Поэтапный цикл сгорания
Ступенчатый цикл сгорания (иногда известный как цикл дожига , цикл предварительной горелки или закрытый цикл ) представляет собой энергетический цикл двухкомпонентного ракетного двигателя . В поэтапном цикле сгорания топливо проходит через несколько камер сгорания и, таким образом, сгорает поэтапно. Основным преимуществом по сравнению с другими силовыми циклами ракетных двигателей является высокая топливная экономичность , измеряемая удельным импульсом , а основным недостатком является инженерная сложность .
Обычно топливо проходит через камеры сгорания двух типов; первая называется предварительной камерой сгорания , а вторая — основной камерой сгорания . В камере предварительной сгорания небольшая часть топлива, обычно богатого топливом, частично сгорает в нестехиометрических условиях , а возрастающий объемный расход используется для привода турбонасосов , питающих двигатель топливом. Затем газ впрыскивается в основную камеру сгорания и полностью сгорает вместе с другим топливом для создания тяги .
Компромиссы
[ редактировать ]Основным преимуществом является топливная экономичность, поскольку все топливо поступает в основную камеру сгорания, что также обеспечивает более высокую тягу. Поэтапный цикл сгорания иногда называют закрытым циклом , в отличие от газогенератора , или открытым циклом , при котором часть топлива никогда не достигает основной камеры сгорания. Недостатком является инженерная сложность, отчасти из-за выхлопа горячего газа под высоким давлением перед камерой сгорания, который, особенно если он богат окислителем, создает чрезвычайно тяжелые условия для турбин и водопровода.
История
[ редактировать ]Ступенчатое горение ( Замкнутая схема ) было впервые предложено Алексеем Исаевым в 1949 году. Первым ступенчатым двигателем внутреннего сгорания стал С1.5400 (11Д33), использовавшийся в советской ракете «Молния» , разработанный Мельниковым, бывшим помощником Исаева. [1] Примерно в это же время (1959 год) Николай Кузнецов приступил к работе над двигателем замкнутого цикла НК-9 для орбитальной МБР Королева ГР-1 . Позже Кузнецов развил эту конструкцию в двигатели НК-15 и НК-33 для неудачной ракеты «Лунная Н1» .Некриогенный N 2 O 4 / НДМГ двигатель РД-253 со ступенчатым сгоранием был разработан Валентином Глушко примерно в 1963 году для ракеты «Протон» .
После отказа от Н1 Кузнецову было приказано уничтожить технику НК-33, но вместо этого он складировал десятки двигателей. В 1990-е годы с компанией Aerojet связались, и в конце концов она посетила завод Кузнецова. Встречая первоначальный скептицизм по поводу высокого удельного импульса и других характеристик, Кузнецов отправил двигатель в США для испытаний. Поэтапное сжигание с высоким содержанием окислителя рассматривалось американскими инженерами, но не считалось возможным из-за ресурсов, которые, как они предполагали, потребуются конструкции для работы. [2] В российском двигателе РД-180 также используется цикл ракетного двигателя ступенчатого сгорания. Lockheed Martin начала закупки РД-180 примерно в 2000 году для Atlas III , а затем и V. ракет После 2006 года контракт на покупку был передан United Launch Alliance (ULA — совместному предприятию Boeing/Lockheed-Martin), и ULA продолжает эксплуатировать Atlas V с двигателями РД-180 с 2022 года.
Первый лабораторный двигатель поэтапного сгорания на Западе был построен в Германии в 1963 году Людвигом Бельковым . [ нужна ссылка ]
Двигатели, работающие на перекиси водорода / керосине, могут использовать процесс замкнутого цикла путем каталитического разложения перекиси для привода турбин перед сгоранием с керосином в самой камере сгорания. Это дает преимущества в эффективности ступенчатого сжигания, избегая при этом серьезных инженерных проблем.
Главный двигатель космического корабля RS-25 является еще одним примером двигателя внутреннего сгорания и первым, в котором используется жидкий кислород и жидкий водород. [3] Его аналогом в советском шаттле был РД-0120 , имевший аналогичные удельный импульс , тягу и давление в камере, но с некоторыми отличиями, снижавшими сложность и стоимость за счет увеличения веса двигателя.
