Почему не удалось достигнуть расчётного давления в камере сгорания в двигателе RL-10 на метане
В своей прошлой статье, посвящённой переводу двигателя RL-10 на метан, я упомянул, что инженерам Pratt & Whitney в ходе тестов не удалось достигнуть расчётного давления в камере сгорания. Как уже говорилось, суммарная продолжительность огневых тестов составила 120 секунд, в том числе 65 секунд стабильной устойчивой работы при давлении выше 200 psi (14 атмосфер), однако расчётных 250 psi (17 атмосфер) достигнуть не удалось из-за некоторых проблем с турбиной. Это дало повод нашему дежурному патриоту superzveruga заявить, что испытания RL-10 на метане были провальными, так как он коксовался в безгенераторном двигателе в тонких трубках охлаждения сопла.
По его версии произошло следующее (компиляция из нескольких ссылок):
superzveruga: ...испытания оказались неуспешными, по причине коксования метана в тонких трубках рубашки охлаждения сопла... Американская схема двигателя с фазовым переходом предполагает пропускание жидкого водорода через многочисленные тонкие трубки идущие по соплу, для его испарения перед подачей в камеру сгорания. При попытке использования таким образом метана он коксуется и забивает каналы охлаждения... От сажи в трубках давление метана упало. Температура корпуса двигателя повысилась. Корпус деформировался. Турбину заклинило. Она треснула.
Разумеется, никакого отчёта об испытаниях наш герой и не думал читать, поэтому он просто фантазирует напропалую, высасывая свои бредни просто из ниоткуда. Начать можно с того, что в отчёте просто нет никаких упоминаний о коксовании метана в трубках охлаждения. Я даже предложил нашему герою забиться на 50 баксов на предмет того, сможет ли он найти в отчёте хоть одно упоминание о коксовании метана, но наш герой позорно слился.
Далее, наш герой с какой-то стати постоянно твердит о перегреве турбины, хотя в отчёте подробно описана причина произошедшего, и она не имеет с перегревом ничего общего. Наш герой, однако, даже не пытается найти в этом описании какие-либо противоречия или нестыковки. Он просто зацепился за одну-единственную фразу в моём кратком изложении отчёта об испытаниях, где упоминалось о поломке, и далее несёт полную отсебятину, совершенно не утруждая себя необходимостью уже не чтобы сверяться с фактами, но просто хоть иногда включать здравый смысл.
Допустим на секунду, что у нас случился кризис теплообмена в рубашке охлаждения камеры сгорания. Вопрос: что накроется первым - образующие стенку камеры сгорания тонкие трубки, непосредственно контактирующие с пламенем, или турбина, которая смонтирована снаружи? Здравый смысл подсказывает, что первой накроется-таки камера сгорания, и так оно и проиcходило в реальности. Когда в первых трёх огневых тестах перегревались и разгерметизировались трубки охлаждения из-за нестабильности потока метана (не из-за того, что трубки забивались, а, можно сказать, по прямо противоположной причине - эти трубки были чересчур объёмными для метана), - тогда никаких проблем с турбиной не отмечалось. Напротив, когда в ходе четвёртого теста были зафиксированы аномалии в поведении турбины, камера сгорания была в полном порядке, так что ни о каком перегреве турбины не могло быть и речи. Я уже молчу о том, что ни о каких «деформациях корпуса» в отчёте, как водится, нет ни слова.
Всю глубину технического анализа, проведённого нашим героем, можно оценить по нижеследующей цитате:
superzveruga: ...Где-то пьяный пиндосский сварщик получше турбину сварил, там подольше продержалось, а где-то на тяп ляп сработал. Сначала одно сломалось потом второе.
Вот такая существует альтернативная реальность, друзья мои. Реальность, в которой пьяные пиндосские сварщики на тяп-ляп варят турбины, а Роскосмос отмечает третий год без аварий в космосе - в те самые дни, когда модуль «Звезда» буквально трещит по швам.
Что же всё-таки произошло в реальности с турбиной у Pratt & Whitney? Как и на многих других ракетных двигателях, на RL-10 используется турбина с парциальным впуском. Это когда рабочее тело подаётся не на все рабочие лопатки турбины сразу, а только в пределах определённого сектора. Так делают, например, для повышения КПД при невысокой интенсивности потока рабочего тела. Реализуется на практике это тем, что сопловые (направляющие) лопатки занимают не всю окружность статора, а лишь определённый сектор (Admission Arc). Оставшаяся часть статора выполняется непроницаемой для рабочего тела. Длина Admission Arc подбирается в зависимости от параметров рабочего тела. Понятно, что на RL-10 Admission Arc изначально была оптимизирована под водород. Для метана этот сектор нужно было уменьшать. На фото внизу слева показан статор турбины для водорода, а справа - для метана.
