Углеводородные горючие омар, боктан, соктан и ацетам

[Salo]

http://volga.news/article/423334.html

В РКЦ "Прогресс" начались работы по переводу "Союза-2" на нафтил вместо керосина
 10.10.2016 16:25
 САМАРА. 10 ОКТЯБРЯ. ВОЛГА НЬЮС.
 Авторы: Сергей Алешин
 
В РКЦ "Прогресс" начались работы по переводу космического ракетного комплекса (КРК) "Союз-2" на космодроме Восточный на горючее нафтил вместо керосина.
 
Об этом сообщил сайт РКЦ.
Керосин используется в качестве горючего маршевых двигателей ракет-носителей "Союз-2.1а" и "Союз-2.1б" в паре с окислителем "жидкий кислород".
Использование нафтила в двигателях РН "Союз-2" позволит выводить большую полезную нагрузку на все типы орбит по сравнению с парой "кислород-керосин".
В настоящее время нафтил успешно используется на маршевом двигателе третьей ступени РН "Союз-2.1б".
Первый пуск РН с космодрома Восточный на нафтиле может состояться в 2018-2019 годах.
Показатели качества, физико-химические свойства и эксплуатационные характеристики углеводородного нафтила близки к керосину.
Структура рабочего процесса, происходящего в двигателях РН при замене горючего, не претерпевает существенных изменений, так как основные термодинамические параметры и теплофизические свойства, влияющие на развитие процессов течения, смесеобразования и горения, для нафтила и керосина различаются незначительно.
Небольшие различия заключаются в величинах вязкости, поверхностного натяжения и некоторых других свойствах жидких горючих.
Перевод РН "Союз-2" на нафтил вместо керосина потребует проведения комплекса доводочных испытаний двигателей первой, второй и третьей ступени РН "Союз-2.1а", после завершения которых должны быть проведены квалификационные испытания данных двигателей.
При переводе КРК "Союз-2" на нафтил воздействие на окружающую среду будет аналогично с воздействием от КРК, использующего горючее керосин.

[АниКей]

Россия «плюет» на санкции: «Роскосмос» переходит на отечественный гидразин
Российская госкорпорация смогла импортозаместить стратегически важное сырье.

После распада СССР в России было прекращено производства уникального ракетного топлива, применяемого для старта ракетоносителей. В результате сворачивания изготовления гидразина и гептила в стране возник дефицит ракетного топлива и РФ была вынуждена его закупать за границей.
Основным поставщиком до недавних пор являлась Германия, однако после начала санкционного противостояния Запада и РФ поставки стратегических ресурсов для российской космической промышленности были прекращены по причине того, что данные виды топлива использовались не только для гражданских космических запусков, но в военных ракетах.
Стоит отметить, что со временем в ЕС одумались и частично сняли ограничения с поставок гептила, чтобы обеспечить совместные космические программы и исполнение «Роскосмосом» контрактов по запуску международных спутников.
Данное обстоятельство резко сократило конкурентоспособность отечественной космической промышленности и делало ее полностью зависимой от европейских контрагентов. При этом военных это обстоятельство мало коснулось. По заявлениям представителей ВС РФ, на их складах запасов аналогичного топлива хватит еще на десятилетие.
 В сложившейся ситуации становится очевидным, что западные санкции были направлены исключительно на ограничения потенциала гражданского космического сектора РФ. Однако недавно появилась информация о завершении строительства в Новгороде единственного в России завода по производству гидразина.
Проектная мощность уникального предприятия составляет 15 тонн гидразина в год. Столь малые объемы производства стратегического для отечественной космической промышленности сырья объясняются тем, что оно используется лишь в разгонных блоках и для заправки самих космических аппаратов.
В итоге в России удалось произвести успешное импортозамещение по одному из самых важных стратегических направлений, что позволит значительно увеличить конкурентоспособность отечественных космических услуг на международных рынках. Российская госкорпорация теперь сможет получать еще больше прибыли. Благодаря дополнительным ресурсам в РФ теперь смогут производить дополнительные коммерческие запуски на более выгодных условиях и свободно заключать контракты не только с клиентами из ЕС, но и из других стран. Учитывая все эти факторы можно говорить о том, что «Роскосмос» совершил прорыв сквозь санкции и получит возможность для начала активной экономической интервенции на мировом рынке....
Источник: http://newinform.com/34560-rossiya-plyuet-na-sankcii-roskosmos-perehodit-na-otechestvennyi-gidrazin

[Salo]

http://www.freepatent.ru/images/img_patents/2/2527/2527918/patent-2527918.pdf
http://www.freepatent.ru/patents/2527918

способ повышения энергетических характеристик жидкостных ракетных двигателей

Классы МПК:	F02K9/42 использующие жидкие и газообразные топлива C10L1/16 углеводороды
Автор(ы):	Гапонов Валерий Дмитриевич (RU), Чванов Владимир Константинович (RU), Фатуев Игорь Юрьевич (RU)
Патентообладатель(и):	Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" (RU)
Приоритеты:	подача заявки: 2013-03-27 публикация патента: 10.09.2014

