лазерного зажигания на газогенераторе кислородно-водородного двигателя Vulcan-2 и на кислородно-водородном двигателе верхней ступени Vinchi. Работы проводятся коопераций: DLR, ASL (Airbus Safran Launchers), Austrian centre for technology Carinthian Tech
Research (CTR).

[Salo]

http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2016/11/Laser_igniter

[LITY]

Большая статья по лазерному зажиганию топлива кислород-керосин в журнале "Труды МАИ" 2017, №95:
Лазерное зажигание топлива кислород-керосин в ракетной технике: от запальных устройств к маршевым ракетным двигателям. Ребров С.Г., Голубев В.А., Голиков А.Н. 

http://trudymai.ru/published.php?ID=84458