Варианты
[ редактировать ]
Существует несколько вариантов ступенчатого цикла сгорания. Предварительные горелки, в которых сжигается небольшая часть окислителя с полным потоком топлива, называются топливно-богатыми , а предварительные горелки, в которых сжигается небольшая часть топлива с полным потоком окислителя, называются окислительно-богатыми . РД-180 имеет предварительную камеру сгорания, обогащенную окислителем, а РС-25 - две камеры предварительного сгорания, обогащенные топливом. SpaceX Raptor оснащен камерами предварительного сгорания, обогащенными окислителем и топливом, — конструкция, называемая полнопоточным ступенчатым сгоранием .
Конструкции ступенчатого сжигания могут быть как одновальными , так и двухвальными . В одновальной конструкции один комплект форкамеры и турбины приводит в движение оба топливных турбонасоса. Примеры включают Энергомаш РД-180 и Blue Origin BE-4 . В двухвальной конструкции два топливных турбонасоса приводятся в движение отдельными турбинами, которые, в свою очередь, приводятся в движение потоками одной или отдельных форкамер. Примеры двухвальных конструкций включают Rocketdyne RS-25 , JAXA LE-7 и Raptor . По сравнению с одновальной конструкцией двухвальная конструкция требует дополнительной турбины (и, возможно, еще одной горелки), но позволяет индивидуально управлять двумя турбонасосами. Двигатели Hydrolox обычно имеют двухвальную конструкцию из-за сильно различающейся плотности топлива.
В дополнение к турбонасосам, ступенчатым двигателям внутреннего сгорания часто требуются подкачивающие насосы меньшего размера, чтобы предотвратить как обратный поток в турбонасосе в камере сгорания, так и кавитацию . Например, в РД-180 и РС-25 используются подкачивающие насосы, приводимые в действие циклами отвода и детандера , а также баки под давлением для постепенного увеличения давления топлива перед входом в предварительную камеру сгорания.
Полнопоточный ступенчатый цикл сгорания
[ редактировать ]
Полнопоточное ступенчатое сжигание (FFSC) представляет собой двухвальный ступенчатый цикл сгорания, в котором используются камеры предварительного сгорания как с высоким содержанием окислителя, так и с высоким содержанием топлива. Цикл обеспечивает полный поток обоих топлив через турбины; отсюда и название. [4] Топливный турбонасос приводится в действие от камеры предварительного сгорания, обогащенной топливом, а турбонасос окислителя приводится в действие от камеры предварительного сгорания, обогащенной окислителем. [5] [4]
Преимущества полнопоточного ступенчатого цикла сгорания включают турбины, которые работают при более низкой температуре и более низком давлении из-за увеличения массового расхода, что приводит к увеличению срока службы двигателя и повышению надежности. Например, для конструкции двигателя, изученной DLR (Немецким аэрокосмическим центром) в рамках проекта SpaceLiner , предполагалось совершить до 25 полетов. [4] ожидается до 1000 полетов Raptor от SpaceX. [6] Кроме того, полнопоточный цикл устраняет необходимость в межтопливном уплотнении турбины, которое обычно требуется для отделения богатого окислителем газа от топливного турбонасоса или богатого топливом газа от турбонасоса окислителя, [7] тем самым повышая надежность.
Поскольку использование предварительных горелок топлива и окислителя приводит к полной газификации каждого топлива перед попаданием в камеру сгорания, двигатели FFSC относятся к более широкому классу ракетных двигателей, называемых газо-газовыми двигателями . [7] Полная газификация компонентов приводит к более быстрым химическим реакциям в камере сгорания, что позволяет уменьшить размер камеры сгорания. Это, в свою очередь, позволяет увеличить давление в камере, что повышает эффективность.
Потенциальные недостатки полнопоточного ступенчатого цикла сгорания включают повышенную техническую сложность двух предварительных горелок по сравнению с одновальным ступенчатым циклом сгорания, а также увеличенное количество деталей.
