Войти
Поэтапный цикл с высоким содержанием топлива. Здесь все топливо и часть окислителя проходят через форсажную камеру, образуя богатый топливом газ. После прохождения через турбину для питания насосов газ впрыскивается в камеру сгорания и сжигается вместе с оставшимся окислителем. ступенчатый цикл сгорания (иногда известный как цикл долива или цикл предварительной горелки ) - это цикл питания двухотопливной ракеты двигателя. В ступенчатом цикле сгорания топливо протекает через несколько камер сгорания и, таким образом, сгорает поэтапно. Основным преимуществом по сравнению с другими энергетическими циклами ракетных двигателей является высокая топливная эффективность, измеряемая с помощью удельного импульса, в то время как его основным недостатком является инженерная сложность.
Обычно топливо протекает через два вида камер сгорания; первая называется предпусковой камерой, а вторая - основной камерой сгорания. В камере предварительного сжигания небольшая часть топлива сгорает, и увеличивающийся объемный поток используется для приведения в действие турбонасосов , которые питают двигатель топливом. В основной камере сгорания топливо полностью сгорает, создавая тягу.
. Топливная эффективность ступенчатого цикла сгорания частично является результатом того, что все топливо в конечном итоге течет в основную камеру сгорания; способствуя тяги. Ступенчатый цикл сгорания иногда называют замкнутым циклом, в отличие от газогенератора или открытого цикла, когда часть топлива никогда не достигает основной камеры сгорания. Техническая сложность отчасти является результатом выхлопа горячего газа под высоким давлением, особенно когда он богат окислителем, создает чрезвычайно суровые условия для турбин и водопровода.
Замкнутая схема была впервые предложена Алексеем Исаевым в 1949 году. Первым ступенчатым двигателем внутреннего сгорания был S1.5400 (11D33), использовавшийся в Советская планетарная ракета, созданная Мельниковым, бывшим помощником Исаева. Примерно в то же время (1959 г.) Николай Кузнецов начал работу над двигателем замкнутого цикла для орбитальной межконтинентальной баллистической ракеты Королева ГР-1. Позднее Кузнецов развил эту конструкцию в двигателях НК-15 и НК-33 для неудачной ракеты Lunar N1. Некриогенный N2O4 /НДМГ двигатель РД-253 с ступенчатым сгоранием был разработан Валентином Глушко примерно в 1963 году для ракеты «Протон».
После ликвидации из Н-1 Кузнецову было приказано уничтожить технику НК-33, но вместо этого он поставил на склад десятки двигателей. В 1990-х годах с Aerojet связались, и в конце концов они посетили завод Кузнецова. Встретив 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 было сочтено невозможным. В российском двигателе РД-180 также используется ракетный двигатель с ступенчатым сгоранием. Lockheed Martin начала закупку РД-180 примерно в 2000 году для ракет Atlas III, а затем и V. Контракт на покупку впоследствии был передан United Launch Alliance (ULA - совместное предприятие Boeing / Lockheed-Martin) после 2006 года, и ULA продолжает эксплуатировать Atlas V с двигателями РД-180 с 2019 года.
Первый на Западе лабораторный двигатель с поэтапным сгоранием был построен в Германии в 1963 году Людвигом Бёльковым.
Перекисью водорода / керосином, работающим на двигателях, таких как Британская Gamma 1950-х годов может использовать процесс замкнутого цикла путем каталитического разложения пероксида для привода турбин перед сжиганием с керосином в самой камере сгорания. Это дает преимущества по эффективности ступенчатого сжигания, избегая при этом серьезных инженерных проблем.
RS-25 - еще один пример ступенчатого двигателя внутреннего сгорания и первый двигатель, использующий жидкий кислород и жидкий водород. Его аналогом в советском шаттле был РД-0120, похожий по удельному импульсу, тяге и давлению в камере на РС-25, но с некоторыми отличиями, снижающими сложность и стоимость. за счет увеличенной массы двигателя.
