Содержание
Ту-155: начало криогенной авиации
15 апреля 1988 года совершил первый полет самолет Ту-155, силовая установка которого работала на криогенном топливе – жидком водороде. Не имевший в то время мировых аналогов двигатель НК-88 был разработан на самарском двигателестроительном предприятии «Кузнецов». Инициатива же создания самого самолета, использовавшего криогенный вид топлива вместо авиационного керосина, принадлежала конструкторскому бюро «Туполев».
В середине 1970-х годов СССР, как и весь мир, испытывал энергетический кризис из-за дефицита добычи нефти. Поэтому активно обсуждалась возможность применения альтернативных видов топлива. Пожалуй, для XXI века с его экологическими проблемами эта тема еще более актуальна. Об истории создания уникального Ту-155 и криогенном будущем авиации – в нашем материале.
Рожденный «Холодом»
Прошедший в 2019 году авиасалон МАКС, помимо презентации целого ряда новинок отечественного военного и гражданского авиастроения, предоставил отличную возможность в прямом смысле прикоснуться к прошлому отечественной авиации.
На статической стоянке аэродрома Жуковский была организована историческая экспозиция легендарных советских реактивных самолетов. Одно из центральных мест там занял Ту-155 – экспериментальный самолет с двигателем на криогенном топливе.
«Криогенный» переводится как «рожденный холодом». Речь идет о топливе, охлажденном до очень низких температур, когда газ переходит в жидкое состояние. Первым газом, с которым стали работать создатели Ту-155, стал водород. После самолет успел полетать и на сжиженном природном газе (СПГ).
Самолет Ту-155 на МАКС-2019
Научные работы по конструированию Ту-155 начались еще в 1970-е годы. Тогда в мировой энергетике назревал кризис – газовое топливо стало цениться дороже, чем нефтяное. Потребление нефти продолжало снижаться. Кстати, по подсчетам геологов, потенциальные запасы газа на планете в десятки раз превосходят запасы угля и нефти. При этом наша страна занимает первое место в мире по разведанным запасам природного газа.
В 1970-е годы советская Академия наук разработала программу НИОКР по внедрению водородной энергетики в народное хозяйство. В авиапроме эта программа получила соответствующее название – «Холод». Предусматривалось создание авиационных двигательных установок на криогенном топливе. Кроме экологической составляющей, был и другой пункт в пользу чистого топлива – развитие гиперзвуковых и авиационно-космических систем. В те годы вовсю шла работа над созданием «Бурана», а топливом одной из ступеней ракеты-носителя космического челнока были жидкие кислород и водород.
В середине 1980-х годов специалисты ОКБ А.Н. Туполева приступили к созданию самолета – летающей лаборатории, работающего на криогенном топливе. Базой для экспериментального лайнера стал пассажирский Ту-154.
В качестве авиационного топлива был использован жидкий водород – почти идеальное экологически чистое топливо выделяет при сгорании в основном воду и незначительное количество окислов азота.
По теплотворной способности водород втрое превосходит традиционный авиационный керосин. Но в то же время водород взрывоопасен, хранить и транспортировать его можно только в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (–273 °С). И это представляет собой серьезную проблему.
«При проектировании летающей лаборатории пришлось существенно изменить компоновку Ту-154 и решить целый ряд сложнейших технических задач. В хвостовой части фюзеляжа, где располагался пассажирский салон, был оборудован герметичный отсек, и в нем установлен криогенный бак на 20 куб. метров жидкого водорода с экранно-вакуумной теплоизоляцией, которая долгое время сохраняет в баке температуру ниже минус 253 градусов по Цельсию», – рассказывает заместитель генерального директора ПАО «Туполев» по проектированию, НИР и ОКР Валерий Солозобов, принимавший непосредственное участие в создании Ту-155.
Экспериментальный турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88 на Ту-155.
Фото: Андрей Сдатчиков / Airwar.ru
Правый двигатель самолета заменили модифицированным двигателем НК-88, работающим на жидководородном топливе. Для его подачи вместо привычного насоса установили высоконапорный турбонасосный агрегат, наподобие тех, что используются в ракетных двигателях. Для обеспечения надежной взрыво- и пожаробезопасности самолета, из отсека с криогенным баком убрали почти всю электропроводку – источник возможного образования искры. Спроектировали и смонтировали дренажную систему, которая отводит из бака пары водорода на безопасное расстояние от двигателей и источников электричества. Всего было сконструировано более 30 дополнительных бортовых систем.
15 апреля 1988 года экипаж летчика-испытателя Владимира Севанькаева поднял в небо экспериментальный самолет Ту-155 с тремя двигателями, один из которых работал на жидком водороде. Это считается первым в мире полетом на криогенном топливе.
Водород и «синдром Гинденбурга»
На практике, при всех своих достоинствах, криогенная авиация оказалась не таким уж простым проектом.
Водород заслужил репутацию самого взрывоопасного топлива. Довольно длительное время имела место своего рода водородная боязнь. Этот феномен даже получил имя – «синдром Гинденбурга» в память о гибели в 1937 году дирижабля «Гинденбург», наполненного водородом. Такая переоценка реальной опасности водорода сдерживала развитие водородной энергетики. При этом недооценивать опасность водорода также не стоит.
Экспериментальные полеты Ту-155 дали бесценный опыт для дальнейшего усовершенствования авиационных криогенных топливных систем. Следующим этапом проекта Ту-155 стало его переоборудование на более удобное в эксплуатации топливо – сжиженный природный газ.
Система заправки для самолета Ту-155
«Как и водород, СПГ значительно меньше загрязняет окружающую среду, его теплотворная способность на 15% выше, чем у авиационного керосина. Водород взрывоопасен, хранить и транспортировать его можно только в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, что представляет очень серьезную проблему.
Хранить СПГ в жидком виде гораздо проще, температура может быть около –160 °С, что почти на 100 градусов выше, чем при хранении водорода», – поясняет Валерий Солозобов.
В январе 1989 года летающую лабораторию Ту-155 оснастили криогенным двигателем, работающим на СПГ. Первые же полеты показали, что по сравнению с керосином удельный расход топлива снижается примерно на 15%, а экономичность воздушного лайнера существенно возрастает.
Всего на Ту-155 было совершено 70 полетов: в пяти из них топливом служил водород, в остальных – сжиженный природный газ. Все полеты прошли без отказов самолетного криогенного комплекса и еще раз доказали, что расход топлива по сравнению с керосином меньше, при этом сопло двигателя остается чистым.
Люди, научившие не бояться водорода
Руководство страны высоко оценило достижение специалистов ОКБ А.Н. Туполева и смежных предприятий авиационной отрасли, участвующих в разработке Ту-155.
Лауреатами премии Правительства Российской Федерации стали 15 участников работ, многие другие специалисты за участие в этой непростой работе удостоены высоких званий и правительственных наград.