По состоянию на 2024 год только четыре полнопоточных ракетных двигателя внутреннего сгорания были достаточно развиты для проведения испытаний на испытательных стендах; советский « Энергомаш» проект РД-270 в 1960-х годах, финансируемый правительством США демонстрационный проект силовой головки Aerojet Rocketdyne Integrated в середине 2000-х годов, [7] Летный двигатель Raptor от SpaceX впервые был испытан в феврале 2019 года. [8] и двигатель Stoke Space, разработанный для автомобиля Nova в 2024 году. [9]
Первые летные испытания полнопоточного двигателя ступенчатого сгорания произошли 25 июля 2019 года, когда SpaceX запустила свой металоксовый двигатель Raptor FFSC на Starhopper испытательной ракете на своей космодроме в Южном Техасе . [10] По состоянию на 2024 год Raptor станет единственным двигателем FFSC, летавшим на ракете-носителе.
Приложения
[ редактировать ]Ступенчатое сжигание с высоким содержанием окислителя
[ редактировать ]- S1.5400 — ракетный двигатель внутреннего сгорания первой ступени, используемый на разгонном блоке «Блок Л». [1]
- НК-33 — советский двигатель, разработанный для никогда не летавшей модернизированной версии ракеты-носителя Н-1 . Позже продан компании Aerojet Rocketdyne и отремонтирован/перепродан как AJ-26 (использовался на Antares ракетах-носителях Block 1 в 2013–2014 годах). Используется на корабле «Союз-2-1в» .
- P111 — демонстрационный двигатель на жидком кислороде и керосине, разработанный между 1956 и 1967 годами в компании Bolkow GmbH (позже Astrium ). [11]
- РД-170 , РД-171 , РД-180 и РД-191 — серия советских и российских двигателей, использовавшихся на ракетах-носителях «Энергия» , «Зенит» , «Атлас V» , «Ангара» и ранее на ракетах-носителях «Атлас III» . РД-171 (и его преемник РД-171М), -180 и -191 являются производными РД-170.
- РД-0124 — серия кислородно-керосиновых двигателей, используемых на второй ступени ракеты «Союз-2.1б» , а также в верхних ступенях ракет серии «Ангара» .
- YF-100 — китайский двигатель, разработанный в 2000-х годах; используется на Великом марше 5 , Великом марше 6 и Великом марше 7 . [12]
- AR1 — проект Aerojet Rocketdyne, частично финансируемый ВВС США, в качестве потенциальной замены российского двигателя РД-180. [13]
- BE-4 — двигатель Blue Origin LCH4 / LOX , использующий цикл ступенчатого сгорания с обогащенным кислородом (ORSC), используемый на ракете-носителе ULA Vulcan , которая заменит Atlas V и Delta IV , впервые запущенные в 2024 году. [14] [15] а также планируется использовать на ракете-носителе New Glenn компании Blue Origin , первые летные испытания которого состоятся не ранее 2024 года. [16]
- РД-253 — советский двигатель, разработанный в 1960-х годах и использовавшийся на «Протон» первой ступени ракеты-носителя . Более поздние варианты включают РД-275 и РД-275М.
- SCE-200 — индийский RP-1 / LOX, находящийся в разработке. двигатель главной ступени [ нужна ссылка ]
- Хэдли — Ursa Major Technologies [17] LOX / керосиновый бустерный двигатель в стадии разработки [18] недалеко от Денвера, Колорадо. [19]
- Ракетный завод Аугсбург "Хеликс" LOX / керосиновый двигатель, который должен привести в действие RFA One. разрабатываемый [20] недалеко от Аугсбурга, Германия.
- Ракета-носитель E-2 - Light Launcher . разрабатываемый керосиновый двигатель LOX, который должен привести в действие ракету-носитель [21]
Ступенчатое сжигание с высоким содержанием топлива
[ редактировать ]- RS-25 разработанный в США LH2 / LOX, — двигатель в 1970–1980-х годах, летавший на космическом корабле "Шаттл" до 2011 года (с периодическими модернизациями) и планируемый к дальнейшему использованию в системе космического запуска в 2020-х годах.
- РД-0120 — двигатель LH2 / LOX, используемый на ракете «Энергия».
- LE-7 — двигатель LH2 / LOX, используемый на ракетах семейства H-II.
- КВД-1 (РД-56) — советский LH2 / LOX, разгонный двигатель Н-1 разработанный для никогда не летавшей модернизированной версии ракеты-носителя . Используется на GSLV Mk1 .
- CE-7.5 — индийский LH2 / LOX двигатель разгонного блока , используемый на GSLV Mk2. [22]
Полнопоточное ступенчатое сжигание
[ редактировать ]
- РД-270 — двигатель СССР, разрабатывавшийся в 1962–1970 гг. по проекту УР-700; никогда не летал. [7]
- Демонстратор встроенной силовой головки — Демонстрационный проект передней части полнопоточного двигателя без камеры сгорания или других внутренних подсистем. [7] проект США по разработке части новой технологии ракетных двигателей в начале 2000-х годов; ни один полноценный двигатель никогда не создавался; никогда не летал.
- Raptor — двигатель SpaceX LCH4 /LOX, находящийся в разработке, первый полет состоялся в 2019 году. [23] [24]
- S1E — двигатель Stoke LCH4/LOX в разработке. По состоянию на июнь 2024 года он не летал. [25]
- Мьёльнир — New Frontier Aerospace LCH4/LOX [26] двигатель в разработке. [27] По состоянию на июль 2024 года он не летал.
Прошлое и настоящее применение двигателей ступенчатого сгорания.
[ редактировать ]Будущие применения двигателей поэтапного сгорания
[ редактировать ]См. также
[ редактировать ]- Соотношение воздух-топливо
- Экспандерный цикл
- Газогенераторный цикл
- Отводной цикл сгорания
- Двигатель с питанием под давлением
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Саттон, Джордж (2006). История жидкостных ракетных двигателей . АИАА. дои : 10.2514/4.868870 . ISBN 978-1-56347-649-5 . Проверено 5 ноября 2022 г.
- ↑ Канал «История космодрома» , интервью с инженерами Aerojet и Кузнецова об истории поэтапного сгорания.
- ^ «Двигатель РС-25 | L3Harris® Быстро. Вперед» . www.l3harris.com . Проверено 23 мая 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Сиппель, Мартин; Ямасиро, Рёма; Кремаски, Франческо (10 мая 2012 г.). Компромиссы в конструкции ракетного двигателя с поэтапным циклом сгорания для будущего современного пассажирского транспорта (PDF) . Космическое движение 2012. ST28-5. Бордо: DLR-SART. Архивировано (PDF) из оригинала 19 марта 2014 г. Проверено 19 марта 2014 г.
- ^ Эмди, Джефф (2004). «Тихая установка ракеты-носителя» (PDF) . Перекрестная ссылка . Том. 5, нет. 1 (зимнее изд. 2004 г.). Аэрокосмическая корпорация . стр. 12–19. Архивировано из оригинала 8 марта 2016 года . Проверено 30 сентября 2016 г.
- ^ О'Каллаган, Джонатан (31 июля 2019 г.). «Дикая физика пожирающей метан суперракеты Илона Маска» . Проводная Великобритания . ISSN 1357-0978 . Архивировано из оригинала 22 февраля 2021 года . Проверено 1 января 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Беллускио, Алехандро Г. (7 марта 2014 г.). «SpaceX продвигает ракету на Марс с помощью энергии Raptor» . NASAspaceflight.com . Архивировано из оригинала 11 сентября 2015 года . Проверено 9 марта 2014 г.
- ^ Уолл, Майк (4 февраля 2019 г.). «Илон Маск представляет первые испытания ракетного двигателя SpaceX для звездолета (видео)» . Space.com . Архивировано из оригинала 27 июля 2019 года . Проверено 27 июля 2019 г.
- ^ Куна, Эрик (11 июня 2024 г.). «Stoke Space завершила первое успешное испытание полнопоточного двигателя поэтапного сгорания» . Stoke Space / 100% многоразовые ракеты / США . Проверено 11 июня 2024 г.
- ^ Бургхардт, Томас (25 июля 2019 г.). «Starhopper успешно проводит дебютный Бока-Чика-Хоп» . NASASpaceFlight.com . Архивировано из оригинала 26 июля 2019 года . Проверено 26 июля 2019 г.
- ^ Хезелер, Дитрих; Мэдинг, Крис; Преклик, Дитер; Рубинский, Виталий; Косматечва, Валентина (9 июля 2006 г.). «Испытания газогенератора с высоким содержанием окислителя LOX и основной камеры сгорания». 42-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам . дои : 10.2514/6.2006-5197 . ISBN 9781624100383 .
- ^ Руи К. Барбоза (25 июня 2016 г.). «Китай успешно дебютирует в рамках «Великого марта 7 – капсула восстановления»» . NASASpaceFlight.com . Архивировано из оригинала 27 июня 2016 года . Проверено 28 сентября 2016 г.
- ^ «Рамбардный двигатель AR1 | Aerojet Rocketdyne» . Rocket.com . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 28 сентября 2016 г.
- ^ «ULA теперь планирует первый запуск Vulcan в 2021 году» . SpaceNews.com . 25 октября 2018 года . Проверено 5 ноября 2022 г.
- ^ Голубое происхождение. «Ракетный двигатель БЕ-4» (PDF) . Сайт УЛА, 2014 год . Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2015 года . Проверено 19 марта 2014 г.
- ^ Бергер, Эрик (9 марта 2016 г.). «За кулисами: Арс проникает на секретный ракетный завод Blue Origin» . Арс Техника . Архивировано из оригинала 9 марта 2016 года . Проверено 12 марта 2016 г.
- ^ "Дом" . Большая Медведица Технологии . Архивировано из оригинала 9 мая 2017 года . Проверено 20 мая 2017 г.
- ^ «Публикация Ursa Major Technologies в Instagram • 16 мая 2017 г., 23:07 по всемирному координированному времени» . Инстаграм . Архивировано из оригинала 1 октября 2021 года . Проверено 20 мая 2017 г.
- ^ «Бертудские деловые новости» . Архивировано из оригинала 7 июня 2022 года.
- ^ «RFA провела испытания двигателя внутреннего сгорания» . СпейсВотч Глобал . 26 июля 2021 года. Архивировано из оригинала 9 мая 2017 года . Проверено 22 июня 2022 г.
- ^ «USSF наградил пусковую установку миллионами за продолжение разработки ракетного двигателя E-2» . Субботние новости . 26 апреля 2022 г.
- ^ «GSLV MkIII, следующая веха» . Линия фронта . 7 февраля 2014 года. Архивировано из оригинала 23 декабря 2015 года . Проверено 12 марта 2016 г.
- ^ Тодд, Дэвид (22 ноября 2012 г.). «Ракета SpaceX на Марс будет работать на метане» . Флайтглобал . Архивировано из оригинала 30 октября 2013 года . Проверено 5 декабря 2012 г.
Маск сказал, что Lox и метан будут предпочтительным топливом SpaceX для миссии на Марс, которая уже давно является его заявленной целью. Первоначальная работа SpaceX будет заключаться в создании ракеты на Lox/метане для будущей верхней ступени под кодовым названием Raptor. Конструкция этого двигателя будет отличаться от газогенераторной системы «открытого цикла», которую использует текущая серия двигателей Merlin 1. Вместо этого в новом ракетном двигателе будет использоваться гораздо более эффективный цикл «ступенчатого сгорания», который используется во многих российских ракетных двигателях.
- ^ Груш, Лорен (26 июля 2019 г.). «Новая испытательная ракета SpaceX ненадолго зависает во время первого свободного полета» . Грань . Архивировано из оригинала 26 июля 2019 года . Проверено 27 июля 2019 г.
- ^ Бергер, Эрик (11 июня 2024 г.). «Stoke Space впервые запускает свой амбициозный главный двигатель» . Арс Техника . Проверено 11 июня 2024 г.
- ^ Фауст, Джефф (25 июля 2024 г.). «New Frontier Aerospace испытывает ракетный двигатель для перелетов из пункта в пункт» . Космические новости . Проверено 26 июля 2024 г.
- ^ Бергер, Эрик (26 июля 2024 г.). «Ракетный отчет: ABL теряет второй ускоритель; Falcon 9 разрешено вернуться в полет» . Арс Техника . Проверено 26 июля 2024 г.
- ^ Уильямс, Мэтт (24 января 2019 г.). «Blue Origin продемонстрировала новое видео своей новой конструкции ракеты Гленна» . Вселенная сегодня . Архивировано из оригинала 27 июля 2019 года . Проверено 27 июля 2019 г.
- Додд, Тим (2019). «Является ли двигатель Raptor от SpaceX королем ракетных двигателей?» . Каждый день космонавт . Проверено 5 апреля 2021 г.
