Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологий использования сжиженного природного газа (метан, пропан, бутан) в качестве топлива для ракетно-космической техники нового поколения и создание стендового демонстрационного образца ракетного двигателя.

Докладчик: Фролов Сергей Михайлович

Должность: Председатель Научно-технического Совета НП "Центр ИДГ", заведующий Отделом горения и взрыва ИХФ РАН

Цель проекта:
1. При выполнении проекта планируется решить ряд научно-технических задач, направленных на разработку энергетически эффективного рабочего цикла ракетного двигателя с непрерывно-детонационным горением смеси сжиженного природного газа с кислородом: Задача 1: Анализ новых современных идей и подходов к созданию детонационного ракетного двигателя (ДРД) с непрерывно-детонационным режимом горения в обеспечение их высоких удельных параметров и характеристик, достижение которых невозможно в традиционных ракетных двигателях с дефлаграционным режимом горения (Должен быть выполнен обзор современной научно-технической литературы по теме проекта и проведён патентный поиск). Задача 2: Расчетно-теоретическое определение параметров, в границах которых обеспечивается устойчивое непрерывно-детонационное горение в камере сгорания ДРД (должны быть проведены трехмерные параметрические расчёты процессов горения гомогенной и гетерогенной смеси природного газа с кислородом в непрерывной детонационной волне, направленные на определение параметрической области, в которой возможно осуществить рабочий цикл с устойчивым непрерывно-детонационным горением). Задача 3: Расчетно-экспериментальные исследования по организации эффективного смесеобразования в ДРД, работающих на непрерывной детонации (должны быть проведены трехмерные параметрические расчёты процессов смесеобразования между сжиженным природным газом (метаном, пропаном, бутаном) и газообразным кислородом (окислительный цикл) и между предиспаренным природным газом (метаном, пропаном, бутаном) и жидким кислородом (восстановительный цикл), направленные на определение наилучших условий для образования детонационноспособной горючей смеси в камере сгорания ДРД (детонационноспособная смесь с требуемой степенью гомогенизации должна образоваться за время одного оборота детонационной волны в кольцевом зазоре ДРД)). Задача 4: Расчетно-экспериментальные исследования процессов инициирования детонационного горения в ДРД, работающих на непрерывной детонации, и разработка эффективных методов инициирования детонации (должны быть проведены трехмерные параметрические расчёты процессов инициирования детонации, направленные на определение условий надёжного формирования устойчивой детонационной волны при запуске ДРД). Задача 6: Изучение возможности и принципов организации рабочего процесса с непрерывной детонацией в демонстрационном образце ДРД и выбор наиболее перспективной схемы демонстрационного образца ДРД (должны быть проанализированы параметрические расчёты процессов смесеобразования, инициирования детонации и непрерывно-детонационного горения в условиях камеры сгорания ДРД и сформулированы требования к конструкции основных узлов демонстрационного образца ДРД: смесительной головки; камеры сгорания; инициатора детонации; устройства, препятствующего движению горящих газов в обратном направлении (изолятор и гаситель)). Задача 7: Разработка оптических и электрических методов диагностики рабочего процесса в демонстрационном образце ДРД (должна быть разработана и изготовлена экспериментальная установка, а также разработаны программа и методики экспериментальных исследований для исследования структуры и устойчивости зоны детонационного горения). Задача 8: Разработка конструкции демонстрационного образца ДРД и теоретическая проверка правильности основных технических решений. С учётом результатов, полученных в ходе решения предыдущих задач, будет разработана эскизная конструкторская документация основных узлов демонстрационного образца ДРД: смесительной головки, камеры сгорания, инициатора детонации (должна быть выполнена теоретическая проверка правильности основных технических решений). Задача 9: Изготовление демонстрационного образца ДРД и проведение его лабораторных испытаний (должен быть изготовлен и подвергнут лабораторным испытаниям демонстрационный образец ДРД, по результатам которых должна быть уточнена конструкция его наиболее значимых функциональных элементов: смесительной головки, инициатора детонации, внутренней части камеры сгорания, изолятора и гасителя). 2. Цель проекта: Разработка технологий использования сжиженного природного газа (метан, пропан, бутан) в качестве ракетного топлива и создание стендового демонстрационного образца ракетного двигателя с непрерывно-детонационной камерой сгорания, работающей на смеси сжиженного природного газа и кислорода, который обеспечит повышение энергетических и экологических характеристик ракетных двигателей по сравнению с существующими отечественными и зарубежными образцами

