«Беспрецедентный импульс»
Вот и подошел к завершению этап доводочных испытаний двигателя 11д58МФ, где специалистами РКК Энергия, был достигнут самый высокий в мировой практике показатель энергоэффективности и совершенства двигателя — удельного импульса (Напомним, что удельный импульс выражает время, в течение которого двигатель развивает тягу в 1 ньютон 1N = 1кгс/0,102 используя 1кг топлива) для керосинового ЖРД(Жидкостный ракетный двигатель)
Тем самым, опередив предыдущего фаворита в гонке за совершенство - РД0124 КБ Хим автоматики(с 3й ступени <Блока И» ракеты-носителя Союз 2.1б) с показателем удельного импульса в 359с
Новая модификация двигателя 11д58МФ в свою очередь, смогла достичь беспрецедентного в мировой практике уровня технического и энергетического совершенства, где показатель удельного импульса в пустоте, достиг невероятных - 372х секунд.
Для сравнения
РД0124 - 359с
РД120 - 355с
Merlin 1D vac+ - 347c
РД 180/191 - 337c
Merlin 1D+ - 321с
РД107А - 320с
11д58МФ( Разгонный блок ДМ03) обладает рядом особенностей, требующих нестандартных подходов к его проектированию. Блоки двигателей малой тяги, работающие на газообразном кислороде и обеспечивающие предстартовый импульс разгонного блока и ориентацию РБ в полёте. Охлаждение камеры осуществляется жидким кислородом без использования внутреннего завесного охлаждения, сопло камеры выполняется с неохлаждаемым насадком с высокой степенью расширения( 1 к 500 / 1:500 ). Эффективность организации рабочего процесса в камере сгорания обеспечивается щелевой смесительной головкой, в которой использована схема смешения компонентов топлива: струя горючего в сносящем потоке окислителя. Основные проектно-конструкторские решения по камере сгорания: использование щелевой смесительной головки двигателя, выполнение геометрии тракта охлаждения с переменными высотой, толщиной и углом наклона ребра к оси камеры, технология изготовления, сборки и пайки смесительной головки и камеры сгорания прошли экспериментальную апробацию. В процессе проектирования ЖРД был определён состав агрегатов пневмогидроавтоматики, блока двигателей малой тяги, автономной системы управления двигателем, подход к выбору которых носит универсальный характер и может быть использован при разработке аналогичных двигателей.
Представляется возможным оценить результаты выполненной работы по созданию двигателя 11Д58МФ.
Камера сгорания
Камера сгорания (КС) двигателя 11Д58МФ обладает следующими особенностями:
—охлаждение камеры осуществляется криогенным кислородом без использования внутреннего завесного охлаждения камеры сгорания (КС) горючим, что позволяет значительно повысить удельный импульс.
- тракт охлаждения образован фрезерованными каналами с переменной высотой, углом наклона к оси и толщиной ребра;
- на дне каналов электроэрозионным способом нанесена искусственная шероховатость с оптимальным профилем;
- на огневую стенку из бронзы БрХЦрТ со стороны продуктов сгорания нанесено хромовое покрытие малой толщины;
- смесительная головка щелевого типа и конструкция в основном заимствуется от двигателя-прототипа 11Д58М;
- профиль сверхзвуковой части сопла выполнен со второй угловой точкой.
При проектировании конструкции тракта охлаждения был проведён комплекс расчётных работ, направленных на обеспечение оптимального теплового состояния огневой стенки камеры сгорания при сохранении приемлемого перепада давления. Была разработана расчётная методика, позволяющая проводить оценку теплового состояния камеры сгорания с учётом особенностей течения криогенного кислорода. При проектировании камеры было принято, что каналы тракта охлаждения должны иметь переменный профиль. Фрезерование каналов, имеющих переменную высоту, угол наклона к оси и толщину ребра, для современных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) не представляет сложности. Нанесение искусственной шероховатости, предназначенной для интенсификации теплообмена от огневой стенки к охладителю, является отработанной технологической операцией, хотя и достаточно трудоёмкой.