Изобретение относится к ракетной технике, а конкретно к кислородно-керосиновым жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) замкнутой или открытой схем. Способ повышения энергетических характеристик жидкостного ракетного двигателя, работающего на компонентах топлива жидкий кислород и углеводородное горючее, причем в качестве углеводородного горючего применяют керосин с жидкой присадкой, представляющей собой раствор высокомолекулярного полиизобутилена (ПИБ) со средневязкостной молекулярной массой от 3,1·106 до 4,9·106 в керосине в количестве, обеспечивающем концентрацию полиизобутилена в керосине от 0,015% до 0,095% от массы керосина, и осуществляют подрезку крыльчатки насоса горючего турбонасосного агрегата двигателя, при этом наружный диаметр крыльчатки D2 определяют по формуле

D1 - наружный диаметр рабочего колеса штатного насоса горючего;
A - относительное увеличение напора насоса горючего при работе с ПИБ;
 B - относительное уменьшение гидросопротивления тракта регенеративного охлаждения камеры из-за влияния ПИБ;
- отношение гидросопротивления тракта регенеративного охлаждения к напору насоса подачи компонента без ПИБ,
 чтобы значение массового соотношения компонентов (Km) при работе двигателя на номинальном и форсированном режимах с использованием керосина с жидкой присадкой ПИБ оставалось равным значению Km при работе на чистом керосине.
Изобретение обеспечивает повышение энергетических характеристик ЖРД. 2 ил., 3 табл.
Рисунки к патенту РФ 2527918

   

Область техники
Данное изобретение относится к ракетной технике, а конкретно к кислородно-керосиновым жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) замкнутой или открытой схем.

 Предшествующий уровень техники
Одним из способов повышения энергетических характеристик ЖРД с дожиганием генераторного газа с целью увеличения массы полезного груза является увеличение их номинальной тяги (форсирование). Форсирование двигателей обеспечивается за счет повышения температуры генераторного газа на входе в турбину турбонасосного агрегата (ТНА). При этом увеличивается скорость вращения ротора ТНА. В результате возрастают силовые и тепловые нагрузки на конструкцию двигателя, что может привести к снижению ресурса и надежности. При форсировании двигателя появляются трудности, связанные с охлаждением камеры двигателя.
Другим способом повышения энергетических характеристик ЖРД является применение высокоэффективных топлив.
Например, известна топливная пара для ЖРД, включающая углеводородное горючее и жидкий кислород, при этом в качестве углеводородного горючего применяют:
- индивидуальный углеводород дициклобутил (C8H10), защищенный патентом РФ № 2146334, МПК, F02K, 9/42, 2000 г.;
- индивидуальный углеводород 1-метил-1,2 дициклопропилциклопропана (C10H16), защищенный патентом РФ № 2233385, МПК, F02K, 9/42, 2004 г.
Применение этих углеводородных горючих дает возможность получить прирост удельного импульса (от 4,8 до 5,5) по сравнению с топливом на основе керосина. Кроме того, использование этих топлив не требует существенных конструктивных переделок существующих ЖРД. Однако, производство этих топлив отличается дороговизной и считается экологически вредным.

Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего повысить энергетические характеристики ЖРД за счет использования экологически чистого и не дорогостоящего углеводородного горючего на основе керосина.
Эта задача решена за счет того, что в способе повышения энергетических характеристик жидкостного ракетного двигателя, работающего на компонентах топлива жидкий кислород и углеводородное горючее, в качестве углеводородного горючего применяют керосин с жидкой присадкой, представляющей собой раствор высокомолекулярного полиизобутилена (ПИБ) со средневязкостной молекулярной массой от 3,1·10 6 до 4,9·106 в керосине в количестве, обеспечивающем концентрацию полиизобутилена в керосине от 0,015% до 0,095% от массы керосина, и осуществляют подрезку крыльчатки насоса горючего турбонасосного агрегата двигателя, при этом наружный диаметр крыльчатки D2 определяют по формуле
 
