Кезеңдік жану циклымен қозғалтқыштар

Кіріспе

Ракеталық қозғалтқыштың жұмыс істеу әдісі

Кезекті жану циклі (кейде топинг циклы, пребурнер циклы немесе жабық цикл деп аталады) – екі компонентті ракеталық қозғалтқыштың қуат циклі. Кезекті жану циклінде отын бірнеше жану камералары арқылы өтеді, осылайша сатылап жану процесі жүзеге асырылады. Басқа ракеталық қозғалтқыштардың қуат циклдерімен салыстырғандағы басты артықшылығы – жоғары отын тиімділігі, ол нақты импульс арқылы өлшенеді, ал басты кемшілігі – инженерлік қиындығы. Әдетте, отын екі түрлі жану камерасы арқылы өтеді; біріншісі пребурнер, екіншісі – негізгі жану камерасы. Пребурнерде отынның шағын бөлігі, әдетте отынға қаныққан, стехиометриялық емес жағдайларда жартылай жанып, көлемдік ағынның артуы қозғалтқышты отынмен қамтамасыз ететін турбонасостарды іске қосу үшін пайдаланылады. Газ содан кейін негізгі жану камерасына жіберіліп, қалған отынмен толық жанып, итермелеу күшін тудырады.

Компромистік факторлар

Негізгі артықшылығы – барлық отынның негізгі жану камерасына бағытталуына байланысты отынның тиімді жұмсалуы, сондай-ақ бұл жоғары итермелеуге мүмкіндік береді. Кезеңдік жану циклі кейде жабық цикл деп аталады, газ генераторынан немесе ашық циклден өзгеше, онда отынның бір бөлігі негізгі жану камерасына жетпейді. Кемшілігі – инженерлік қиындықтар, ішінара алдын ала жану камерасынан шығатын ыстық және жоғары қысымды газдың салдарынан туындайды, әсіресе тотықтырғышқа қаныққан жағдайда, турбиналар мен құбыр жүйесі үшін өте қиын жағдайлар жасайды.

Тарих

Кезеңдік жану (Замкнутая схема) алғаш рет Алексей Исаев 1949 жылы ұсынған. Кезеңдік жануды қолданатын алғашқы қозғалтқыш – С1.5400 (11D33), ол советтік "Молния" зымыранында пайдаланылды, оны Исаевтың бұрынғы ассистенты Мельников жасаған. Шамамен сол кезде (1959 жылы) Николай Кузнецов Королевтің орбиталық қанатын зымырасы GR 1 үшін жабық циклды NK 9 қозғалтқышын жасауға кірісті. Кузнецов кейіннен бұл жобаны сәтсіз "Ай" N1 зымырасы үшін NK 15 және NK 33 қозғалтқыштарына жетілдірді. Валентин Глушко шамамен 1963 жылы "Протон" зымырасы үшін кезеңдік жануды пайдаланатын криогендік емес N2O4/UDMH қозғалтқышы РД 253-ті әзірледі. N1 жобасы тоқтатылғаннан кейін Кузнецовқа NK 33 технологиясын жою туралы бұйрық берілді, бірақ ол оның орнына ондаған қозғалтқышты сақтауға жіберді. 1990 жылдары "Аэроджет" компаниясымен байланыс орнатылып, олар Кузнецовтың зауытына сапар шекті. Жоғары нақты импульс және басқа да сипаттамаларға қатысты бастапқы күмәнділіктерге тап болғаннан кейін Кузнецов сынақтар үшін АҚШ-қа қозғалтқышты жіберді. Америкалық инженерлер тотықтырғышқа толы кезеңдік жануды қарастырған, бірақ оны іске асыру үшін қажетті ресурстарды ескере отырып, тиімді бағыт деп санамады. Ресейдің RD 180 қозғалтқышы да кезеңдік жану циклын қолданады. Lockheed Martin шамамен 2000 жылдан бастап "Atlas III", ал кейін "V" зымырандары үшін RD 180 сатып ала бастады. Сатып алу шарты 2006 жылдан кейін "United Launch Alliance" (ULA, Boeing/Lockheed Martin бірлескен кәсіпорны) компаниясына берілді, және ULA 2022 жылға дейін RD 180 қозғалтқыштарымен "Atlas V" зымыранын ұшырып келеді. Батыстағы алғашқы кезеңдік жануды сынауға арналған қозғалтқыш 1963 жылы Германияда Людвиг Боэльков жасаған. Сутек пероксиді/керосинмен жұмыс істейтін қозғалтқыштарда турбиналарды қозғау үшін пероксидті катализдік ыдырату арқылы жабық циклды процесті қолдануға болады, содан кейін керосинмен жағу камерасында жағылады. Бұл кезеңдік жанудың тиімділігін ұлғайтады, сонымен бірге күрделі инженерлік мәселелерден сақтануға мүмкіндік береді. RS 25 ғарыш шаттлының негізгі қозғалтқышы – кезеңдік жануды қолданатын тағы бір мысал және сұйық оттегі мен сұйық сутегін пайдаланған алғашқы қозғалтқыш. Советтік шаттлдың аналогы RD 0120 болды, ол ұқсас нақты импульс, итерме және жағу камерасының қысымына ие болды, бірақ қозғалтқыштың салмағының артуы есебінен күрделілікті және құнын азайтатын кейбір айырмашылықтары бар еді.