Соединение бронзовой огневой стенки и стальной наружной оболочки камеры осуществляется высокотемпературной вакуумной пайкой. Этот процесс является одним из самых ответственных при изготовлении камеры, поскольку отклонения от технологического процесса пайки могут приводить к запаям тракта охлаждения. Две из семи изготовленных камер сгорания были изготовлены с запаями одного-двух каналов тракта охлаждения, связанными с отличиями технологии их изготовления от штатной: в сужающейся части камеры сгорания наружная оболочка сопла была сформирована вкладышами. Тем не менее, данные камеры сгорания прошли огневые испытания, во время которых были получены ценные данные по поведению конструкции при наличии дефекта. После перехода к штатной технологии изготовления КС с использованием развальцовки сверхзвуковой части сопла последующие камеры сгорания не имели дефектов, связанных с запаями тракта охлаждения.
Эффективность рабочего процесса в камере сгорания зависит от качества распыла и смешения компонентов топлива, обеспечиваемого смесительной головкой. Принцип работы щелевой смесительной головки основан на смешении и горении струй горючего в сносящем потоке окислительного газа, что обеспечивает более высокую равномерность поля температур по сравнению с форсуночными головками (струйно-струйными и струйно-центро-бежными). Наибольшим недостатком щелевой смесительной головки является сложная технология изготовления: кольца, образующие каналы подачи горючего, соединяются высокотемпературной вакуумной пайкой. Несмотря на некоторую схожесть технологии с пайкой камеры, требования к обеспечению режима пайки смесительной головки значительно строже. При пайке необходимо обеспечить надёжное соединение периферийного кольца, выполненного из меди, с толстостенным стальным корпусом, соединение колец подачи горючего и пилонов, и при этом герметичность полученных соединений должна быть полной. Для этого требуется равномерность температурного по-ля в процессе пайки и плавное остывание после него.
Качество изготовления щелевой смесительной головки контролируется проведением проливки водой и продувкой воздухом, во время которой измеряется равномерность поля скоростей на выходе. При высокой неравномерности во время огневой работы камеры смесительная головка может создавать высокотемпературные струи, которые приведут к перегреву огневой стенки и её прогару, что и было обнаружено при огневых испытаниях некоторых опытных камер сгорания.
Для подтверждения эффективности и надёжности охлаждения жидким кислородом было изготовлено и испытано 3 экспериментальных и 5 опытных камер сгорания (ОКС). Максимальная наработка на одной из камер составила 210 с при 7 включениях. Получен большой объём экспериментальных данных: показатели экономичности рабочих процессов в камере сгорания, значения перепада давления и подогрева кислорода в тракте охлаждения, поведение основного материала и хромового покрытия огневой стенки. Исследованы процессы окисления поверхности тракта охлаждения и разработаны мероприятия по снижению их влияния. Проведён анализ поведения материала огневой стенки при появлении пролиза огневой стенки и втекания кислорода в огневую полость: катастрофического разрушения конструкции при этом не происходит, камера сохраняет работоспособность. Таким образом, получено экспериментальное подтверждение проект-но-технических решений.
Методический подход, основанный на автономных испытаниях каждого элемента двигателя, отработке циклограммы запуска двигателя на экспериментальной установке, обеспечивает гибкость процесса разработки двигателя и позволяет оперативно вносить уточнения и усовершенствования. До начала изготовления маршевых двигателей будет отработано большинство принятых технических решений.
На сегодняшний день можно сделать однозначный вывод: что фаворитом в области разработки и производстве керосиновых ракетных двигателей — Россия вот уже 50 лет занимает абсолютное лидерство. И даже в ближайшей перспективе будущего, не видеться никого, кто бы смог на столь высоком техническом уровне составить конкуренцию отечественному двигателестроению.