Неоценимый вклад в создание и развитие отечественной авиации на криогенном топливе внесло огромное количество специалистов разного уровня. Куратором проекта в Министерстве авиационной промышленности был Леонид Михайлович Шкадов – замминистра авиапромышленности. Алексей Андреевич Туполев выступил инициатором проекта и его дальнейшего развития. В создании Ту-155 также принял участие великий инженер, академик Кузнецов Николай Дмитриевич.
Душой Ту-155, его руководителем в ОКБ А.Н. Туполева был Владимир Александрович Андреев. За силовую установку отвечал Валентин Всеволодович Малышев, внесший огромный вклад в успех благодаря глубоким знаниям и неуемной энергии. Под руководством будущего гендиректора предприятия «Туполев» Валентина Тихоновича Климова была разработана уникальная программа обеспечения безопасности, позволившая провести все работы без серьезных происшествий.
Вячеслав Дмитриевич Борисов руководил созданием наземного комплекса и испытательных стендов на летной базе в Жуковском. Валерий Иванович Солозобов отвечал за производство, подготовку летных испытаний в КБ и разработку конструкции водородного бака, который был изготовлен под руководством Рудольфа Зашляпина на криогенном производстве Уралвагонзавода.
Владимир Александрович Андреев, руководитель проекта Ту-155 в ОКБ А.Н. Туполева
Также в работе активно участвовал высококвалифицированный состав ученых и инженеров Минобороны РФ, к примеру специальные испытания Ту-155 проводились на базе аэродрома Чкаловский. Также нельзя не сказать о вкладе выдающихся академиков Николая Павловича Лаверова, Анатолия Петровича Александрова, Валерия Алексеевича Легасова, ученых из Дубны Александра Григорьевича Зельдовича и Леонида Голованова, научивших не бояться водорода, а навсегда полюбить эту фантастическую жидкость. Кстати, система газового контроля для самолета была разработана в московском Опытно-конструкторском бюро автоматики (ОКБА) под руководством Юрия Михайловича Лужкова, будущего мэра Москвы.
В целом сформировалась замечательная команда из разных отечественных научных и производственных структур, создавшая самолет, который, как отмечают многие эксперты отрасли, сильно опередил свое время. К сожалению, уровень технологий того времени не позволил полноценно продолжить работу над данным проектом, но этот Ту-155 стал наглядным доказательством самой возможности создания криогенной авиации.
Криогенное будущее авиации
Разработка и применение новых типов источников энергии остается важной проблемой авиации в XXI веке, над решением которой работают специалисты и энтузиасты нового поколения. Звучат различные яркие идеи. Несколько лет назад калининградский школьник Сергей Горобец рассказал о своей электронной модели двигателя на криогенном топливе во время всероссийского открытого урока, который проводил Владимир Путин на площадке форума «ПроеКТОриЯ». Тогда юным изобретателем заинтересовались специалисты, а Госкорпорация Ростех предложила ему бесплатное обучение в одном из восьми вузов страны на выбор.
Сейчас Сергей учится в Московском авиационном институте по специальности «Самолетостроение», а форум «ПроеКТОриЯ» посещает уже в качестве эксперта от Ростеха.
Как, какими темпами, на каких технологических основах будет расширяться применение новых типов источников энергии в авиации – покажет время. Предстоит еще многое сделать по разработке специальных бортовых систем и в сфере развития наземной инфраструктуры.
Исследователи могут ошибаться на десятки лет, но запасы нефти в какой-то момент, вероятнее всего, будут исчерпаны. Та страна, ученые и специалисты которой первыми найдут эффективные решения в области неисчерпаемых источников энергии, получит преимущество.
Одно остается бесспорным: у России имеется уникальный опыт в этой области, и наша страна всегда была богата на талантливых ученых и изобретателей.
Летающая лаборатория Ту-155 проложила дорогу в небо криогенному топливу
Источник: газета «Независимая газета»
| Автор: | Валерий Агеев |
Опубликовано: 26.
05.2021, 11:32
В середине апреля этого года исполнилось 33 года со дня первого полета самолета Ту-155, силовая установка которого могла работать как на жидком водороде, так и на сжиженном природном газе. Всего было выполнено более 100 полетов, из них 5 на жидком водороде, установлено 14 мировых рекордов. Тот первый полет заложил основы создания советской гиперзвуковой и космической авиации, он по праву считается первым в мире полетом на криогенном топливе. Американские специалисты отмечали, что «полеты советского самолета на жидком водороде являются в истории авиации такой же вехой, как и первый орбитальный полет спутника в 1957 году».
С топливом проблем не будет
В середине 1980-х годов у специалистов ОАО «Туполев» появилась возможность создать самолет, работающий на сжиженном газовом топливе, в частности на водороде. Это почти идеальное экологически чистое топливо выделяет при сгорании в основном воду и незначительное количество оксидов азота. По теплотворной способности водород втрое превосходит традиционный авиационный керосин.
Были и другие аргументы в пользу этого выбора. Полным ходом шла работа над созданием отечественного космического корабля многоразового использования «Буран». (Он совершил свой первый и единственный полет 15 ноября 1988 года.) Топливной парой одной из ступеней ракеты-носителя космического челнока служили жидкие кислород и водород. В СССР уже были разработаны технологии и оборудование для производства и хранения водородного компонента. Предполагалось, что производство поставят на промышленную основу и с топливом не будет проблем.
С инициативой создания такого самолета, использующего в качестве топлива жидкий водород, выступил сын Андрея Николаевича Туполева, в то время генеральный конструктор ОКБ Алексей Андреевич Туполев. Эта программа позволяла одновременно кардинально улучшить экологическую обстановку в стране, а также заложить основы создания гиперзвуковой и космической авиации.
На базе пассажирского лайнера Ту-154 туполевцы построили летающую лабораторию Ту-155. Проектировщикам пришлось существенно изменить компоновку самолета и решить целый ряд сложнейших технических задач, поскольку водород взрывоопасен, хранить и транспортировать его можно только в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (273 °C ниже нуля).
И это представляло очень серьезную проблему.
В хвостовой части фюзеляжа, где был пассажирский салон, туполевцы оборудовали герметичный отсек и установили в нем криогенный бак на 20 куб. м жидкого водорода с экранно-вакуумной теплоизоляцией.
Правый двигатель самолета заменили модифицированным НК-88, созданным в Самаре в двигателестроительном конструкторском бюро под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2 и работающим на жидководородном топливе. Двигатель мог работать и на сжиженном природном газе. Для подачи водорода вместо привычного насоса установили высоконапорный турбонасосный агрегат наподобие тех, что используются в ракетных двигателях.
Чтобы обеспечить взрыво- и пожаробезопасность самолета, из отсека с криогенным баком убрали почти всю электропроводку — источник возможного образования искры. Спроектировали и смонтировали дренажную систему, которая отводит из бака пары водорода на безопасное расстояние от двигателей и источников электричества.
Установили азотную систему, замещающую азотную атмосферу в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечки криогенного топлива задолго до взрывоопасной концентрации.
