Замена РД58М и 11Д33 на четверть РД-0124А

[Salo]

Сборник трудов КБХА 2001 год:

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КИСЛОРОДНО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ МАРШЕВЫХ ЖРД ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ СХЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ И ПОДАЧИ
КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА
От РКК "Энергия": Катков Р.Э., доктор техн. наук Соколов В.А., Тупицын Н.Н.,
Хаспеков В.Г.
От КБХА: канд. техн. наук Горохов В.Д., доктор техн. наук Козелков В.П.,
доктор техн. наук Рачук В.С.

Приведены результаты совместных работ РКК "Энергия" им. СП. Королева и КБХА по кислородно-углеводородным ЖРД новой схемы для космических разгонных блоков с использованием для охлаждения камеры сгорания гелия высокого давления, циркулирующего по замкнутому контуру.
В настоящее время для выведения различных космических аппаратов на высокие орбиты и отлетные траектории широко используются разработанные в РКК "Энергия" им. СП. Королева кислородно-углеводородные разгонные блоки (РБ) типа ДМ с многократно запускаемым в полете высокоэкономичным маршевым двигателем 11Д58М.
Двигатель 11Д58М с дожиганием окислительного генераторного газа, разработанный в 1970 - 1973 годах в РКК "Энергия" и серийно изготавливаемый на Воронежском механическом заводе, до сих пор остается непревзойденным по энергетическим и эксплуатационным параметрам для кислородно-углеводородных РБ. Этот двигатель после 27 лет успешной эксплуатации в составе различных космических РБ типа ДМ совершил 199 полетов и 406 успешных запусков в полете. Двигатель последней модификации, находящийся в эксплуатации в составе РБ ДМ-SL комплекса "Морской старт", имеет тягу 8 тс и удельный импульс тяги 352 с на топливе кислород-керосин [1], а после внедрения сдвижного насадка сопла из углерод-углеродного композиционного материала удельный импульс тяги на этом топливе будет повышен до 356 с. Удельный импульс тяги двигателя 11Д58М может быть дополнительно увеличен (на 6-8 с) за счет использования синтетического углеводородного горючего, что повышает конкурентоспособность средств выведения космических аппаратов с разгонными блоками типа ДМ.
Развитие отечественных средств выведения вызывает необходимость дальнейшего повышения энергетических возможностей и эксплуатационных характеристик эксплуатируемых и разрабатываемых кислородно-углеводородных РБ.
В связи с этим с начала 1998 года в двигательно-энергетическом отделении РКК "Энергия" начались работы по определению оптимального облика перспективного двигателя тягой 8 тс, предназначенного для замены двигателя 11Д58М на существующих и разрабатываемых перспективных кислородно-углеводородных РБ.
Было решено, что для максимального использования накопленного РКК "Энергия" уникального опыта создания и летной отработки космических кислородно-углеводородных РБ типа ДМ, максимального сохранения преемственности положительной летной статистики эксплуатируемых РБ и минимизации затрат времени и средств на разработку перспективного двигателя последний должен быть унифицированным с двигателем 11Д58М с учетом обеспечения многократного запуска в длительном космическом полете при сохранении отработанных баковых бустерных агрегатов подачи топлива с разделительными клапанами, расходных топливных магистралей с прецизионными командными датчиками расходов компонентов топлива, рулевых машинок качания камеры в карданном подвесе и т.п. При этом должны сохраняться высота двигателя и посадочные места его крепления на РБ типа ДМ.
