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 предварительной камере сгорания небольшая часть топлива, обычно богатого топливом, частично сгорает в нестехиометрических условиях , а возрастающий объемный расход используется для приведения в действие турбонасосов , питающих двигатель топливом. Затем газ впрыскивается в основную камеру сгорания и полностью сгорает вместе с другим топливом для создания тяги .
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.
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 то же время (1959 г.) Николай Кузнецов начал работу 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 ракет Atlas III , а затем и V. 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 цитата ]
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. [ нужна цитата ] Его аналогом в советском шаттле был РД-0120 , который имел аналогичный удельный импульс , тягу и давление в камере, но с некоторыми отличиями, которые снижали сложность и стоимость за счет увеличения веса двигателя.
.jpg/1280px-SpaceX's_Raptor_oxygen_preburner_testing_at_Stennis_(2015).jpg)
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 действие 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 предварительной камеры сгорания), но позволяет индивидуально управлять двумя турбонасосами. Двигатели Hydrolox обычно имеют двухвальную конструкцию из-за сильно разной плотности топлива.
В дополнение к турбонасосам, ступенчатым двигателям внутреннего сгорания часто требуются подкачивающие насосы меньшего размера, чтобы предотвратить как обратный поток в камере сгорания, так и кавитацию в турбонасосе . 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.
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. [3] Топливный турбонасос приводится в действие от камеры предварительного сгорания, обогащенной топливом, а турбонасос окислителя приводится в действие от камеры предварительного сгорания, обогащенной окислителем. [4] [3]
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, изучаемой DLR (Немецким аэрокосмическим центром) в рамках проекта SpaceLiner , предполагалось до 25 полетов , [3] для Raptor от SpaceX ожидается до 1000 полетов. [5] Кроме того, полнопоточный цикл устраняет необходимость в межкомпонентном уплотнении турбины, которое обычно требуется для отделения богатого окислителем газа от топливного турбонасоса или богатого топливом газа от турбонасоса окислителя, [6] 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 газогазовыми двигателями . [6] 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 2019 год только три полнопоточных ракетных двигателя внутреннего сгорания достигли достаточного прогресса для проведения испытаний на испытательных стендах; советский проект РД-270 « Энергомаш» в 1960-х годах, финансируемый правительством США демонстрационный проект силовой головки Aerojet Rocketdyne Integrated в середине 2000-х годов [6] и летный двигатель Raptor от SpaceX, впервые испытанный в феврале 2019 года. [7]
Первые летные испытания полнопоточного двигателя ступенчатого сгорания произошли 25 июля 2019 года, когда SpaceX запустила свой металоксовый двигатель Raptor FFSC на испытательной ракете Starhopper на своей космодроме в Южном Техасе . [8] По состоянию на 22 августа 2023 года Raptor является единственным двигателем FFSC, летавшим на ракете-носителе.
Маск сказал, что Lox и метан будут предпочтительным топливом для миссии SpaceX 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.