Интересно отметить, что система газового контроля для самолета была разработана в московском Опытно-конструкторском бюро автоматики (ОКБА) под руководством Юрия Михайловича Лужкова, будущего мэра Москвы. Всего было сконструировано более 30 дополнительных бортовых систем.
Должность — «бегущий» инженер
Переоборудованный таким образом Ту-155 впервые поднялся в воздух 15 апреля 1988 года. Его пилотировал заслуженный летчик-испытатель Владимир Андреевич Севанькаев. В состав экипажа входили второй пилот Валерий Викторович Павлов, борт-инженер Анатолий Александрович Криулин, второй борт-инженер Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель Валерий Владимирович Архипов.
«Я попал на этот самолет, в общем-то, случайно, — вспоминает В.В. Архипов, ведущий инженер по летным испытаниям самолетов, заслуженный испытатель космической техники РФ.
— В то время работал в ЛИИ им. М.М. Громова в отряде космонавтов Игоря Волка, который его и возглавлял, и готовился к полетам на космическом самолете «Буран». В 1984 году пришел приказ министра авиационной промышленности СССР о командировании меня на Ту-155 в качестве ведущего инженера по летным испытаниям. Почему меня? Я имел неплохое летное и инженерное образование, немалый опыт работы в течение восьми лет в ЛИИ на испытательной работе».
Ведущий инженер — это главная фигура во всех видах испытаний. Ведь летающая лаборатория для испытаний авиадвигателей — это огромный летающий стенд. Работа не из обычных. Ведь ни воздушные ямы, ни сильное воздействие работающего опытного двигателя не должны машину сбить с маршрута.
После полета летчики идут отдыхать, а у ведущего инженера начинается основная часть работы. Ему необходимо организовать проявку и расшифровку полученных материалов, сделать быстрый экспресс-анализ результатов. Наконец, организовать следующий полет, утрясти сроки проведения испытаний и заполнить полетный лист с заданием.
В учет берутся даже характер, темперамент, наклонности и опыт летчика-испытателя. В общем, порой ведущих инженеров называют «бегущими» за большой объем работы.
И конечно же, испытания есть испытания. Назову сейчас никому не известные фамилии героев — инженеров, погибших в полете: А.С. Карпов, А.Е. Брук, С.А. Мальберг, Д.А. Гинсбург, М.Е. Рылеев, Р.Г. Ленский…
Летные испытания «Хиросимы»
Итак, слово снова представляется Валерию Архипову.
«Я до сих пор помню этот теплый и солнечный день на Жуковской летно-испытательной и доводочной базе Туполева (ЖЛИиДБ).
Несмотря на хорошую погоду, на душе было тревожно. Как же, предстояло сделать первый полет на самолете, заправленным водородом, который местные аэродромные остряки называли «Хиросимой», газовой камерой или вообще «атомной бомбой»!
Я участвовал во всех этапах наземных испытаний, когда выполнялась проверка функционирования всех экспериментальных систем, включая работу двигателя НК-88 на жидком водороде.
Я был уверен в надежной работе материальной части самолета и двигателя, но все равно волновался. Но меня утешил генеральный конструктор НК-88 Николай Дмитриевич Кузнецов, который подошел ко мне и сказал:
— Валера, все будет хорошо. Ты понимаешь, что не имеешь права на ошибку. Над этой темой работали тысячи людей, и ты не имеешь права их подвести. И еще раз повторю, все будет нормально!»
Потом самолет заправили водородом и азотом. Экипаж самолета занял свои места. Полет продолжался всего 21 минуту. Он завершился чуть раньше намеченного, потому что ведущий инженер Валерий Архипов зафиксировал наличие азота в топливных баках, который должен был автоматически появиться только при утечках водорода.
Архипов дал команду на окончание полета, и самолет, несмотря на недоуменные взгляды экипажа, благополучно приземлился. Уже на земле выяснилось, что утечки водорода не было, а был виноват баллонный азотный вентиль, который разгерметизировался при эволюциях самолета. У Архипова тогда появилась первая седая прядь в волосах…
В июне 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была выполнена полностью.
После этого Ту-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа.
Создание и летные испытания экспериментального самолета Ту-155 серьезно обогатили отечественную науку и технику. Был приобретен опыт проектирования систем, работающих на криогенных топливах, накоплен опыт в разработке технологических процессов изготовления таких систем, удалось освоить новое оборудование и новые технологические процессы. Наработан опыт обращения с жидким водородом и сжиженным природным газом.
В ОКБ А.Н. Туполева в 70-е и 80-е годы прорабатывались и другие проекты летательных аппаратов на альтернативных видах топлива. Существовало несколько проектов самолетов на жидком водороде — Ту-160В и Ту-144В. Жидкий водород предполагалось использовать в качестве топлива в двигателях гиперзвукового ударного самолета «360», работы над которыми велись в ОКБ А.Н. Туполева. Жидкий водород планировалось использовать как основной вид топлива в проекте воздушно-космического самолета Ту-2000.
Как вспоминал Архипов, в зарубежных источниках оценки достигнутых в СССР результатов были очень высокими. Американцы оценивали свое отставание в десяток лет.
Предпринимаемые сегодня попытки полетов с использованием в качестве топлива жидкого водорода выдаются за пионерские. Но первым в истории мировой авиации навсегда останется ОКБ А.Н. Туполева, в котором создали и испытали действительно первый в мире самолет, способный использовать жидкий водород.
Водород или сжиженный газ
В 1989 году самолет переоборудовали на использование сжиженного природного газа (температура −162 °C). Он получил название Ту-156.
Сниженный природный газ обладает рядом ценных преимуществ по сравнению с традиционными авиационными топливами. Теплотворная способность СПГ на 15% превышает теплотворную способность авиационного керосина. Применение СПГ на самолетах позволяет существенно снизить вредное экологическое влияние на окружающую среду.
При оборудовании самолета были дополнительно установлены гелиевая система (для управления силовой установкой), азотная (замещает обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждает об утечке криогенного топлива), система контроля вакуума в теплоизоляционных полостях.
Первый испытательный полет на сжиженном газе был совершен 18 января 1989 года. После полета генеральный конструктор Алексей Андреевич Туполев сказал: «Сегодня впервые в мире поднялся самолет, используя в качестве топлива сжиженный природный газ. И мы надеемся, что этот первый полет этого самолета даст нам возможность собрать все научно-экспериментальные данные и построить самолет, на котором уже в ближайшее время смогут летать пассажиры».
Вслед за экспериментальным самолетом Ту-155 в работах ОКБ А.Н. Туполева появилась тема Ту-156, предусматривавшая создание на базе Ту-154Б и Ту-154М грузовых и пассажирских самолетов с силовой установкой на СПГ. В отличие от своего предшественника (серийного самолета Ту-154М) Ту-156 был оснащен тремя двигателями НК-89 с раздельными топливными системами (одна штатная — для керосина, другая — криогенная, для СПГ).