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта:
1. Результаты расчётно-теоретических исследований процессов горения гомогенной и гетерогенной смеси природного газа с окислителем в непрерывной детонационной волне, направленные на определение параметрической области, в которой возможно осуществить рабочий цикл детонационного ракетного двигателя (ДРД) с устойчивым непрерывно-детонационным горением.
2. Эскизная конструкторская документация стендовой установки для экспериментальной проверки расчётно-теоретических исследований процессов горения гомогенной и гетерогенной смеси сжиженного природного газа с окислителем в непрерывной детонационной волне.
3. Стендовая установка для экспериментальной проверки расчётно-теоретических исследований процессов горения гомогенной и гетерогенной смеси природного газа с окислителем в непрерывной детонационной волне.
4. Результаты верификации используемых математических моделей и экспериментальной проверки расчётно-теоретических исследований процессов горения гомогенной и гетерогенной смеси природного газа с окислителем в непрерывной детонационной волне.
5. Результаты расчетно-экспериментальных исследований по организации эффективного смесеобразования в ДРД, работающем на непрерывной детонации.
6. Результаты расчетно-экспериментальных исследований процессов инициирования детонационного горения в ДРД, работающем на непрерывной детонации, а также схемы наиболее эффективных методов инициирования детонации.
7. Эскизная конструкторская документация стендового демонстрационного образца ДРД.
8. Стендовый демонстрационный образец ДРД и результаты его испытаний.
9. Эскизная документация на экспериментальные установки для проведения исследований процессов смесеобразования и инициирования непрерывной детонационной волны в условиях, моделирующих условия в стендовом демонстрационном образце ДРД.
10. Эскизная конструкторская документация на испытательный стенд для стендового демонстрационного образца ДРД.
11. Экспериментальные установки для проведения исследований процессов смесеобразования и инициирования непрерывной детонационной волны в условиях, моделирующих условия в стендовом демонстрационном образце ДРД.
12. Программа и методики экспериментальных исследований процессов смесеобразования и инициирования непрерывной детонационной волны в условиях, моделирующих условия в стендовом демонстрационном образце ДРД.
13. Рабочая конструкторская документация для изготовления испытательного стенда для стендового демонстрационного образца ДРД.
14. Испытательный стенд для проведения испытаний стендового демонстрационного образца ДРД.
15. Программа и методики испытаний стендового демонстрационного образца ДРД.
16. Лабораторный технологический регламент на использование сжиженного природного газа в качестве ракетного топлива и газообразного кислорода в качестве окислителя.
17. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: "Разработка и изготовление опытного стендового образца детонационного ракетного двигателя, работающего на сжиженном природного газа (метан, пропан, бутан) в качестве топлива для ракетно-космической техники нового поколения".