D1 - наружный диаметр рабочего колеса штатного насоса горючего;
A - относительное увеличение напора насоса горючего при работе с ПИБ;
 B - относительное уменьшение гидросопротивления тракта регенеративного охлаждения камеры из-за влияния ПИБ;
- отношение гидросопротивления тракта регенеративного охлаждения к напору насоса подачи компонента без ПИБ,
 чтобы значение массового соотношения компонентов (Km) при работе двигателя на номинальном и форсированном режимах с использованием керосина с жидкой присадкой ПИБ оставалось равным значению Km при работе на чистом керосине.
Технический результат состоит в увеличении массы полезного груза ракеты-носителя при работе двигателя на форсированном режиме. На номинальном режиме температура генераторного газа на входе в турбину и обороты ротора ТНА остаются ниже значений этих параметров при работе двигателя на чистом керосине.
Сущность предлагаемого способа можно понять из графиков, приведенных на фиг.1. Они показывают зависимость напорных характеристик насоса горючего и гидросопротивления магистрали горючего от расхода компонента через эту магистраль. По оси ординат отложено давление P, а по оси абсцисс - расход компонента через магистраль горючего .
Точка А пересечения кривых 1 и 5 определяет номинальный расход компонента, который установится в системе при номинальном соотношении компонентов и при работе двигателя на номинальном режиме с использованием чистого керосина и с не подрезанной крыльчаткой насоса горючего. При работе двигателя на керосине с присадкой ПИБ и без подрезки крыльчатки насос горючего (точка С) расход горючего будет иметь повышенное значение . Точка С пересечения кривых 2 и 6 определяет повышенный расход компонента, который установится в системе при работе двигателя на керосине с жидкой присадкой ПИБ с не подрезанной крыльчаткой насоса горючего. Точка В пересечения кривых 4 и 6 определяет номинальный расход компонента с подрезанной крыльчаткой и при работе двигателя на керосине с присадкой ПИБ.
 Снижение гидросопротивления в магистрали (кривая 6) потребует меньшего напора насос горючего для заданного расхода ( ном). Для того чтобы обеспечить работу двигателя на номинальном режиме необходимо подрезать крыльчатку насоса горючего и тем самым выдержать заданное (номинальное) соотношение компонентов. Подрезку крыльчатки насоса горючего осуществляют в соответствии с формулой, приведенной выше. В результате этого напор насоса снизится, и точка С перейдет в точку В (фиг.1), а режим работы двигателя будет соответствовать режиму номинальной тяги при прежнем соотношении компонентов.
В табл.1-3 приведены результаты расчетов основных параметров, в том числе, температуры генераторного газа и оборотов ротора турбонасосного агрегата для двигателя РД-171М при работе на двух форсированных режимах (табл.1, 3) и номинальном режиме (табл.2).
 На фиг.2 приведен график, показывающий зависимость приростов оборотов ротора ТНА температуры генераторного газа T на входе в турбину от изменения тяги R двигателя, работающего на чистом керосине и на керосине с жидкой присадкой ПИБ. Из этого графика видно, что при наличии жидкой присадки ПИБ в керосине при работе двигателя на номинальном режиме происходит снижение температуры генераторного газа на входе в турбину (прямые E) и оборотов, ротора ТНА (прямые D). Графики построены по данным табл.1-3.

Таблица 1
1	Параметр	без ПИБ	с ПИБ
2	Концентрация раствора полиизобутилена (ПИБ), %	0	0,05
3	Доля увеличения тяги R, %	9	9
4	Изменение температуры газа на входе в турбину AT, град	54	0
5	Изменение скорости вращения ротора ТНА n, об/мин И Л	897	752
6	Температура газа на входе в турбину T, К	820	766
7	Скорость вращения ротора ТНА n, об/мин	14165	14020
8	Тяга в пустоте R, тс	879,0	879,0

В табл.2 приведены результаты расчета температуры генераторного газа и оборотов ротора ТНА для двигателя РД-171М при работе на номинальном режиме (с подрезкой крыльчатки насоса горючего по наружному диаметру).

Таблица 2
1	Параметр	без ПИБ	с ПИБ
2	Концентрация раствора полиизобутилена (ПИБ), %	0	0,05
3	Доля увеличения тяги R, %	0	0
4	Изменение температуры газа на входе в турбину T, град	0	-54
5	Изменение скорости вращения ротора ТНА n, об/мин	0	-145
6	Температура газа на входе в турбину, T, К	766	712
7	Скорость вращения ротора ТНА n, об/мин	13268	13123
8	Тяга в пустоте R, тс	806,4	806,4

В табл.3 приведены результаты расчета температуры генераторного газа и оборотов ротора ТНА для двигателя РД-171М при работе на форсированном режиме (с подрезкой крыльчатки насоса горючего по наружному диаметру).

Таблица 3
	Параметр	без ПИБ	с ПИБ
2	Концентрация раствора полиизобутилена (ПИБ), %	0	0.05
3	Доля увеличения тяги R, %	4,6	4,6
4	Изменение температуры газа на входе в турбину T, град	27	-27
5	Изменение скорости вращения ротора ТНА n, об/мин	449	304
6	Температура газа на входе в турбину T, К	793	739
7	Скорость вращения ротора ТНА n, об/мин	13717	13572
8	Тяга в пустоте R, тс	806,4	843,5