На воздушных судах, работающих на СПГ, проблема обеспечения взрыво- и пожаробезопасности имеет свою специфику. Если нарушается герметичность топливной системы самолета, заправленного традиционным горючим — керосином, он как слабоиспаряющаяся жидкость заполняет сравнительно малый объем, и хотя обнаружить утечку очень трудно, опасность пожара или взрыва невелика.
На самолетах, работающих на СПГ, все гораздо серьезнее. В случае утечки газа из топливной системы он быстро заполняет отсеки планера. Поэтому, чтобы избежать возможного воспламенения метана, убирают все искрообразующее электрооборудование и устанавливают газоаналитические датчики. Кроме этого, в отсеках предусмотрена принудительная вентиляция. При таком компоновочном решении грузоподъемность Ту-156 снизилась с 18,8 т (у базового Ту-154С) до 14 т.
Зато дальность перевозки груза, по расчетам, будет не меньше 2600 км при работе на СПГ, а на СПГ и керосине — 3200 км. Благодаря двум раздельным топливным системам (для керосина и СПГ) Ту-156 сможет заправиться газом, совершить полет в аэропорт, где пока нет оборудования для его производства и хранения, и улететь оттуда на керосине. В нештатной ситуации перейти с одного вида топлива на другой можно за пять секунд. Эти преимущества повышают безопасность полетов и делают авиалайнеры на СПГ более мобильными.
В свое время из-за нехватки средств Самарский авиационный завод не смог построить три самолета Ту-156.
Поэтому не были отработаны не только проектно-конструкторские решения, но и технология эксплуатации и обслуживания самолетов на криогенном топливе. Завершение этих работ дало бы толчок к началу более широкого применения сжиженного природного газа в авиации.
Специалисты из Центрального аэрогидродинамического института, Центрального института авиационных материалов и НИИ газа подсчитали, во сколько обойдется переоборудование под новое топливо, например, самолета Ту-204 и аэродрома, на котором он будет базироваться. Выяснилось, что затраты увеличатся лишь на 5% от стоимости летного часа. То есть все окупится примерно за три месяца.
Криогенное будущее
В июне 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была выполнена полностью. После этого Ту-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа. После 12 полетов самолет переоборудовался для испытаний двигательной системы на сжиженном газе в интересах европейского концерна Airbus.
Концерн недавно представил три концепции перспективного лайнера Airbus, который будет летать на водородном топливе. Они получили кодовое название ZEROe (от англ. zero emissions — «нулевые выбросы»).
Первый самолет, Airbus A320neo, рассчитан на 120-200 пассажиров и сможет преодолевать расстояние более 3700 км. Самолет оснащен модифицированными газотурбинными силовыми установками. Баки для водородного топлива будут расположены в герметизированном отсеке в хвостовой части самолета.
Второй вариант лайнера с турбовинтовыми двигателями сможет осуществлять полет на расстояние от 1800 км и принимать на борт до 100 пассажиров. Он предназначается для внутренних рейсов и работает на модифицированных водородных газотурбинных двигателях.
Самая интересная новинка — пассажирский самолет с турбовентиляторными двигателями, выполненный по схеме «летающее крыло». Лайнер сможет принимать на борт до 200 пассажиров и преодолевать расстояния более 3700 км. При этом его конструктивные особенности позволяют применять самые разные комбинации компоновки салона и хранения топлива.
Перспективное летательное средство планируется ввести в эксплуатацию к 2035 году.
Между тем 29 сентября 2016 года первый полет осуществил HY4 — первый в мире пассажирский самолет с двигателем на основе водородных топливных элементов. Он создан на базе электрического самолета Pipistrel Taurus Electro G4 (Словения). Низкотемпературные мембранные топливные элементы с протоннообменной мембраной превращают заключенную в водороде химическую энергию в электрическую, которая и вращает винт самолета. В боковых фюзеляжах самолета HY4 располагаются водородные баки, каждый из которых вмещает 9 кг водорода под высоким давлением.
На данный момент водородные топливные элементы вырабатывают энергию, достаточную только для горизонтального полета. При взлете и наборе высоты работает литий-полимерная аккумуляторная батарея емкостью 21 кВт·ч, которая добавляет в двигатели дополнительную энергию.
Свой первый полет HY4 осуществил в аэропорту немецкого города Штутгарта. Самолет пробыл в воздухе около 15 минут.
В перспективе есть планы создать региональный самолет вместимостью до 19 пассажиров.
Американская компания AeroVironment построила первый в мире беспилотный самолет, питающийся жидким водородом, и уже провела ряд испытаний новинки в небе. Global Observer HALE может летать на высоте до 20 км в течение недели.
В качестве полезной нагрузки может выступать аппаратура для телекоммуникаций (самолет в роли ретранслятора), техника для съемки земной поверхности или для контроля над погодой. Компания не раскрывает детали устройства этого самолета, но, судя по всему, водород питает топливные элементы, которые дают ток для восьми электромоторов с воздушными винтами, расположенными на крыльях.
А что же делается в России для развития альтернативных видов топлива? И снова предоставляем слово Валерию Архипову: «Со дня первого полета Ту-155 прошло 33 года. Волею судеб из летного экипажа я остался один, из наземного — единицы. Многие годы мы стараемся поддерживать интерес к возобновлению и расширению работ по исследованиям и использованию альтернативных топлив на транспорте, включая работы по развитию водородной энергетики.
Однако ощутимых результатов пока нет!»
Авторские права на данный материал принадлежат газете «Независимая газета».
Цель включения данного материала в дайджест — сбор
максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по
авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и
качество данного материала.
Криогенный ракетный двигатель
Вулкаин двигатель Ариана 5 ракета
А криогенный ракетный двигатель это ракетный двигатель который использует криогенное топливо и окислитель то есть и его топливо, и окислитель представляют собой сжиженные газы, которые хранятся при очень низких температурах.[1] Эти высокоэффективные двигатели впервые полетели в США. Атлас-Кентавр и были одним из основных факторов НАСА успех в достижении Луны Сатурн V ракета.[1]
Ракетные двигатели, работающие на криогенном топливе, по-прежнему используются на высокоэффективных верхних ступенях и ускорителях. Верхние ступени многочисленны.
Бустеры включают ЕКА Ариана 5, JAXA с H-II, а Соединенные Штаты Дельта IV и Система космического запуска. Соединенные Штаты, Россия, Япония, Индия, Франция и Китай являются единственными странами, в которых эксплуатируются криогенные ракетные двигатели.
Содержание
- 1 Криогенные топлива
- 2 Компоненты и циклы сгорания
- 3 Ракетные двигатели LOX + Lh3 по странам
- 4 Сравнение криогенных ракетных двигателей первой ступени
- 5 Сравнение разгонных криогенных ракетных двигателей
- 6 Рекомендации
- 7 внешняя ссылка
Криогенные топлива
RL-10 является одним из первых примеров криогенного ракетного двигателя.
Ракетным двигателям нужен высокий массовый расход окислителя и топлива для создания полезной тяги. Кислород, самый простой и самый распространенный окислитель, находится в газовая фаза в стандартная температура и давление, как и водород, простейшее топливо. Хотя можно хранить топливо в виде сжатых газов, для этого потребуются большие и тяжелые резервуары, которые позволили бы достичь орбитальный космический полет сложно, если не невозможно.