Ожидается, что использование топливной пары «сжиженный природный газ – кислород» в ДРД, работающем на новом термодинамическом цикле с непрерывно-детонационным горением, позволит увеличить удельный импульс тяги как минимум на 15% по сравнению с традиционным ЖРД, работающим на топливной паре «керосин – кислород».
В настоящее время научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на реализацию рабочего процесса в ДРД, активно проводятся за рубежом (США, Франция, Япония, Китай, Корея, Польша) и в нашей стране (Центр ИДГ ИХФ РАН, ИГиЛ СО РАН). Об этом свидетельствуют материалы специализированных международных конференций и семинаров, специальных научных секций на крупных научных форумах, а также многочисленные публикации в ведущих международных и национальных научных журналах. Среди ключевых конференций по этой тематике следует отметить серию из девяти Международных коллоквиумов по импульсной и непрерывной детонации (www.icpcd.ru), совместно поддерживаемых Российским фондом фундаментальных исследований и Управлением военно-морских исследований США (ONR), а также серию из трёх международных семинаров по применению детонации в силовых установках (IWDP), поддерживаемых различными национальными и международными научными фондами. Работа, проводимая в рамках данного проекта, не только соответствует, но и определяет мировой уровень исследований.
Решение описанных выше научно-технических задач облегчается возможностью трехмерного математического моделирования процессов смешения, горения и детонации с помощью имеющегося математического и программного аппарата, что существенно сократит трудозатраты, связанные с проведением экспериментальных исследований. В имеющемся математическом и программном аппарате процесс непрерывно-детонационного горения моделируется численно в трехмерной постановке задачи с учетом конечного времени турбулентно-молекулярного смешения, межфазных взаимодействий «жидкость – газ» и химических превращений. Математическая модель течения, положенная в основу расчетов – осредненные по Рейнольдсу уравнения сохранения массы, количества движения и энергии для нестационарного, сжимаемого, двухфазного, турбулентного, реагирующего течения. Турбулентные потоки вещества, количества движения и энергии моделируются с помощью двух или трехпараметрической модели турбулентности. Для описания двухфазного течения используется концепция взаимно проникающих континуумов с уточненными моделями обмена массой, количеством движения и энергией между фазами, учитывающими коллективные (струйные) эффекты – моделями, разработанными в Центре ИДГ. Для описания химических превращений используется разработанный в Центре ИДГ комбинированный алгоритм явного выделения фронта пламени (ЯВП) и метод частиц (МЧ), который позволяет одновременно учитывать и фронтальные, и объемные режимы энерговыделения в турбулентном потоке. Комбинированный алгоритм ЯВП-МЧ дополнен обширными базами кинетических данных для расчета характеристик ламинарного пламени и предпламенного самовоспламенения в виде многомерных электронных таблиц, созданной в Центре ИДГ. Система определяющих уравнений замыкается калорическим и термическим уравнениями состояния реального газа, а также начальными и граничными условиями. Необходимые для расчетов уравнения состояния реального газа для сжиженного природного газа (метан, пропан, бутан), кислорода, а также для продуктов горения (СО, СО2, Н2О, Н2 и др.) уже разработаны и апробированы творческим коллективом проекта на других задачах. Теплофизические параметры газа и жидкости считаются переменными. Для численного решения используется метод, основанный на конечно-объемной дискретизации определяющих уравнений. Течение многокомпонентной газовой смеси моделируется с использованием эйлерова формализма. Течение дисперсной фазы (капли и пленки жидкого горючего) моделируется с использованием лагранжева формализма. Чтобы избежать чрезмерного сгущения сетки к твердым поверхностям с прилипанием потока, в расчетах используется стандартный метод пристеночных функций. Все вычислительные технологии, которые планируется использовать при выполнении проекта, разработаны в Центре ИДГ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты, полученные в ходе выполнения настоящего прикладного научного исследования, будут использованы Индустриальным партнером НП "Центр ИДГ" по данному проекту - Тураевским машиностроительным конструкторским бюро "Союз" (Московская область, г. Лыткарино, промзона Тураево), а также могут быть использованы на других предприятиях ракетно-космической отрасли (ЦНИИМАШ, ПИЦ им. М.В.Келдыша, РКК "Энергия", ГНПО им. Хруничева и др.) при проектировании перспективных ракетных двигателей, работающих в режиме
непрерывной детонации и использующих в качестве топлива сжиженный природный газ. На основе данной прикладной научной-исследовательской работы будет разработан проект технического задания на ОКР, цель которого – создание экспериментального образца ракетного двигателя на непрерывной детонации сжиженного природного газа и проведение его натурных испытаний.

Текущие результаты проекта:
1. Подготовлен аналитический обзор научных и информационных источников по детонационным ракетным двигателям: процессы смесеобразования и инициирования непрерывной детонационной волны, процесс горения гомогенной и гетерогенной топливной смеси в непрерывной детонационной волне, средства диагностики процессов смесеобразования и горения в непрерывной детонационной волне.
2. Разработана принципиальная схемы стендового демонстрационного образца ДРД.
3. Проведены трехмерные параметрические расчёты процесса горения гомогенной смеси природного газа с кислородом в непрерывной детонационной волне для определения параметрической области существования рабочего цикла с устойчивым непрерывно-детонационным горением.
4. Проведены трехмерные параметрические расчёты процесса горения гетерогенной смеси природного газа (капли) с кислородом (газ) в непрерывной детонационной волне для определения параметрической области существования рабочего цикла с устойчивым непрерывно-детонационным горением.
5. Проведены трехмерные параметрические расчёты процесса горения гетерогенной смеси природного газа (газ) с кислородом (капли) в непрерывной детонационной волне для определения параметрической области существования рабочего цикла с устойчивым непрерывно-детонационным горением.
6. Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление стендовой установки для проверки макетов камеры сгорания стендового демонстрационного образца ДРД.
7. Проведена верификация используемых математических моделей и экспериментальная проверка результатов параметрических расчётов процессов горения.
8. Проведены патентные исследования.
9. По результатам работы написана научная статья, принятая в печать в журнале "Доклады академии наук."