При работе двигателя на этом режиме (тяга двигателя увеличена на 4,6%) напор насоса горючего будет соответствовать величине суммарного эффекта от увеличения напора насоса и снижения гидропотерь в тракте регенеративного охлаждения камеры, при этом температура генераторного газа на входе в турбину будет оставаться меньше номинального значения, а скорость вращения ротора ТНА останется на прежнем уровне.
Из приведенных данных (см. табл.2) следует, что использование указанной присадки оптимальной концентрации (около 0,05% по массе) в керосине при работе двигателей РД-171М на номинальном режиме позволяет одновременно снизить температуру генераторного газа более чем на 7% и уменьшить скорость вращения ротора ТНА более чем на 1%.
Применение полимерной присадки в ЖРД с дожиганием турбогаза позволяет:
- либо понизить температуру генераторного газа на входе в турбину на 50°-60°C при номинальном значении тяги. Тем самым повышается стойкость к возгоранию в газовом тракте, улучшается напряженно-деформированное состояние конструкции и, следовательно, повышается ресурс и надежность двигателя в целом;
- либо, не повышая температуру генераторного газа, форсировать двигатель по тяге, что дает увеличение массы полезного груза, выводимого носителем.
В двигателях без дожигания уменьшение потребной мощности ТНА позволит уменьшить запас рабочего тела турбины на борту РН. Это дает увеличение массы полезного груза.

Промышленное применение
Применение присадки ПИБ в РН «Зенит» позволит, при необходимости. форсировать маршевые двигатели в «щадящем режиме». Например, при форсировании двигателя РД-171М с ПИБ в керосине на 5% обороты ТНА возрастут всего лишь на 340 об/мин (мри работе с чистым керосином - на 490 об/мин). При этом температура генераторного газа Tгг будет даже меньше номинальной на 25°C.

           ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ          
Способ повышения энергетических характеристик жидкостного ракетного двигателя, работающего на компонентах топлива жидкий кислород и углеводородное горючее, причем в качестве углеводородного горючего применяют керосин с жидкой присадкой, представляющей собой раствор высокомолекулярного полиизобутилена (ПИБ) со средневязкостной молекулярной массой от 3,1·106 до 4,9·10 6 в керосине в количестве, обеспечивающем концентрацию полиизобутилена в керосине от 0,015% до 0,095% от массы керосина, и осуществляют подрезку крыльчатки насоса горючего турбонасосного агрегата двигателя, при этом наружный диаметр крыльчатки D 2 определяют по формуле



D1 - наружный диаметр рабочего колеса штатного насоса горючего;

A - относительное увеличение напора насоса горючего при работе с ПИБ;

B - относительное уменьшение гидросопротивления тракта регенеративного охлаждения камеры из-за влияния ПИБ;

- отношение гидросопротивления тракта регенеративного охлаждения к напору насоса подачи компонента без ПИБ, чтобы значение массового соотношения компонентов (Km) при работе двигателя на номинальном и форсированном режимах с использованием керосина с жидкой присадкой ПИБ оставалось равным значению Km при работе на чистом керосине.

[Старый]

Не смог понять за счёт чего присадка обеспечивает эффект. Увеличивает плотность, уменьшает вязкость, увеличивает теплоту сгорания или что?   :oops:

[oby1]

НЯП, присадка уменьшает вязкость - гидросопротивление падает - растёт расход компонента - уменьшают диаметр крыльчатки что бы сохрантить соотношение компонентов. Выигрыш в уменьшении забора энергии турбиной.

То есть открывается возможность форсирования движка "малой кровью"

[Старый]

oby1 пишет:
НЯП, присадка уменьшает вязкость - гидросопротивление падает - растёт расход компонента - уменьшают диаметр крыльчатки что бы сохрантить соотношение компонентов. Выигрыш в уменьшении забора энергии турбиной.

Получается что так. Но что  они в явном виде то не написали...

[Bell]

oby1 пишет:
НЯП, присадка уменьшает вязкость

Че-то ощущение такое, что потери на насосе и так единицы процентов от общих, а присадки даже этого не обнулят, так что общий прирост будет околонулевой.

[oby1]

 Смысл в том, что нагруженность насоса падает а значит можно форсировать ещё, без угрозы разрушения насоса. Цель - форсирование.

[Плейшнер]

Смысл в том, чтобы налить обычный керосин в ракету с подрезанной крыльчаткой или керосин с присадкой в обычный неподрезанный мотор. Больше ничего

[oby1]

 Наоборт, ато соотношение компонентов изменится.

[Плейшнер]

oby1 пишет:
Наоборт, ато соотношение компонентов изменится.

Нет,  именно как написано. Чтобы было где ошибиться

[Salo]

Таки добавили полиизобутилен?
http://t-digest.ru/2018/01/29/uralvagonzavod-postroil-kosmicheskuyu-benzokolonku-i-predlagaet-novoe-toplivo-dlya-raket/      

Уралвагонзавод построил «Космическую бензоколонку» и предлагает новое топливо для ракет

На космодроме «Восточный» готовятся к запуску ракеты-носителя «Союз-2.1а». Он намечен на 1 февраля. Специалисты Уралвагонзавода обеспечивают старт космического корабля с российскими спутниками дистанционного зондирования Земли и мониторинга чрезвычайных ситуаций «Канопус-В» № 3 и № 4. «Союз-2.1а» заправят абсолютно новым топливом — нафтилом.
Уникальный заправочный комплекс, работающий сразу с несколькими видами горючего, разработало и построило в Амурской области Нижнетагильское предприятие «Уралкриомаш». Одно и них – нафтил – экологически безопасный тип углеводородного горючего с применением полимерных присадок. Его использование позволит семейству трехступенчатых ракет-носителей среднего класса выводить на все типы орбит большую полезную нагрузку, чем использовавшийся ранее химический ракетный двигатель в основе которого лежит пара «кислород-керосин». Полный переход «Восточного» на нафтил запланирован на 2019 год.

[Odin]

нафтил – экологически безопасный тип углеводородного горючего

Это информация для местных сусликов? Или для коммунальщиков Циолковского - поливать газоны?

[Salo]

https://rns.online/interviews/Razrabotchik-raket-Soyuz-o-konkurentsii-na-kosmicheskom-rinke--2016-11-07/?track=main_interview

— Сообщалось, что ракеты «Союз-2», стартующие с Восточного, могут быть переведены на новое топливо. Чем это вызвано? Будут ли переводиться на новое топливо «Союзы», стартующие с Байконура, Плесецка и Куру?

— Действительно, в РКЦ «Прогресс» начались работы по переводу космического ракетного комплекса «Союз-2» на космодроме Восточный на горючее нафтил вместо керосина. Керосин используется в качестве горючего маршевых двигателей ракет-носителей «Союз-2.1а» и «Союз-2.1б» в паре с окислителем — жидким кислородом. Решение об использовании нафтила в качестве горючего было принято в связи с постепенным снижением объема добываемой нефти 4-го горизонта. Нафтил, в свою очередь, может производиться из любого вида нефти. Использование нафтила в двигателях ракет «Союз-2» позволит выводить порядка 100‒ 200 кг дополнительной полезной нагрузки.

Обсуждается перевод на горючее нафтил ракет-носителей «Союз-2», стартующих с Байконура, Плесецка и Куру.

[Salo]

Ранее РГ-1 (нафтил) производился из нефти Анастасиевско-Троицкого месторождения в Краснодарском крае.

[Salo]

Статья 2005 года:
http://engine.aviaport.ru/issues/42/page44.html

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ПРИ ДОБАВЛЕНИИ К ТОПЛИВУ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРИСАДОК
НПО Энергомаш: Владимир Чванов, Игорь Фатуев, Валерий Гапонов, Леонид Стернин

Из 54 успешных запусков ракет, осуществленных в мире в 2004 г., Российская Федерация произвела 23, что составляет 42,6 %: пока Россия является мировым лидером по обеспечению доставки полезных грузов на орбиту. Но... В основном нами используются старые ракеты - "Союз" (40 %) и "Протон" (35 %). Запас технических мероприятий по модернизации этих носителей-ветеранов практически иссяк. Проведение НИР и НИОКР, связанных с совершенствованием средств выведения в целом и двигателей в частности, требует огромных инвестиций. В НПО Энергомаш предложен новый малозатратный способ улучшения основных технических и энергомассовых характеристик эксплуатируемых ЖРД.

Общее состояние в сфере запусков космических аппаратов в ближний и дальний космос определяется интересами имеющих доступ в космическое пространство стран в области обороны, науки, экологии, метеорологии, спутниковой связи и др. Присутствие в космическом пространстве имеет стратегическое значение, поэтому неудивительно, что в последние годы появились новые страны, которые создали у себя космические отрасли промышленности и успешно развивают собственные космические программы. В первую очередь, это - Китай и Индия. Все более настойчивые попытки в этой области предпринимают Южная Корея, Япония, Бразилия, Израиль. Таким образом, мировой парк средств выведения растет. Вместе с тем, существенного увеличения общего количества запусков РН, эксперты не прогнозируют. Это во многом объясняется тем, что современные КА становятся все более долгоживущими, способными выполнять свои задачи в течение многих лет, а осуществление любой космической программы остается весьма дорогостоящим делом. К сожалению, пока не удается существенно снизить стоимость вывода на орбиту единицы массы полезного груза. Как отмечается в одной из публикаций "современное состояние мирового космического рынка характеризуется избытком предлагаемых РН при ограниченном спросе на пусковые услуги". В связи с этим среди подрядчиков усиливается конкурентная борьба за заказы на запуски КА. Одним из инструментов в этой борьбе является недорогая модернизация эксплуатируемых носителей с целью повышения их эффективности.

Энергомассовая эффективность ЖРД определяется уровнем его основных (тяга, удельный импульс) и габаритно-массовых параметров. Эти параметры, в свою очередь, определяют проектно-баллистические параметры и габаритно-массовые характеристики ракеты-носителя. Для повышения энергомассовых характеристик двигателя требуется повышать энергонапряженность его агрегатов, в том числе ТНА. Появляется противоречие: с одной стороны, повышение энергонапряженности необходимо для увеличения удельных параметров ЖРД, с другой стороны - снижение энергонапряженности обеспечивает ресурс и надежность носителя. Разрешение этого противоречия, как будет показано ниже, можно достичь путем одновременного снижения потерь давления в гидравлических трактах двигателя, повышения к.п.д. насосов и турбин, а также улучшения кавитационных характеристик агрегатов подачи топлива.

Рассмотрим проблемы совершенствования насосов ТНА ЖРД и снижения гидравлических потерь в трактах. Энергонапряженность ТНА можно характеризовать его потребной удельной мощностью (мощностью, отнесенной к массе ТНА), которая уменьшается, если увеличивать к.п.д. и уменьшать потребный напор насосов. В ЖРД, работающих по схеме с дожиганием турбогаза в камере сгорания, снижение потребной мощности ТНА не влияет на удельный импульс, но при фиксированном давлении в камере сгорания позволяет уменьшить необходимые давление и температуру на входе в турбину. Это увеличивает надежность и снижает массу ТНА. В двигателях, работающих по схеме с автономной турбиной, снижение потребной мощности ТНА уменьшает расход газа через турбину, и, следовательно, запас рабочего тела турбины на борту РН. Тем самым, можно увеличить массу полезного груза ракеты-носителя, в том числе благодаря некоторому повышению удельного импульса ЖРД.

Рассмотрим составляющие мощности агрегата подачи ЖРД на примере насоса горючего, подающего компонент в камеру сгорания двигателя (схема с дожиганием окислительного турбогаза). Потребное давление на выходе из насоса определяется давлением в камере сгорания и потерями давления в магистрали от выхода из насоса до входа в камеру сгорания. Последние состоят из потерь из-за трения в тракте регенеративного охлаждения камеры и местных потерь различного характера. Гидросопротивление тракта регенеративного охлаждения камеры составляет довольно большую величину. Например, в двигателях схемы с дожиганием окислительного турбогаза разработки НПО Энергомаш на топливе кислород-керосин величина гидропотерь составляет около 30 % и более от напора насоса.

Практически во всех схемах ЖРД для обеспечения бескавитационной работы основных насосов, применяются бустерные насосные агрегаты (БНА). Привод турбины БНА обычно осуществляется с помощью расхода жидкости высокого давления, отбираемой после основного насоса. Это определяет дополнительную долю мощности основного насоса, связанную с приводом БНА, в современных ЖРД составляющую около 7 %. Мощность БНА, в первую очередь, определяется уровнем антикавитационных качеств основного насоса, а также экономичностью и антикавитационными качествами самого БНА. Таким образом, потребная мощность ТНА ЖРД определяется: совершенством (низкими гидравлическими потерями) гидравлических трактов топливных магистралей и тракта регенеративного охлаждения камеры; экономичностью насосов ТНА и БНА; уровнем антикавитационных качеств насосов ТНА и БНА.

Снижение той доли гидравлических потерь в ЖРД, которая определяется потерями из-за трения, означает снижение коэффициента потерь из-за трения , зависящего от числа Рейнольдса в тракте и шероховатости поверхностей гидравлических трактов. Технология изготовления материальной части на предприятиях аэрокосмической отрасли достаточно высока. Для условий течения жидкости в трактах ЖРД такие поверхности являются гидравлически гладкими. Следовательно, возможностей снижения коэффициента традиционными путями нет.

Достигнутый к настоящему времени уровень к.п.д. в насосах агрегатов подачи ЖРД достаточно высок. Что касается повышения антикавитационных качеств, то в одних случаях это приводит к уменьшению к.п.д. и увеличению массы насосов; в других же случаях требуется усложнение конструкции насосного агрегата, что тоже может приводить к увеличению его массы.

На современном этапе дальнейшее улучшение экономичности и кавитационных характеристик насосов ЖРД является весьма затратоемкой задачей. Добиться успехов в этой области при создании насосов БНА и ТНА можно при условии широкого применения новейших вычислительных методов расчета трехмерных потоков жидкости и экспериментальной отработки насосов на модельных и натурных установках. При этом сложность и затраты при разработке нового насоса пропорциональны уровню к.п.д. и кавитационных параметров, достигнутых на настоящий момент. Такие работы, конечно, введутся в ряде организаций, в том числе и в НПО Энергомаш, но это не исключает и использования других путей, ведущих к эффективному повышению рассмотренных выше характеристик.

В сложившейся ситуации особый интерес представляет собой эффект, сопровождающий течение сильно разбавленных (10-3...10-2 % по массе) растворов высокомолекулярных полимеров (ВМП). Основной особенностью такого потока является аномально низкое гидравлическое сопротивление трения при турбулентном режиме течения. Это явление, по имени его открывателя (1948 г.), носит название "эффекта Томса". Многочисленные исследования показали, что величина снижения гидросопротивления зависит от концентрации полимера в растворе, характеристик потока и ограничивающих его стенок, свойств полимера, растворителя и может достигать в трубах 80 %. При работе лопастных насосов на жидкости с растворенными ВМП происходит возрастание напора и к.п.д. Заметно улучшаются кавитационные характеристики насосов и снижается кавитационная эрозия.

Природа этого явления заключается в воздействии растворенных молекул полимера на структуру турбулентного течения в пристенной зоне между ламинарным подслоем и зоной с логарифмическим распределением скорости. Развернутые и ориентированные по потоку молекулярные цепи полимера препятствуют поперечному переносу. При этом происходит диссипация энергии поперечных струй, что обуславливает снижение турбулентного трения.

Использование ВМП в качестве присадки в компоненте ракетного топлива приводит к уменьшению гидравлических потерь в трактах двигателя, в том числе в агрегатах подачи, и в тракте регенеративного охлаждения камеры. Кроме того, в насосах, при работе с полимерной присадкой, как отмечалось выше, улучшаются кавитационные характеристики и снижается интенсивность кавитационной эрозии.

Напомним, что растворенные молекулы полимера уменьшают турбулентное трение, которое в жидкости имеет место всегда. Поэтому полимерная присадка позволяет добиться дополнительного снижения гидропотерь в трактах ЖРД любой степени совершенства.

Все это в совокупности позволяет для двигателей с дожиганием турбогаза: либо уменьшить потребную мощность насосов и, соответственно, потребную мощность турбины ТНА, что дает возможность понизить температуру генераторного газа на входе в турбину при номинальном значении тяги двигателя и, тем самым, повысить стойкость к возгоранию в газовом тракте, улучшить напряженно-деформированное состояние конструкции и, как следствие, повысить ресурс и надежность двигателя в целом; либо, сохраняя номинальной температуру генераторного газа, можно увеличить давление в камере сгорания, т.е. форсировать двигатель по тяге, что обуславливает увеличение массы полезного груза, выводимого носителем.

В двигателях без дожигания генераторного газа уменьшение потребной мощности ТНА позволяет уменьшить запас рабочего тела на привод турбины и несколько увеличить удельный импульс двигателя. В конечном счете, это существенно увеличивает массу полезного груза, выводимого носителем.

В НПО Энергомаш была разработана и реализована крупномасштабная программа экспериментальных исследований влияния полимерной присадки в ракетном горючем типа керосина на характеристики агрегатов ЖРД, включающая автономные испытания отдельных агрегатов ЖРД и серию огневых испытаний самого мощного ЖРД в мире - двигателя РД170 разработки НПО Энергомаш. В качестве присадки, после предварительных экспериментов, был выбран высокомолекулярный полиизобутилен (ПИБ) российского производства. Как продукт, ПИБ относится к синтетическим каучукам, не токсичен, его производство хорошо освоено, стоимость, как и потребляемое для наших целей количество, - ничтожно малы.

Суммарное время работы двигателя с присадкой ПИБ в горючем составило 377 секунд. Положительный эффект в агрегатах подачи и в тракте регенеративного охлаждения камер двигателя оказался, сверх оптимистических ожиданий, настолько большим, что позволяет рассматривать применение полимерной присадки в компонентах ракетного топлива как новый малозатратный способ улучшения основных технических и энергомассовых характеристик эксплуатируемых ЖРД.
 Ниже приведены величины прироста параметров агрегатов двигателя РД170, вызванные присутствием ПИБ в горючем, в процентах от их номинальных значений: приведенный напор бустерного насоса - 12,7 %, напор первой ступени основного насоса - 6,5 %, суммарный к.п.д. первой ступени основного насоса - 13,5 %, напор второй ступени основного насоса - 12,5 %, гидропотери в тракте регенеративного охлаждения камеры минус 19,5 %.

В процессе выполнения программы исследований по этой теме были рассмотрены и изучены проблемы, возникающие в связи с внедрением модифицированного компонента ракетного топлива. Присутствие ПИБ в керосине не оказывает отрицательного влияния на термодинамику топлива и на рабочие процессы в камере сгорания. Присадка не оказывает влияние на качество распыла и другие процессы в камере сгорания, что подтверждает факт отсутствия замечаний в работе двигателя. В частности не обнаружено увеличения уровня пульсаций давления в камере сгорания и вибраций камеры при работе двигателя РД170 с присадкой ПИБ.

Экспериментально доказана термодинамическая стабильность растворов ПИБ в керосине в течение, по крайней мере, 3,5 месяцев при многократном изменении температуры в течение этого времени от +25 до -50 °С. Кроме этого, установлено, что в этом диапазоне температур присадка ПИБ не ухудшает стандартизованных показателей качества керосина.

Процесс растворения высокомолекулярных полимеров в керосине происходит медленно, через стадию набухания. Поэтому получение раствора ПИБ в горючем для использования в огневых испытаниях проводилось через стадию получения концентрированного раствора (1...2 %) в специально сконструированной установке. Далее необходимое количество концентрированного раствора методом выдавливания подавалось в расходные баки. Равномерность распределения ПИБ в баке достигалось барботированием всей массы жидкости газообразным азотом. Контроль количества растворенной присадки осуществляется измерением вязкости раствора. Вероятно, что такая технология наиболее целесообразна при подготовке пуска РН. Возможна следующая этапность эксплуатации: ПИБ, как продукт, хранится на складе; концентрированный раствор горючего готовится в месте заправки РН; концентрированный раствор вносится в горючее на стартовой позиции непосредственно при подготовке РН к пуску.

Очевидно, что максимальное снижение мощности ТНА можно получить, если добавлять полимерную присадку в оба компонента топлива. Однако пока не имеется сведений о возможности существования разбавленных полимерных растворов в криогенных жидкостях таких, например, как жидкий кислород. Поэтому в практическом плане максимальное снижение мощности ТНА с помощью полимерных присадок можно получить, когда оба компонента топлива являются высококипящими. Среди средств выведения, маршевые двигатели которых работают на высококипящих компонентах АТ и НДМГ, можно назвать РН "Протон", "Циклон", "Космос", "Днепр" (Россия), "CZ" (Китай), "GSLV" (Индия). Известны экспериментальные работы на автономных установках по влиянию полимерной присадки в этих компонентах топлива на энергетическую эффективность ТНА и эффективность регенеративного охлаждения камеры ЖРД. Результаты этих испытаний весьма обнадеживают. Например, с помощью полимерной присадки в АТ и НДМГ удалось снизить мощность ТНА ЖРД на 11 %. К сожалению, дальше автономных испытаний этих агрегатов дело не пошло.

Расчетный анализ эффективности применения полимерной присадки ПИБ в РН с кислородно-керосиновыми двигателями показывает следующее. Использование ПИБ в РН "Союз", с помощью которой осуществляется приблизительно 40 % запусков в Российской Федерации, позволяет увеличить массу полезного груза из-за экономии на борту РН запаса рабочего тела на привод турбин ТНА маршевых двигателей. Экономия пероксида водорода (первая и вторая ступени) составляет приблизительно 450 кг. Экономия компонентов топлива двигателя третьей ступени составляет приблизительно 76 кг. Для оценки возможного увеличения массы полезного груза РН "Союз" за счет использования присадки ПИБ необходимы специальные расчеты с использованием соответствующих баллистических производных.

Наличие ПИБ в горючем позволяет выбрать режимы работы маршевых двигателей РН "Зенит" с уменьшенными значениями температуры генераторного газа на входе в турбину ТНА и скорости вращения вала ТНА, что повышает их ресурс и надежность. Двигатели будут обеспечивать номинальные параметры при значении температуры на входе в турбину примерно на 7 % меньшей номинальной и при значении скорости вращения ротора ТНА примерно на 1 % меньше номинальной. Использование горючего с присадкой ПИБ в РН "Зенит" позволит увеличить массу полезного груза, выводимого на переходную к геостационарной орбиту, на 1,8 % без увеличения скорости вращения ротора ТНА и на 17 % без изменения температуры газа на входе в турбину ТНА маршевых двигателей, если в последнем случае имеется возможность их форсирования на 10 %.

Вышеприведенное относится к случаю использования полимерной присадки в эксплуатируемых двигателях. Расчетная оценка показывает, что еще больший положительный эффект можно получить, если использовать ЖРД, специально спроектированный для работы с полимерной присадкой. В этом случае дополнительный выигрыш получается из-за возможности повышения давления камере сгорания и соответствующего поджатия критического сечения сопла, а также меньших габаритов и массы агрегатов подачи.
 

[Salo]

Диссертация 2014 г.:
Ташев Виталий Петрович
Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД  
http://www.dslib.net/teplo-dvigateli/uglevodorodnoe-gorjuchee-na-osnove-kerosina-s-prisadkami-dlja-povyshenija.html

[Salo]

http://www.engine.space/press/pressnews/2059/

Главный конструктор НПО Энергомаш Петр Левочкин, отметил, что в 2017 году велась подготовка и модернизация двигателя РН «Союз», направленная на адаптацию РН для старта с космодрома «Восточный», а также сертификация нового горючего «Нафтил». В НПО Энергомаш и на предприятиях-изготовителях двигателя была разработана конструкторская документация и изготовлена материальная часть для проведения в 2018 году испытаний на новом горючем с доработанной системой регулирования двигателя.

[Salo]

Аверьков И.С., Демская И.А., Катков Р.Э., Разносчиков В.В., Самсонов Д.А., Тупицын Н.Н., Яновский Л.С.
Анализ энергетических возможностей составных углеводородных горючих для кислородных двигателей космических ракетных ступеней
http://www.techjournals.ru/journals/avia/97-kosmicheskaya-tehnika-i-tehnologii-4-oktyabr-dekabr-2017.html

Прямая ссылка на файл: https://yadi.sk/i/VhtYZ6xR3VYKZ8

[Salo]