С другой стороны, если топливо достаточно охладиться, оно существовать в жидкая фаза при более высокой плотности и более низком давлении, что упрощает заправку. Эти криогенный температура варьируется в зависимости от топлива, с жидкий кислород существующие ниже -183 ° C (-297,4 ° F; 90,1 K) и жидкий водород ниже -253 ° C (-423,4 ° F, 20,1 К). Поскольку одно или несколько ракетных компонентов находятся в жидкой фазе, все криогенные ракетные двигатели по определению либо жидкостные ракетные двигатели или же гибридные ракетные двигатели.[2]
Были опробованы различные комбинации криогенного топлива и окислителя, но комбинация жидкого водорода (Lh3 ) топливо и жидкий кислород (LOX ) окислитель — один из наиболее широко используемых.[1][3] Оба компонента легко и дешево доступны, а при сгорании имеют один из самых высоких энтальпия выпускает в горение,[4] производство удельный импульс до 450 с при эффективная скорость истечения 4,4 километра в секунду (2,7 миль / с).
Компоненты и циклы сгорания
Основными компонентами криогенного ракетного двигателя являются камера сгорания, пиротехнический инициатор, топливная форсунка, топливо и окислитель турбонасосы, криоклапаны, регуляторы, топливные баки и сопло ракетного двигателя. Что касается подачи топлива в камеру сгорания, криогенные ракетные двигатели почти исключительно накачанный. Двигатели с насосным питанием работают в газогенераторный цикл, а ступенчатый цикл горения, или цикл экспандера. Газогенераторные двигатели, как правило, используются на бустерных двигателях из-за их более низкой эффективности, двигатели с ступенчатым внутренним сгоранием могут выполнять обе роли за счет большей сложности, а детандерные двигатели используются исключительно на верхних ступенях из-за их низкой тяги.[нужна цитата ]
Ракетные двигатели LOX + Lh3 по странам
В настоящее время в шести странах успешно разработаны и внедрены криогенные ракетные двигатели:
| Страна | Двигатель | Цикл | Использовать | Положение дел |
|---|---|---|---|---|
| Соединенные Штаты | RL-10 | Расширитель | Верхняя ступень | Активный |
| J-2 | Газогенератор | нижняя ступень | На пенсии | |
| SSME | Поэтапное горение | Бустер | Активный | |
| RS-68 | Газогенератор | Бустер | Активный | |
| BE-3 | Отвод горения | Новый Шепард | Активный | |
| BE-7 | Отвод горения | Голубая луна (космический корабль) | Активный | |
| J-2X | Газогенератор | Верхняя ступень | Развивающий | |
| Россия | РД-0120 | Поэтапное горение | Бустер | На пенсии |
| КВД-1 | Поэтапное горение | Верхняя ступень | На пенсии | |
| РД-0146 | Расширитель | Верхняя ступень | Развивающий | |
| Франция | Вулкаин | Газогенератор | Бустер | Активный |
| HM7B | Газогенератор | Верхняя ступень | Активный | |
| Винчи | Расширитель | Верхняя ступень | Развивающий | |
| Индия | CE-7. 5 | Поэтапное горение | Верхняя ступень | Активный |
| CE-20 | Газогенератор | Верхняя ступень | Активный | |
| Китайская Народная Республика | YF-73 | Газогенератор | Верхняя ступень | На пенсии |
| YF-75 | Газогенератор | Верхняя ступень | Активный | |
| YF-75D | Цикл экспандера | Верхняя ступень | Активный | |
| YF-77 | Газогенератор | Бустер | Активный | |
| Япония | ЛЭ-7 / 7А | Поэтапное горение | Бустер | Активный |
| ЛЭ-5 / 5А / 5Б | Газогенератор (ЛЭ-5) Расширитель (5A / 5B) | Верхняя ступень | Активный |
Сравнение криогенных ракетных двигателей первой ступени
| модель | SSME / RS-25 | ЛЭ-7А | РД-0120 | Вулкаин2 | RS-68 | YF-77 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Страна происхождения | Соединенные Штаты | Япония | Советский союз | Франция | Соединенные Штаты | Китайская Народная Республика |
| Цикл | Поэтапное горение | Поэтапное горение | Поэтапное горение | Газогенератор | Газогенератор | Газогенератор |
| Длина | 4,24 м | 3,7 м | 4,55 м | 3,00 м | 5. 20 м | 4,20 м |
| Диаметр | 1,63 м | 1,82 м | 2,42 м | 1,76 м | 2,43 м | — |
| Сухой вес | 3177 кг | 1832 кг | 3449 кг | 1,686 кг | 6,696 кг | 2700 кг |
| Пропеллент | LOX /Lh3 | LOX /Lh3 | LOX /Lh3 | LOX /Lh3 | LOX /Lh3 | LOX /Lh3 |
| Давление в камере | 18,9 МПа | 12,0 МПа | 21,8 МПа | 11,7 МПа | 9,7 МПа | 10,2 МПа |
| Исп (вак.) | 453 с | 440 с | 454 с | 433 с | 409 с | 438 с |
| Тяга (вакуум) | 2,278 МН | 1.098 МН | 1,961 МН | 1,120 МН | 3,37 МН | 673 кН |
| Тяга (SL) | 1,817 МН | 0,87 МН | 1,517 МН | 0,800 МН | 2,949 млн | 550 кН |
| Используется в | Космический шатл Система космического запуска | H-IIA H-IIB | Энергия | Ариана 5 | Дельта IV | Длинный марш 5 |
Сравнение разгонных криогенных ракетных двигателей
| RL-10 | HM7B | Винчи | КВД-1 | CE-7. 5 | CE-20 | YF-73 | YF-75 | YF-75D | РД-0146 | ES-702 | ES-1001 | ЛЭ-5 | ЛЭ-5А | ЛЭ-5Б | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Страна происхождения | Соединенные Штаты | Франция | Франция | Советский союз | Индия | Индия | Китайская Народная Республика | Китайская Народная Республика | Китайская Народная Республика | Россия | Япония | Япония | Япония | Япония | Япония |
| Цикл | Расширитель | Газогенератор | Расширитель | Поэтапное горение | Поэтапное горение | Газогенератор | Газогенератор | Газогенератор | Расширитель | Расширитель | Газогенератор | Газогенератор | Газогенератор | Цикл слива расширителя （Расширитель сопла） | Цикл слива расширителя （Расширитель камеры） |
| Тяга (вакуум) | 66,7 кН (15000 фунтов-силы) | 62,7 кН | 180 кН | 69,6 кН | 73 кН | 200 кН | 44,15 кН | 78,45 кН | 88,26 кН | 98,1 кН (22054 фунт-силы) | 68,6 кН (7,0 тс)[5] | 98 кН (10,0 тс)[6] | 102,9 кН (10,5 тс) | r121,5 кН (12,4 тс) | 137,2 кН (14 тс) |
| Соотношение смеси | 5,5: 1 или 5,88: 1 | 5. 0 | 5.8 | 5.05 | 5.0 | 5.2 | 6.0 | 5.2 | 6.0 | 5.5 | 5 | 5 | |||
| Соотношение форсунок | 40 | 83.1 | 100 | 40 | 80 | 80 | 40 | 40 | 140 | 130 | 110 | ||||
| язр (Vac.) | 433 | 444.2 | 465 | 462 | 454 | 443 | 420 | 438 | 442 | 463 | 425[7] | 425[8] | 450 | 452 | 447 |
| Давление в камере: МПа | 2.35 | 3.5 | 6.1 | 5.6 | 5.8 | 6.0 | 2.59 | 3.68 | 7.74 | 2.45 | 3.51 | 3.65 | 3.98 | 3.58 | |
| LH2 TP об / мин | 90,000 | 42,000 | 65,000 | 125,000 | 41,000 | 46,310 | 50,000 | 51,000 | 52,000 | ||||||
| LOX TP об / мин | 18,000 | 16,680 | 21,080 | 16,000 | 17,000 | 18,000 | |||||||||
| Длина м | 1. без форсунки 291,6внешняя ссылка
Что такое криогенный двигатель? Определение криогенного двигателя, значение криогенного двигателяЧто такое криогенный двигатель? Определение криогенного двигателя, значение криогенного двигателя — The Economic Times Рост Доходность за 5 лет 12,49 % Инвестировать сейчас Поиск + Business News ›Определения› Космическая технология ›Криогенный двигатель Предложить новое определение Предлагаемые определения будут рассмотрены для включения в Economictimes.com Space-Technology
Определение: Криогенный двигатель/криогенная ступень является последней ступенью космических ракет-носителей, использующих криогенику. Описание: Криогенная ступень технически гораздо более сложная система по сравнению с твердотопливными или жидкостными (хранящимися на Земле) ступенями из-за использования топлива при экстремально низких температурах. Криогенный двигатель обеспечивает большую мощность с каждым килограммом используемого криогенного топлива по сравнению с другими видами топлива, такими как твердотопливные и жидкостные ракетные двигатели, и является более эффективным. Криогенный двигатель использует жидкий кислород (LOX) и жидкий водород (Lh3) в качестве топлива, которые сжижаются при -183°C и -253°C соответственно. LOX и Lh3 хранятся в соответствующих баках. Оттуда они закачиваются в турбонасос отдельными бустерными насосами, чтобы обеспечить высокую скорость потока топлива внутри камеры сгорания / тяги. Прочитайте больше новостей на
900:33 Самая тяжелая ракета Индии с GSAT-19 сегодня готова к первому полету, идет обратный отсчетРакета GSLV MkIII-D1 должна стартовать сегодня в 17:28 со второй стартовой площадки Космического центра Сатиш Дхаван в Шрихарикоте. Загрузить еще Trending Definitions Долговые фонды Ставка репоВзаимный фондВаловой внутренний продуктСбор данныхРекламаПродуктМонополияКриптографияАмортизация Оригинальный криогенный двигатель Still Powers Разведка, оборона, промышленностьNASA Technology В то время, когда сотовые телефоны и автомобильные функции устаревают всего за несколько коротких лет, может показаться невозможным, чтобы какая-либо технология оставалась практически неизменной на протяжении десятилетий. Ракетный двигатель RL10, первый успешный запуск которого состоялся в 1963 году, сыграл решающую роль в исследовании космоса НАСА, а также вывел на орбиту сотни коммерческих и военных грузов, обеспечивая спутниковую связь и спутниковые оборонные операции. Более того, по прошествии более чем полувека только несколько стран обладают технологиями, впервые разработанными в рамках программы, для питания ракет жидким водородом и кислородом. RL10 был разработан в соответствии с контрактом между Исследовательским центром Льюиса НАСА, ныне Исследовательским центром Гленна, и подразделением Pratt & Whitney Aircraft, ныне входящим в состав Aerojet Rocketdyne. Обе организации ранее работали над технологией независимо друг от друга. В 1940-х годах Льюис, в то время входивший в состав предшественника НАСА, Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA), провел обширные испытания высокоэнергетического жидкого ракетного топлива, включая жидкий водород. Работа Pratt & Whitney с жидким водородом началась в 1950-х годах, когда корпорация Lockheed заключила с ней субподряд на создание авиационного двигателя на жидком водороде в рамках сверхсекретного проекта Министерства обороны. Чтобы иметь место для испытаний шумных двигателей, Pratt & Whitney открыла завод на большом участке земли недалеко от Уэст-Палм-Бич, Флорида, где Aerojet Rocketdyne до сих пор производит RL10. Известный как проект SUNTAN, работа в конечном итоге была прекращена, так как команда определила, что жидкий водород слишком громоздкий для использования в двигателе самолета, по крайней мере, с существующей технологией обращения с криогеникой. Однако в Льюисе была создана скромно финансируемая программа испытаний двигателей на жидком водороде в рамках SUNTAN, известная как Project Bee. Проект «Пчела» имел успех и укрепил репутацию центра как экспертного учреждения по работе с жидким водородом для двигателей. Проект создания первой ракеты с криогенными двигателями, разгонного блока Centaur, начался в 1958 году, когда было создано НАСА. Это началось как проект Министерства обороны с целью вывода на орбиту тяжелых полезных грузов, но год спустя Космическое агентство взяло на себя работу, переместив ее в Центр космических полетов Маршалла, а Pratt & Whitney спроектировала и построила двигатели RL10, которые запустил бы его. После взрыва «Кентавра» во время первого испытательного пуска в 1962, официальные лица Маршалла были готовы закрыть программу, но Эйб Сильверштейн, директор центра Льюиса, убедил штаб-квартиру НАСА передать ее Льюису, чьи данные испытаний и проекты, полученные много лет назад в Project Bee, сильно повлияли на команды Centaur и SUNTAN. Одним из инженеров, выполнявших некоторые из ранних криогенных работ Льюиса, был Билл Гоетт, который работал над инжекторами для различных комбинаций топлива в Льюисе в рамках NACA, а позже десять лет возглавлял программу RL10. Среди других выводов из раннего исследования Льюиса Pratt & Whitney в конечном итоге адаптировали конструкцию инжектора с концентрической трубкой, созданную в центре. «Все это было основано на исследованиях — никогда не было конкретного конечного использования», — говорит Гетте о ранней работе в рамках NACA. «Роль NACA заключалась в том, чтобы работать над фундаментальными исследованиями, устранять риски и информировать компании о том, как действовать». Даже после того, как программа Centaur была перенесена в Льюис, работа над двигателем первоначально оставалась в Marshall, поскольку RL10 также планировалось использовать на верхней ступени ракеты-носителя Saturn 1, предшественника Saturn V, который должен был запустить Apollo миссии. Но Гетте и другие сотрудники компании Lewis, а также подрядчик General Dynamics работали над тем, чтобы двигатель соответствовал требованиям Centaur. В 1963 году работа окупилась. Centaur стартовал на вершине ракеты-носителя Atlas, что стало первым успешным полетом криогенного ракетного двигателя. «Прежде чем дело дошло до Льюиса, они построили несколько двигателей и испытали их, — говорит он. «Большинство ошибок было исправлено». Он говорит, что двигатель был и остается замечательным по своей эффективности. Высокопроизводительная комбинация жидкого водородного топлива и жидкого кислородного окислителя создает большую тягу на единицу сожженного топлива, чем любая другая комбинация топлива. Это означает, что ракета может нести меньше топлива, что снижает ее вес и позволяет доставлять на орбиту больше полезной нагрузки. Но цикл детандера RL10 делает еще один шаг вперед в топливной экономичности и простоте, устраняя необходимость сжигать топливо для вращения турбин, приводящих в действие топливные насосы. Вместо этого криогенный жидкий водород используется для охлаждения камеры сгорания и сопла, где он нагревается и превращается в газообразный водород. «По сути, это свободная энергия», — говорит Гетте, сравнивая цикл детандера двигателя с использованием тепла, выделяемого автомобильным двигателем, для обогрева салона. «Я не думаю, что кто-то еще построил двигатель с таким циклом». После успеха «Кентавра» технология движения на жидком водороде, разработанная в рамках программы RL10, также использовалась для создания двигателей верхней ступени J-2 для «Сатурн-5», что позволило Соединенным Штатам отправить астронавтов на Луну. Важнейшие технологии и знания, такие как конструкция инжектора, снижение нестабильности горения, предотвращение выплескивания топлива и отвод газообразного водорода, были необходимы для успеха Saturn V. В конце концов, жидкий водород и кислород стали популярным топливом в стране как для ракет-носителей, так и для верхних ступеней. , включая главные двигатели космического корабля «Шаттл» и самую мощную ракету-носитель ВВС «Титан IV». Одной из проблем, которая осталась, когда программа дошла до Льюиса, было то, что двигатели должны быть способны к многократным запускам в космосе для удовлетворения потребностей миссии. Но без гравитации на орбите оставшееся топливо имело тенденцию бесцельно плавать в баке. «Кентавр» уже использовал небольшие двигатели на перекиси водорода для управления своей ориентацией, и Гетте говорит, что еще несколько двигателей в задней части танка решили проблему, создав достаточный поступательный импульс, чтобы удерживать жидкое топливо на дне баков, где впускные отверстия двигателя. были расположены. Другие изменения включали удлинение сопла двигателя и сужение горловины камеры тяги для увеличения мощности и эффективности. В течение почти 30 лет, когда Льюис руководил программой Centaur, как конструкция ракеты, так и двигатель RL10 продолжали меняться и развиваться. Передача технологий Pratt & Whitney в конце концов взяли на себя управление двигателем, но к тому времени двигатель, который прибыл в Льюис с проблемами перезапуска, был полностью доработан в нескольких версиях. «Версия RL10 начала 1960-х годов, которая была разработана и усовершенствована под руководством Льюиса, была революционным прототипом. Но много дополнительных усилий было потрачено на то, чтобы довести эту раннюю модель до уровня RL10A-3-3, который стал надежной рабочей лошадкой в 1970-х годах», — говорит Джефф Брин, глава отдела эволюции RL10 в Aerojet Rocketdyne и ранее в Pratt & Whitney. «С тех пор мы усовершенствовали модель RL10A-3-3 еще шесть раз, чтобы добиться лучшей производительности и долговечности. Тем не менее, я бы предположил, что текущая модель RL10C-1 сохраняет большую часть наследия, которое можно отнести к партнерству в области разработки Льюиса и Пратта и Уитни». И Centaur, и RL10 пользовались огромной популярностью с конца 1960-х до начала 90-х, когда Соединенные Штаты доминировали в коммерческих космических запусках. НАСА использовало Centaur для запуска бесчисленных лунных и межпланетных исследовательских миссий, от Surveyor 1, первого успешного спускаемого аппарата на Луну, до спускаемых аппаратов Viking, которые первыми исследовали поверхность Марса, до двойного космического корабля Voyager, который исследовал Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, а теперь и первые зонды, вышедшие в межзвездное пространство. Текущие миссии, запущенные RL10, включают зонд Juno на Юпитере, марсоход Curiosity на Марсе, Cassini на орбите Сатурна и космический корабль New Horizons, который долетел до Плутона и сейчас находится на пути к поясу Койпера. Преимущества Основной причиной популярности RL10 стала его исключительная производительность, которая со временем только увеличивалась. Измеряемая как «удельный импульс» — отношение тяги к единице массового расхода топлива — первоначальная тяга двигателя, составлявшая 424 секунды, сегодня увеличилась примерно до 465 секунд. В то время как первая модель могла развивать тягу в 15 000 фунтов, нынешние модели производят до 25 000 фунтов. Уникальный метод откачки и другие элементы конструкции также обеспечивают надежность. «Этот двигатель зарекомендовал себя как самый надежный из когда-либо созданных», — говорит Брин. «За все полеты произошел только один отказ двигателя». Гётт говорит, что это связано с тем, что в эпоху, когда еще не было инструментов компьютерного дизайна, подход Pratt & Whitney заключался в том, чтобы придумать консервативный дизайн, «а затем тестировать, тестировать, тестировать, а когда он сломается, исправить его». Учитывая стоимость и важность большинства полезных нагрузок ракет, будь то спутники или астронавты, надежность является самым важным фактором, говорит Брин. «Каждый запуск требует многого. Вот почему клиенты обращаются к вам — они знают, что двигатель может обеспечить производительность и надежно вывести полезную нагрузку на правильную орбиту. Двигатель RL10 дает клиентам уверенность в успехе миссии». Возможность многократного перезапуска в космосе, что повышает производительность и позволяет увеличить время запуска, также является важным преимуществом, которое было нелегко достичь. По словам Брина, если трудно завести машину зимней ночью на Аляске, то еще труднее запустить двигатель в ледяной космической пустоте. Все это сделало двигатель и Centaur с двигателем RL10 главным двигателем верхней ступени и наиболее часто используемой верхней ступенью соответственно в ракетной технике США. В 2009 году был совершен 400-й полет с двигателями RL10. Возможность использовать жидкий водород дала гражданской космической программе США, коммерческой аэрокосмической промышленности и военным явное преимущество перед другими странами. Недавнее использование в военных целях включает запуск спутниковой группировки Mobile User Objective System ВМС и космических самолетов X-37 ВВС. С коммерческой точки зрения, в первые десятилетия космической эры практически все приложения спутникового телевидения, радио и телефонов в США, а также некоторые метеорологические спутники, спутники наблюдения Земли и навигационные спутники получали помощь от двигателя RL10. Однако двигатель никогда не использовался в пилотируемых космических полетах, несмотря на его выдающийся послужной список. «Мы очень хотим, наконец, запустить космонавтов, — говорит Брин. «Добавление вехи полета человека в космос завершит наследие RL10». Хотя он по-прежнему основан на той же конструкции, которая была разработана в Льюисе в 1960-х годах, двигатель был обновлен для 21 века. Серии RL10 A и B постепенно выводятся из эксплуатации и заменяются RL10C-1, который был завершен в 2014 году и включает в себя лучшие аспекты старых линий, говорит Брин. А весной 2016 года компания Aerojet Rocketdyne успешно испытала двигатель RL10 с основным инжектором, напечатанным на 3D-принтере, что сократило стоимость детали и время производства примерно вдвое. К 2019 году, Брин ожидает, что около 95 процентов сложных геометрических деталей двигателя будут напечатаны на 3D-принтере. «3D-печать — это новый производственный подход, но обновление сохранит душу двигателя RL10 — его расширительный цикл — нетронутым. Таким образом, мы сохраняем производительность и простоту, которые сделали двигатель таким надежным, но теперь он стал значительно более доступным в производстве», — говорит Брин. Такие обновления гарантируют, что первый в мире криогенный двигатель не исчезнет в ближайшее время. «Это просто трудно улучшить, — говорит Гётте. Что такое криогенный двигатель? (с картинками)`; Рэй Хок
Криогенный двигатель обычно представляет собой ракетный двигатель, предназначенный либо для выхода из-под земного притяжения для отправки зондов в космос, либо для вывода спутников на орбиту. По состоянию на 2011 год пять стран в настоящее время успешно испытали силовые установки с криогенными двигателями. Криогенная техника для ракетного топлива существует, по крайней мере, с 1960-х годов, когда проектировалась ракета «Сатурн-5», использовавшаяся в американских миссиях «Аполлон-Лун». Жидкий водород и жидкий кислород хранятся при температуре -423° по Фаренгейту (-253° по Цельсию) и -297° по Фаренгейту (-183° по Цельсию) соответственно. Новым вариантом криогенных двигателей является Common Extensible Cryogenic Engine (CECE), разрабатываемый Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в США. |
Криогеника — это изучение производства и поведения материалов при экстремально низких температурах (ниже -150 градусов по Цельсию) для подъема и размещения более тяжелых объектов в космосе.
Основными компонентами криогенного ракетного двигателя являются камера сгорания / тяги, воспламенитель, топливная форсунка, топливные крионасосы, крионасосы окислителя, газовая турбина, криогенные клапаны, регуляторы, топливные баки и сопло ракетного двигателя.
Но первый в мире ракетный двигатель на криогенном топливе, разработанный НАСА, остается наиболее часто используемым ракетным двигателем верхней ступени в Соединенных Штатах более чем через 50 лет после его создания.
Передовые двигатели и криогенные технологии по-прежнему остаются двумя направлениями деятельности центра.
Несколько лет спустя НАСА решило изменить направление развития ракеты-носителя «Аполлон», но «Кентавр» и проект RL10 продолжали жить в Льюисе, а Гетте отвечал за программу двигателей.
Это расширение газообразного водорода приводит в действие турбину, которая питает насос.
Планируется, что жидкий водород станет топливом как для основной, так и для верхних ступеней планируемой НАСА системы космического запуска. Centaur продолжает летать и сегодня в качестве разгонного блока для Atlas V, а RL10 также летает на Delta IV.
По оценкам Брина, двигатели RL10 помогли вывести в космос около 90 процентов крупных коммерческих спутников, запущенных в этот период. Сегодня он остается предпочтительным двигателем верхней ступени для запуска полезной нагрузки для военных США и других гражданских миссий, требующих высокой производительности. Многие спутники GPS, программа ВВС, которая сыграла огромную роль в промышленности и повседневной жизни, были выведены на орбиту с помощью двигателей RL10./672067.jpeg)
Например, во время испытаний двигатель должен был работать в 10 раз дольше, чем в космосе, а клапаны вращались во много раз чаще, чем в полете. «Он был разработан с запасом прочности, и они чертовски его протестировали и избавились от всех точек отказа», — говорит Гетте.
Хотя есть и другие ракеты с такой возможностью, RL10 — единственная, которая перезапускалась до семи раз во время одной миссии.
Это скоро изменится. Boeing CST-100 Starliner и Sierra Nevada Dreamchaser планируют использовать двухдвигательные верхние ступени Centaur для доставки астронавтов в космос, а система космического запуска НАСА будет выполнять миссии с экипажем с помощью четырех двигателей RL10 на своей исследовательской верхней ступени.
В этом помогают ВВС и, опять же, Гленн.
Они используют жидкое топливо, которое охлаждается до очень низких температур и которое в противном случае находилось бы в газообразном состоянии при нормальном атмосферном давлении и температуре, такое как водород и кислород. Эти виды топлива используются в одной из двух основных конструкций для создания движущей силы. Либо водород испаряется в качестве топлива и воспламеняется окислителем кислорода для создания стандартной тяги горячей ракеты, либо они смешиваются для создания сверхгорячего пара, который выходит из сопла двигателя и создает тягу.
К ним относятся США, Россия и Китай, а также Франция и Япония. В Немецком аэрокосмическом центре в Лампольдсхаузене, Германия, продолжаются работы по разработке криогенного двигателя. Индия также провела полевые испытания конструкции криогенной ракеты совсем недавно, в 2009 году., произведенный Индийской организацией космических исследований (ISRO), что привело к катастрофическому отказу испытательного корабля.
Основные двигатели американского космического корабля «Шаттл» также используют криогенное топливо, как и несколько ранних моделей межконтинентальных баллистических ракет (МБР), используемых в качестве средств ядерного сдерживания Россией и Китаем. Ракеты на жидком топливе имеют большую тягу и, следовательно, скорость, чем их аналоги на твердом топливе, но хранятся с пустыми топливными баками, поскольку топливо может быть трудно поддерживать, и со временем изнашиваются клапаны двигателя и фитинги. Использование криогенного топлива в качестве топлива требует складских помещений для топлива, чтобы при необходимости его можно было закачивать в сборные баки ракетных двигателей. Поскольку время пуска ракет с криогенным двигателем может затягиваться до нескольких часов, а хранение топлива сопряжено с риском, США в 1919 году полностью перешли на твердотопливные ядерные МБР.80-е годы.
Эти элементы легко получить, и они обеспечивают один из самых высоких коэффициентов преобразования энергии жидкого топлива для ракетных двигателей, поэтому они стали предпочтительным топливом для каждой страны, работающей над конструкциями криогенных двигателей. Они также производят одну из самых высоких известных удельных скоростей импульсов для химических ракетных двигателей до 450 секунд. Удельный импульс – это мера изменения количества движения на единицу израсходованного топлива. Ракета, генерирующая 440 удельных импульсов, такая как криогенный двигатель космического корабля «Шаттл» в вакууме, достигла бы скорости около 9900 миль в час (15 840 километров в час), чего как раз достаточно, чтобы удерживать его на затухающей орбите вокруг Земли в течение длительного периода времени.