Было также решено, что для существенного повышения энергетических возможностей разрабатываемого двигателя должны быть исключены потери его удельного импульса тяги, обусловленные довольно значительными расходами горючего в двигателе-прототипе (11Д58МД) на внутреннее охлаждение камеры. С этой целью было решено повысить эффективность наружного охлаждения за счет использования промежуточного высокоэффективного охладителя, не являющегося компонентом топлива. Для повышения эксплуатационных характеристик предполагалось исключение химического зажигания компонентов за счет применения запальников газодинамического типа.
Проведенный анализ показал, что наиболее эффективным и удобным в эксплуатации охладителем для кислородно-углеводородных двигателей РБ является гелий высокого давления.
К недостаткам гелия (как и любого газообразного промежуточного охладителя) можно отнести сравнительно большие затраты мощности на его сжатие для компенсации гидропотерь в такте охлаждения, что требует создания для гелиевого тракта охлаждения камеры сгорания (КС) высокооборотного компрессора с высоким коэффициентом полезного действия. Это является сложной, но решаемой технической проблемой.
В том же 1998 году к работам по созданию перспективного кислородно-углеводородного двигателя тягой 8 тс было подключено КБХА. На этом этапе работ предполагалось для замены ЖРД 11Д58М разработать новый двигатель на базе камеры кислородно-керосинового двигателя РД0124 тягой 30 тс, разрабатываемого КБХА для блока "И" по теме "Русь" [2].
Проведенные в КБХА и РКК "Энергия" проработки показали, что создание такого двигателя является реальной задачей, однако для достижения требуемого высокого давления в КС (160 кгс/см , как в двигателе РД0124, вместо ~ 80 кгс/см в двигателе-прототипе 11Д58М) необходимо существенное усложнение системы подачи топлива в камеру.
Эскизный проект двигателя, выпущенный КБХА совместно с РКК "Энергия" в январе 1999 г., позволил детально проработать особенности гелиевого охлаждения и наметить пути дальнейших проработок по исследованию оптимального облика перспективного двигателя для кислородно-углеводородных РБ.
На основании проведенного анализа и с учетом выявившейся необходимости значительной переделки камеры двигателя РД0124 для использования ее в новом двигателе РКК "Энергия" и КБХА было принято решение о совместной разработке двигателя с гелиевым охлаждением тягой 8 тс с условным индексом 11Д58МД, использующего совершенно новую кольцевую камеру с тарельчатым соплом, а не с соплом Лаваля. Такому решению способствовало то, что КБХА к этому времени уже имело уникальный опыт проектирования, изготовления и огневых испытаний кольцевой камеры с тарельчатым соплом применительно к двигателю РО-97, разрабатываемому КБХА по техническому заданию РКК "Энергия" для кислородно-водородного РБ "Ястреб".
По сравнению с соплом Лаваля тарельчатое сопло обладает целым рядом существенных преимуществ. Наиболее важные из них - возможность достижения более высоких степеней расширения продуктов сгорания при умеренных давлениях в КС и ограниченных осевых габаритах и существенно большее, чем при использовании сопла Лаваля, количество тепла, отводимого при охлаждении камеры промежуточным охладителем, что позволяет обеспечить высокие параметры при безгазогенераторной схеме подачи компонентов топлива.
Совместные проработки КБХА и РКК "Энергия" в части оптимизации облика перспективного кислородно-углеводородного двигателя 11Д58МД с кольцевой КС и тарельчатым соплом с чисто гелиевым беззавесным охлаждением и использованием для зажигания компонентов в газогенераторе и КС газодинамических запальников показали техническую осуществимость такого проекта. В январе 2001 г. КБХА и РКК "Энергия" совместно с ИЦ им. М.В. Келдыша был выпущен эскизный проект этого двигателя.
Новые конструктивные особенности системы охлаждения и системы подачи компонентов топлива двигателя 11Д58МД были запатентованы.
Более подробно этапы и результаты совместных исследований РКК "Энергия" и КБХА по оптимизации схемы перспективного кислородно-углеводородного двигателя для РБ типа ДМ описаны в работе [3].