Обогащенный окислителем выхлоп турбины из предварительной горелки SpaceX Raptor, показанный во время испытания подсистемы 2015 года на испытательном стенде в Stennis Space Центр. В полнопоточном ракетном двигателе выхлопные газы форсажной камеры направляются в турбину, а затем в основную камеру сгорания. Существует несколько вариантов ступенчатого цикла сгорания. Камеры предварительного сжигания, которые сжигают небольшую часть окислителя с полным потоком топлива, называются богатыми топливом, в то время как предварительные горелки, которые сжигают небольшую часть топлива с полным потоком окислителя, называются богатыми окислителем. RD-180 имеет форсажную камеру с высоким содержанием окислителя, а RS-25 - две форсунки с высоким содержанием топлива. SpaceX Raptor имеет как обогащенные окислителем, так и богатые топливом дожигатели, такая конструкция называется полнопоточной ступенчатой горелкой.
Конструкции ступенчатого горения могут быть одновальными или двухвальными. В одновальной конструкции один комплект из форвакуумной камеры 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 действие отдельными турбинами, которые, в свою очередь, приводятся в движение потоком одной или отдельных горелок. 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 форвакуумной камеры), но позволяет индивидуально управлять двумя турбонасосами.
В дополнение к турбонасосам, ступенчатым двигателям внутреннего сгорания часто требуются подкачивающие насосы меньшего размера, чтобы предотвратить кавитацию как форвакуумного обратного потока, так и турбонасоса . Например, в моделях RD-180 и RS-25 используются подкачивающие насосы с приводом от отводных и расширительных циклов, а также резервуары под давлением для постепенного увеличения давление пропеллента перед входом в форсажную камеру.
Ракетный цикл с ступенчатым сгоранием с полным потоком Ступенчатое сгорание с полным потоком (FFSC) - это двухвальный ступенчатый цикл сгорания, в котором используются оба типа окислителей. и богатые топливом форсунки. Цикл обеспечивает полный поток обоих топлив через турбины; отсюда и название. Топливный турбонасос приводится в движение горелкой, обогащенной топливом, а турбонасос окислителя приводится в движение горелкой, богатой окислителем.
Преимущества полнопоточного ступенчатого цикла сгорания включают турбины, которые работают более холодная и при более низком давлении из-за увеличения массового расхода, что приводит к увеличению срока службы двигателя и повышению надежности. Например, предполагалось до 25 полетов для конструкции двигателя, изученной DLR (Немецкий аэрокосмический центр) в рамках проекта SpaceLiner, ожидается до 1000 полетов для Raptor из SpaceX. Кроме того, полнопоточный цикл устраняет необходимость в уплотнении турбины с промежуточным топливом, которое обычно требуется для отделения богатого окислителем газа от топливного турбонасоса или богатого топливом газа от турбонасоса окислителя, тем самым повышая надежность.
Поскольку использование как горючего, так и окислителя приводит к полной газификации каждого ракетного топлива перед входом в камеру сгорания, двигатели FFSC относятся к более широкому классу ракетных двигателей, называемых газогазовыми двигателями . 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 увеличивает эффективность.
Потенциальные недостатки полнопоточного ступенчатого цикла сгорания включают повышенную инженерную сложность двух предварительных горелок по сравнению с одновальным ступенчатым циклом сгорания, а также увеличенное количество деталей.
По состоянию на 2019 год только три полнопоточных ракетных двигателя ступенчатого внутреннего сгорания когда-либо были достаточно развиты для испытаний на испытательных стендах; проект Советский Энергомаш РД-270 в 1960-е годы, финансируемый правительством США Aerojet Rocketdyne Демонстрационный проект интегрированной силовой установки в середине 2000-х годов и пилотный двигатель SpaceX Raptor, первые испытания которого прошли в феврале 2019 года.
Первый летные испытания полнопоточного двигателя ступенчатого внутреннего сгорания произошли 25 июля 2019 года, когда SpaceX запустила свой двигатель Raptor methalox FFSC на своей стартовой площадке.
Ракетный двигатель SpaceX Raptor FFSC, образец схемы потока топлива, 2019 год 