Staged combustion (Замкнутая схема) was first proposed by Alexey Isaev in 1949. The first staged combustion engine was the S1.5400 (11D33) used in the Soviet Molniya rocket, designed by Melnikov, a former assistant to Isaev. About the same time (1959), Nikolai Kuznetsov began work on the closed cycle engine NK 9 for Korolev's orbital ICBM, GR 1. Kuznetsov later evolved that design into the NK 15 and NK 33 engines for the unsuccessful Lunar N1 rocket. The non cryogenic N2O4/UDMH engine RD 253 using staged combustion was developed by Valentin Glushko circa 1963 for the Proton rocket. After the abandonment of the N1, Kuznetsov was ordered to destroy the NK 33 technology, but instead he warehoused dozens of the engines. In the 1990s, Aerojet was contacted and eventually visited Kuznetsov's plant. Upon meeting initial skepticism about the high specific impulse and other specifications, Kuznetsov shipped an engine to the US for testing. Oxidizer rich staged combustion had been considered by American engineers, but was not considered a feasible direction because of resources they assumed the design would require to make work. The Russian RD 180 engine also employs a staged combustion rocket engine cycle. Lockheed Martin began purchasing the RD 180 in circa 2000 for the Atlas III and later, the V, rockets. The purchase contract was subsequently taken over by United Launch Alliance (ULA the Boeing/Lockheed Martin joint venture) after 2006, and ULA continues to fly the Atlas V with RD 180 engines as of 2022. The first laboratory staged combustion test engine in the West was built in Germany in 1963, by Ludwig Boelkow. Hydrogen peroxide/kerosene powered engines may use a closed cycle process by catalytically decomposing the peroxide to drive turbines before combustion with the kerosene in the combustion chamber proper. This gives the efficiency advantages of staged combustion, while avoiding major engineering problems. The RS 25 Space Shuttle main engine is another example of a staged combustion engine, and the first to use liquid oxygen and liquid hydrogen. Its counterpart in the Soviet shuttle was the RD 0120, which had similar specific impulse, thrust, and chamber pressure, but with some differences that reduced complexity and cost at the expense of increased engine weight.

Нұсқалар

Жанарлы газды күйдіру циклінің бірнеше түрі бар. Отынның толық ағынымен окисдендіргіштің шағын бөлігін жасайтын алдын ала жанғыштар отынға бай деп аталады, ал окисдендіргіштің толық ағынымен отынның шағын бөлігін жасайтын алдын ала жанғыштар окисдендіргішке бай деп аталады. RD 180 окисдендіргішке бай алдын ала жанғышқа ие, ал RS 25 екі отынға бай алдын ала жанғышқа ие. SpaceX Raptor тотықтырғышқа және отынға бай алдын ала жанғыштарға ие, бұл толық ағынды сатылы жану конструкциясы деп аталады. Сатылы жану конструкциясы бір немесе екі білікке ие болуы мүмкін. Бір білік конструкциясында алдын ала жанғыштар мен турбиналардың бір жиынтығы екі жанар май турбосомының қозғалтады. Мысалға, Energomash RD 180 және Blue Origin BE 4 жатады. Екі білік конструкциясында екі жанар май турбосомы бөлек турбиналармен қозғалтылады, олар өз кезегінде бір немесе бөлек алдын ала жанғыштардың ағынымен қозғалтылады. Екі білік конструкцияларының мысалдарына Rocketdyne RS 25, JAXA LE 7 және Raptor жатады. Бір білік конструкциясына қарағанда, екі білік конструкциясы қосымша турбинаны (және мүмкін басқа алдын ала жанғышты) қажет етеді, бірақ екі турбосоманы жеке басқаруға мүмкіндік береді. Гидролокс қозғалтқыштары әдетте екі білік конструкциясы болып келеді, себебі жанар майлардың тығыздығы өте әртүрлі. Жанармай турбосомаларына қоса, сатылы жану қозғалтқыштары көбінесе алдын ала жанғыштардың кері ағынын және турбосома кавитациясын болдырмау үшін кішкентай күшейткіш сорғыларды қажет етеді. Мысалы, RD 180 және RS 25 жанармай қысымын алдын ала жандыруға дейін бірте-бірте арттыру үшін, сорғы және кеңейту циклдарымен, сондай-ақ қысымды резервуарлармен жұмыс істейтін күшейткіш сорғыларды қолданады.

Толық ағынды фазалы жану циклі

Толық ағынды сатылап жану (FFSC) – тотықтырғышқа бай және отынға бай алдын ала жану камераларын пайдаланатын екі біліктелген сатылап жану циклі. Бұл цикл турбиналар арқылы екі жанармайдың толық ағынына мүмкіндік береді, сондықтан осылай аталады. Толық ағынды сатылап жану циклінің артықшылықтарына массалық ағынның артуына байланысты турбиналардың салқынырақ және төмен қысымда жұмыс істеуі жатады, бұл қозғалтқыштың қызмет ету мерзімін ұзартуға және сенімділігін арттыруға әкеледі. Мысалы, SpaceLiner жобасы аясында DLR (Германия ғарыш агенттігі) зерттеген қозғалтқыш конструкциясы үшін 25 ұшу көзделген. Сонымен қатар, толық ағын циклі отын турбосомасынан тотықтырғыш газын немесе тотықтырғыш турбосомасынан отын газын бөлуге қалыпты түрде қажет болатын турбиналық тығыздағыштың қажеттілігін жояды, осылайша сенімділікті жақсартады. Отын және тотықтырғыш алдын ала жану камераларын пайдалану әрбір жанармайдың жану камерасына түсетінен бұрын толық газдануына әкеледі, сондықтан FFSC қозғалтқыштары газ-газ қозғалтқыштары деп аталатын зымыран қозғалтқыштарының кең класына жатады. Толық ағынды сатылап жану қозғалтқышының алғашқы ұшу сынағы 2019 жылдың 25 шілдесінде SpaceX-тің Raptor methalox FFSC қозғалтқышын Starhopper сынақ зымыранында Оңтүстік Техас ұшыру алаңында ұшырған кезде өтті. 2023 жылдың 22 тамызына қарай Raptor – ұшыру құралында ұшқан жалғыз FFSC қозғалтқышы.

Окистендіргішпен бай сатылы жану

S1.5400—Блок L жоғарғы сатысында қолданылған, бірінші сатылы жанумен жұмыс істейтін зымыран қозғалтқышы. RD 170, RD 171, RD 180 және RD 191—«Энергия», «Зенит», «Атлас V», «Ангара» және бұрынғы «Атлас III» зымыран тасымалдағыштарында қолданылған кеңестік және ресейлік қозғалтқыштар сериясы. RD 171 (және оның RD 171M ізбасары), 180 және 191 RD 170-тің туындылары болып табылады. RD 0124—«Союз-2.1б» зымыранының екінші сатысында, сондай-ақ «Ангара» сериялы зымырандарының жоғарғы сатыларында қолданылатын оттегі/керосин қозғалтқыштар сериясы. YF 100—2000 жылдары әзірленген қытайлық қозғалтқыш; «Ұзақ наурыз-5», «Ұзақ наурыз-6» және «Ұзақ наурыз-7» зымырандарында қолданылған. AR1—RD 180 ресейлік қозғалтқышын ауыстыру мүмкіндігі ретінде АҚШ Әуе күштерінің ішінара қаржыландырған Aerojet Rocketdyne жобасы. BE 4—Blue Origin LCH4/LOX қозғалтқышы—оттегіге бай сатылы жану (ORSC) циклын пайдаланады—ULA Vulcan зымыран тасымалдағышында қолдану жоспарланған, ол «Atlas V» және «Delta IV» зымырандарын алмастырады, алғашқы сынақ ұшуы 2021 жылы және Blue Origin-тің «New Glenn» зымыран тасымалдағышында, алғашқы сынақ ұшуы 2021 жылдан бұрын емес. RD 253—1960 жылдары әзірленген советтік қозғалтқыш және «Протон» зымыран тасымалдағышының бірінші сатысында қолданылған. Кейінгі нұсқаларына RD 275 және RD 275M кіреді. SCE 200—әзірленіп жатқан үнді RP 1/LOX негізгі саты қозғалтқышы. Hadley—Ursa Major Technologies LOX/керосин күшейткіш қозғалтқышы, Колорадо штатының Денвер қаласының жанында әзірленіп жатыр. Rocket Factory Augsburg "Helix" LOX/керосин қозғалтқышы, Германияның Аугсбург қаласының жанында RFA One зымыранына қуат беру үшін әзірленіп жатыр. Launcher E 2 — Launcher Light зымыран тасымалдағышын қуаттандыруға тиіс әзірленіп жатқан LOX/керосин қозғалтқышы.

Отынға бай сатылы жану

RS 25 — 1970-1980 жылдары АҚШ-та LH2/LOX қозғалтқышы әзірленді, 2011 жылға дейін ғарыш шаттлында қолданылды (мерзімді жаңартулармен), және 2020 жылдары ғарышқа ұшыру жүйесінде одан әрі пайдалану жоспарланған. RD 0120 — "Энергия" зымыранында қолданылған LH2/LOX қозғалтқышы. LE 7 — H II зымыран отбасында қолданылған LH2/LOX қозғалтқышы. KVD 1 (RD 56) — ешқашан ұшпаған Н 1 ұшыру құралының жаңартылған нұсқасы үшін әзірленген советтік LH2/LOX жоғарғы саты қозғалтқышы. GSLV Mk1-де қолданылды. CE 7.5 — GSLV Mk2-де қолданылатын үнділік LH2/LOX жоғарғы саты қозғалтқышы.

Толық ағынды кезеңді жану

РД 270 — 1962–1970 жылдары UR 700 жобасы үшін әзірленген КСРО қозғалтқышы; ешқашан ұшқан емес.