Эскизный проект безгазогенераторного двигателя 11Д58МД с тарельчатым соплом показал, что такой двигатель позволит увеличить удельный импульс тяги по сравнению с удельным импульсом тяги двигателя 11Д58М гга - 20 с, однако потребует проведения длительной и дорогостоящей НИР по созданию методики расчета теплообмена и потерь на трение в тарельчатых соплах, а также экспериментального подтверждения их характеристик и работоспособности конструкции в реальных условиях эксплуатации. Данное обстоятельство приведет к существенному удорожанию и увеличению сроков создания указанного двигателя. В связи с этим в марте 2001 г. РКК "Энергия" и КБХА приняли совместное решение о разработке газогенераторного двигателя 11Д58МД с гелиевым охлаждением камеры на базе КС с соплом Лаваля двигателя 11Д58М.
Схема потоков нового двигателя, являющегося, по существу, модернизацией существующего двигателя 11Д58М, представлена на рис. 1.
Сохранение (в отличие от двигателя с тарельчатым соплом) газогенераторной системы подачи топлива позволит обеспечить быстрый запуск двигателя 11Д58М, что даст возможность повысить эффективность этого двигателя при его многократных включениях в полете, резко снизить непроизводительные затраты компонентов и уменьшить остроту проблем при раскрутке гелиевого турбокомпрессора.
Значительно большая унификация указанного варианта двигателя 11Д58МД с двигателем 11Д58М (по сравнению с предшествующим вариантом) позволит в ~ 2 раза снизить затраты времени и средств на создание двигателя 11Д58МД.
Технические решения, закладываемые в двигатель 11Д58МД с соплом Лаваля на базе КС двигателя 11Д58М, позволят с учетом использования уже внедряемого на РБ ДМ-SL сдвижного насадка повысить удельный импульс тяги по сравнению с эксплуатируемой в настоящее время модификацией двигателя 11Д58М на ~ 14 с при его утяжелении на ~ 30 кг. Отсутствие на двигателе 11Д58МД блока многократного зажигания с пусковым горючим, используемого на существующем двигателе 11Д58М, существенно улучшит эксплуатационные характеристики кислородно-углеводородных РБ.
Внедрение двигателя 11Д58МД позволит получить на разгонных блоках типа ДМ значительный (до 300 кг) выигрыш в массе выводимого полезного груза. Особенно эффективным с точки зрения повышения энергетических возможностей и эксплуатационных характеристик космических кислородно-углеводородных ДУ без существенной доработки их конструкции является использование двигателя 11Д58МД вместо существующего двигателя 11Д58М на разгонном блоке ДМ с увеличенной заправкой (РБ 11С861-03) для РК "Протон-М", а также на разгонных блоках эксплуатируемого комплекса "Морской старт" и разрабатываемого комплекса "Воздушный старт". Это обеспечит выведение на орбиту как федеральных, так и коммерческих космических аппаратов повышенной массы, а также позволит поддержать высокий уровень эффективности отечественных средств выведения и укрепить позиции России на мировом рынке космических услуг.



ЛИТЕРАТУРА
1. Новости космонавтики. 2000, № 8.
2. Создание многофункциональною двигателя с повышенными энергомассовыми характеристиками на базе КС двигателя РД0124 разработки КБХА и агрегатов существующего двигателя 11Д58М. Техническое решение РКК "Энергия" и КБХА от 22.06.1999.
3. Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Серия XII, 2000, № 1,2.

[SpaceR]

А, так вот как оно всё устроено...
Спасибо, Сергей... (извините, не в курсе насчет отчества, а назвать по нику что-то язык не поворачивается).

Технические решения, закладываемые в двигатель 11Д58МД с соплом Лаваля на базе КС двигателя 11Д58М, позволят с учетом использования уже внедряемого на РБ ДМ-ЗЬ сдвижного насадка повысить удельный импульс тяги по сравнению с эксплуатируемой в настоящее время модификацией двигателя 11Д58М на ~ 14 с при его утяжелении на ~ 30 кг.

Выходит, всё-таки и сопло тоже...  :roll: