Союз-СПГ / Амур-СПГ

[Salo]

Неглупый пишет:
 Salo, НЯП метановый двигатель позиционируется прежде всего как двигатель, в котором кардинально увеличена надежность из-за исключения горячего кислого газа, подобную надежность имеют керосиновые двигатели открытой схемы, можно добавить в таблицу?

Старый пишет:
В данном двигателе окислительный ГГ. Метан при такой напряжённости непригоден так как коксуется.

Температура метана на входе в турбину РД0162 259°С. Без ограничений по времени контакта с горячей стенкой предельная температура нагрева метана составляет 707°С. Так что и где у нас коксуется?

Старый пишет:
 Так что мы имеем ещё более напряжённый чем в НК-33 окислительный газогенератор.

Температура окислительного газа на входе в турбину РД0162 315°С. В НК-33 400-500°С.

Старый пишет:
За что боролись на то и напоролись.

Кто и на что напоролся?

[Salo]

Алексей пишет:
Владимир Константинович Чванов мужик умный, но здесь он не договаривает. И метан и керосин это углеводороды. А если есть углерод, то будет и сажа, от которой термовакуумной сушкой не избавишься. Сажи не будет только при использовании водорода.

Дмитрий В. пишет:
Но при метане еее будет меньше чем при керосине.

Алексей пишет:
При всех прочих равных незначительно.

Дмитрий В. пишет:
В метане относительно меньше углерода и термическое разложение начинается при более высоких температурах, чем у керосина. Поэтому при прочих равных у метановых ЖРД будет заметно меньше сажи.

Из докторской диссертации Клепикова И.А. (Энергомаш):

В 1984 г. НИИТП совместно с ГИПХ и НПО Энергомаш при исследованиях восстановительной генерации были получены важные экспериментальные данные, показывающие возможность создания безсажевого генераторного газа при избытке метана, т.е. обоснована возможность создания двигателей с восстановительным турбогазом [104].
...
Что касается метана и пропана, то по ТЗ КБЭМ в ГИПХ'е совместно с НИИТП проведены эксперименты на восстановительном ГГ на топливах Ог + СН4 и Ог + СзНз [104], показавшие практическое отсутствие сажи с метаном, и достаточно заметное ее количество с пропаном, при этом по термодинамическим расчетам процесса в восстановительных ГГ для этих топлив по равновесной модели, сажа должна быть для обоих топлив.
Эксперименты показали, что расчеты по равновесной модели не достоверны, и надо создавать новые методики термодинамических расчетов процессов в восстановительных ГГ с учетом неравновесности. Такие расчеты были предприняты в НИИТП и в расчетном отделе КБЭМ, и до сих пор продолжаются, пока не будет выбрана методика расчета с учетом неравновесности.
Эксперименты (и "равновесные" термодинамические расчеты) показали, что в отношении сажеобразования в восстановительном ГГ преимущество за метаном, с РГ-1 явно много проблем, пропан занимает промежуточное положение в этом вопросе между СН4 и РГ-1.
...
104. Экспериментальное изучение восстановительной кислородно-метановой газогенерации и термодинамические параметры генераторного газа / Б.В.Гидаспов, В.Я.Лихушин, Г.С.Потехин,
И.Н.Бебелин, А.П.Ваничев, Г.П.Калмыков, Л.А.Янчилин и др. / / НИИТП, ГИПХ.-1985.-62С.

[Salo]

Там же:

В 1994 г. КБХМ им. А.М.Исаева начало изучения кислородно-метанового двигателя на базе использования основных агрегатов кислородно-водородного двигателя [213]. В 1997-99 гг. на стенде НИИХМ проведены огневые испытания двигателя КБХМ на топливе кислород-метан (вначале управляющего блока тягой ~0,2 тс, а затем и полномасштабного ЖРД тягой 5-7 тс, выполненного по схеме с дожиганием восстановительного турбогаза, с охлаждением камеры полным расходом метана, с рк~33-63 кгс/см^2, с наработкой 450 с, при концентрации метана в СПГ 89 - 99%. Испытания этого двигателя показали принципиальную возможность создания метанового ЖРД с дожиганием восстановительного турбогаза. Показана также зависимость чистоты генераторного газа (сажи) от концентрации метана в СПГ, в частности чистый газ получен при содержании метана не менее 98%.

[Salo]

И ещё:

3). Лучшим горючим для восстановительных газогенераторов является метан, который при Т>1400К и Р=600 кгс/см^2 по расчетам равновесных процессов не дает сажи на выходе из ГГ, для пропана эта температура на 210...250 град, а для РГ-1 на 390...440 град. выше. Судя по экспериментальным данным, метан не дает сажи во всем рабочем диапазоне температур на выходе из генератора (при определенной организации процесса в ГГ) благодаря фактической неравновесности реакций образования свободного углерода.

[Salo]

Там же о достоинствах метана:

Низкие температуры замерзания метана и пропана (< -180°С) расширяют возможности разработчиков МКС и ЖРД. В частности, можно использовать не теплоизолированные разделительные перегородки между баками О и Г, в баках можно совмешать днища и даже использовать схему "бак в баке", в системах управления и регулирования ЖРД можно применять простейшие сильфонно-мембранные корректоры соотношения компонентов и т.д. В итоге - упрощение конструкции, уменьшение ее массы.
Низкие температуры кипения метана (-160°С) и пропана (-42°С) позволяют сравнительно с РГ-1 упростить технологию послепусковой обработки трактов горючего ЖРД и МКС, сведя ее к дренажированию и продувке и т.п. Таким образом применение метана и пропана может существенно облегчить решение проблем, связанных с проведением КТП двигателей и ОТИ ракетных блоков без переборки.
Метан и пропан нейтральны по отношению практически ко всем применяемым конструкционным материалам.
По токсичности метан и пропан находятся на уровне РГ-1.

Поэтому особый интерес представляет топливо "кислород + метан".
Метан может дать следующие преимущества по сравнению с керосином:
- более высокий термодинамический удельный импульс;
- лучшие охлаждающие свойства;
- дешев, неограниченная сырьевая база;
- позволяет иметь ВГГ, без сажи, а значит любую схему (в том числе и предельную "газ-газ" );
- для новых носителей (при одинаковом стартовом весе) не проигрывает по энергетике керосину, несмотря на меньшую плотность, особенно - для верхних ступеней;
- позволяет в ряде случаев использовать один и тот же насос для подачи метана, а потом - водорода;
- простота межпусковой обработки трактов;
- позволяет обеспечить более совершенный процесс в КС (меньше расход на завесы, лучшее смесеобразование);
- экологическая безопасность при разработке и эксплуатации.

Согласно расчетам на регенеративное охлаждение камеры в широком диапазоне тяг и давлений достаточно расходовать лишь часть метанового горючего при сравнительно небольшом расходе на пояс завесного охлаждения. Результирующее снижение гидравлических потерь в охлаждающем тракте позволяет поднять давление в камере. Наконец, возможность вырабатывания высокотемпературного газа с избытком метана без выпадения сажи в рабочем тракте [104] позволяет реализовать в полной мере достоинства упомянутого газа как рабочего тела для привода ТНА[122,207].
Возможность перевода ГГ с окислительного на восстановительный газ весьма способствует повышению ресурса и надежности ЖРД. Тот факт, что после выключения кислородно-метанового ЖРД остатки топлива быстро испаряются из его магистралей, снимает ограничения по многократному включению ЖРД в космосе. Высокая надежность кислородно-метанового ЖРД обеспечит его длительный рабочий ресурс и безопасность ракеты-носителя в полете, что позволит многократно использовать ЖРД и, следовательно, реально снизит стоимость выведения полезных грузов.

[Salo]

Добавлю от себя, что использование метана позволит перейти на горячую без балонную систему наддува основными компонентами. В случае использования РД0162-0164 для наддува бака Г можно использовать нагретый до 259°С в рубашке двигателя метан, а для наддува бака О окислительный газ с температурой 315°С.
Даже с учётом падения температуры газов на 50°С в магистралях его подачи в баки получаем следующие цифры:

Бак ЖМ:
Давление газа наддува 3 атм. Объём 100 м3.

Температура гелия для наддува 220°С.
Расчётная масса гелия для наддува 44 кг.
С учётом того что 30% гелия не вырабатывается из баллонов масса гелия в баллонах составит 63 кг.
Масса баллона 102 кг. (на самом деле больше, потому что используется несколько баллонов меньшего объёма)
Объём баллона 0,47 м3.
Суммарная масса 165 кг.
В неё не вошли теплообменник на двигателе и напорные магистрали от баллонов к нему.

Температура метана для наддува 200°С.
Расчётная масса метана для наддува 101 кг.

Бак ЖК:
Давление газа наддува 3 атм. Объём 130 м3.

Температура гелия для наддува 220°С.
Расчётная масса гелия для наддува 57 кг.
С учётом того что 30% гелия не вырабатывается из баллонов масса гелия в баллонах составит 82 кг.
Масса баллона 132 кг. (на самом деле больше, потому что используется несколько баллонов меньшего объёма)
Объём баллона 0,61 м3.
Суммарная масса 189 кг.
В неё не вошли теплообменник на двигателе и напорные магистрали от баллонов к нему.

Температура окислительного газа для наддува 260°С.
Расчётная масса окислительного газа для наддува 281 кг.

Получаем массу гелиевой системы без теплообменника 354 кг.
Масса системы на основных компонентах 382 кг.

Теперь ещё нужно учесть тот факт, что баллоны с гелием занимают в баке ЖК 1,08 м3 объёма.
Отказ от гелиевой системы позволит разместить там 1,2 тонны ЖК дополнительно.Отказ от теплообменника позволит не только сэкономить на его массе, но и устранить задержку в 15-20 с на его прогрев сразу после старта.

[Bell]

Старый пишет:
Более низкая плотность метанового топлива потребует больщей мощности ТНА чем для
керосинового топлива.

За счет иного соотношение компонентов фактическая масса метана уменьшится и мощность ТНА тоже.

[fagot]

Потребная мощность насоса определяется объемным расходом компонента, а не массовым.

[fagot]

Старый пишет:
Ссылка на весь предыдущий мировой опыт подойдёт?

Как протолкнуть свою идею-фикс, так сразу "инерция мышления", а как зарезать чужую - так "мировой опыт".

[Salo]

Старый пишет:
Более низкая плотность метанового топлива потребует больщей мощности ТНА чем для
керосинового топлива.

Bell пишет:
За счет иного соотношение компонентов фактическая масса метана уменьшится и мощность ТНА тоже.

fagot пишет:
Потребная мощность насоса определяется объемным расходом компонента, а не массовым.

Схема газ-газ позволяет с лихвой скомпенсировать увеличение мощности, да ещё и при меньшей температуре газов.
А в схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа можно просто поднять температуру. Поскольку газ восстановительный, то особых проблем не возникнет: в авиационных газовых турбинах температура газа доходит до 1400°С и ничего не сгорает.

[Salo]

Из той же диссертации Клепикова:

[fagot]

У авиационных турбин воздушное охлаждение лопаток.

[Salo]

Но они и не 200 с работают.

[fagot]

Так чтобы лопатки отвалились, может и пары секунд хватить.

[Mark]

Главный конструктор по средствам выведения (уже было, теперь немножко подробней) Дмитрий Баранов:
 
- Прежний «Союз», несмотря на свою фантастическую надежность, имеет ряд слабых мест, - признает Дмитрий Баранов. - В силу того, что машина возрастная, достаточно много людей вынуждены работать перед стартом на заправленной машине и выполнять заключительные операции на ракете, содержащей 300 тонн кислорода температурой минус 180 градусов. На современных машинах так не делают, но переделать «Союз» под автоматическую ракету невозможно - легче сконструировать новую, с нуля. К тому же изготовление «Союза» и «Союза-2» технологически сложное, что с экономической точки зрения не очень хорошо - в какой-то момент можно стать неконкурентоспособными. Чтобы этого избежать, мы решили идти на шаг впереди. Сейчас научно-исследовательская работа по «Союзу-5» отправлена в наш отраслевой институт, в октябре планируем провести научно-технический совет в Центре «ЦСКБ-Прогресс» и в Роскосмосе, чтобы продвинуть нашу машину как перспективную. Новая ракета работает на сжиженном природном газе, отличается упрощенной конструкцией, содержит ряд технических новшеств

http://samara.kp.ru/daily/26130/3022135/

[Дмитрий В.]

Старый пишет:

Дмитрий В. пишет:
А на чистом метане (до 95 % и более в составе природного газа) никто летать и не собирается. Собираютсся летать на СПГ.

Ах уже на СПГ... А как там у него с УИ и прочим?

Все то же самое практически, поскольку "метановыми" в обиходе называют ЖРД, реально работающие на СПГ.

[Старый]

Salo пишет:
Схема газ-газ позволяет с лихвой скомпенсировать увеличение мощности, да ещё и при меньшей температуре газов.

Одновременно удорожать и усложнить двигатель и снизить надёжность. 

А в схеме с дожиганием восстановительного генераторного газа можно просто поднять температуру. Поскольку газ восстановительный, то особых проблем не возникнет: в авиационных газовых турбинах температура газа доходит до 1400°С и ничего не сгорает.

Что будет с самим газом (СПГ) при такой температуре? Кокс не забъёт если не турбину то форсунки?

[Старый]

fagot пишет:

Старый пишет:
Ссылка на весь предыдущий мировой опыт подойдёт?

Как протолкнуть свою идею-фикс, так сразу "инерция мышления", а как зарезать чужую - так "мировой опыт".  

Идея-фикс маленькая и частная, а мировой опыт большой и основной. Опять же на идее-фикс я и не настаиваю.

[Старый]

Salo пишет:
Температура окислительного газа на входе в турбину РД0162 315°С. В НК-33 400-500°С. 

Чтото тут не то. Всё в порядке с законами физики?

[Плейшнер]

Старый пишет:

Salo пишет:
Температура окислительного газа на входе в турбину РД0162 315°С. В НК-33 400-500°С.

Чтото тут не то. Всё в порядке с законами физики?

бифоскриптум: Вы наверняка и сами это знаете, Salo  уже несколько раз постил описание 


В ТНА РД-0162 работают две турбины на одном валу, и поэтому каждая с весьма щадящими параметрами: одна на окислительном газе температурой 315° С а вторая совсем простая, "учебная", на газообразном метане 110° С