Чересчур, однако, уменьшать Admission Arc было тоже нельзя, поскольку это опять-таки приводит к падению эффективности. Для того, чтобы остаться в разумных пределах, инженеры Pratt & Whitney решили в дополнение к некоторому уменьшению Admission Arc также изменить угол наклона сопловых лопаток. Обычно, как я понимаю, эти лопатки запрессовывались в статор. Как мы помним, ресурсы на проект по переводу RL-10 на метан были выделены самые ограниченные, поэтому сделать новый статор инженеры Pratt & Whitney не могли. Что они сделали - это отрезали лопатки, изогнули их и приварили в новом положении. Но сплав AMS 4130, из которого был изготовлен статор, плохо поддавался сварке. В ходе тестов некоторые сварные швы растрескались, и вследствие этого соответствующие сопловые лопатки деформировались:
Из-за деформации эффективность турбины упала, и поэтому-то расчётного давления в камере сгорания и не удалось достигнуть. Инженеры Pratt & Whitney даже и не поняли сначала, что у них что-то там деформировалось. Двигатель работал и работал, просто было отмечено, что по каким-то причинам параметры турбины отличаются от расчётных. В таком состоянии было проведено шесть огневых тестов, и толко после того, как двигатель разобрали, была обнаружена деформация лопаток. Инженеры отмечали, что если бы статор изначально был спроектирован для метана, не было бы никаких принципиальных ограничений для достижения расчётного давления в камере сгорания. Так что, друзья мои, если кто-то заикнётся вдруг при вас о пьяных пиндосских сварщиках, вы теперь знаете, где находится источник этой бредятины.
По его версии произошло следующее (компиляция из нескольких ссылок):
superzveruga: ...испытания оказались неуспешными, по причине коксования метана в тонких трубках рубашки охлаждения сопла... Американская схема двигателя с фазовым переходом предполагает пропускание жидкого водорода через многочисленные тонкие трубки идущие по соплу, для его испарения перед подачей в камеру сгорания. При попытке использования таким образом метана он коксуется и забивает каналы охлаждения... От сажи в трубках давление метана упало. Температура корпуса двигателя повысилась. Корпус деформировался. Турбину заклинило. Она треснула.
Разумеется, никакого отчёта об испытаниях наш герой и не думал читать, поэтому он просто фантазирует напропалую, высасывая свои бредни просто из ниоткуда. Начать можно с того, что в отчёте просто нет никаких упоминаний о коксовании метана в трубках охлаждения. Я даже предложил нашему герою забиться на 50 баксов на предмет того, сможет ли он найти в отчёте хоть одно упоминание о коксовании метана, но наш герой позорно слился.
Далее, наш герой с какой-то стати постоянно твердит о перегреве турбины, хотя в отчёте подробно описана причина произошедшего, и она не имеет с перегревом ничего общего. Наш герой, однако, даже не пытается найти в этом описании какие-либо противоречия или нестыковки. Он просто зацепился за одну-единственную фразу в моём кратком изложении отчёта об испытаниях, где упоминалось о поломке, и далее несёт полную отсебятину, совершенно не утруждая себя необходимостью уже не чтобы сверяться с фактами, но просто хоть иногда включать здравый смысл.
Допустим на секунду, что у нас случился кризис теплообмена в рубашке охлаждения камеры сгорания. Вопрос: что накроется первым - образующие стенку камеры сгорания тонкие трубки, непосредственно контактирующие с пламенем, или турбина, которая смонтирована снаружи? Здравый смысл подсказывает, что первой накроется-таки камера сгорания, и так оно и проиcходило в реальности. Когда в первых трёх огневых тестах перегревались и разгерметизировались трубки охлаждения из-за нестабильности потока метана (не из-за того, что трубки забивались, а, можно сказать, по прямо противоположной причине - эти трубки были чересчур объёмными для метана), - тогда никаких проблем с турбиной не отмечалось. Напротив, когда в ходе четвёртого теста были зафиксированы аномалии в поведении турбины, камера сгорания была в полном порядке, так что ни о каком перегреве турбины не могло быть и речи. Я уже молчу о том, что ни о каких «деформациях корпуса» в отчёте, как водится, нет ни слова.
Всю глубину технического анализа, проведённого нашим героем, можно оценить по нижеследующей цитате:
superzveruga: ...Где-то пьяный пиндосский сварщик получше турбину сварил, там подольше продержалось, а где-то на тяп ляп сработал. Сначала одно сломалось потом второе.
Вот такая существует альтернативная реальность, друзья мои. Реальность, в которой пьяные пиндосские сварщики на тяп-ляп варят турбины, а Роскосмос отмечает третий год без аварий в космосе - в те самые дни, когда модуль «Звезда» буквально трещит по швам.
Что же всё-таки произошло в реальности с турбиной у Pratt & Whitney? Как и на многих других ракетных двигателях, на RL-10 используется турбина с парциальным впуском. Это когда рабочее тело подаётся не на все рабочие лопатки турбины сразу, а только в пределах определённого сектора. Так делают, например, для повышения КПД при невысокой интенсивности потока рабочего тела. Реализуется на практике это тем, что сопловые (направляющие) лопатки занимают не всю окружность статора, а лишь определённый сектор (Admission Arc). Оставшаяся часть статора выполняется непроницаемой для рабочего тела. Длина Admission Arc подбирается в зависимости от параметров рабочего тела. Понятно, что на RL-10 Admission Arc изначально была оптимизирована под водород. Для метана этот сектор нужно было уменьшать. На фото внизу слева показан статор турбины для водорода, а справа - для метана.
Чересчур, однако, уменьшать Admission Arc было тоже нельзя, поскольку это опять-таки приводит к падению эффективности. Для того, чтобы остаться в разумных пределах, инженеры Pratt & Whitney решили в дополнение к некоторому уменьшению Admission Arc также изменить угол наклона сопловых лопаток. Обычно, как я понимаю, эти лопатки запрессовывались в статор. Как мы помним, ресурсы на проект по переводу RL-10 на метан были выделены самые ограниченные, поэтому сделать новый статор инженеры Pratt & Whitney не могли. Что они сделали - это отрезали лопатки, изогнули их и приварили в новом положении. Но сплав AMS 4130, из которого был изготовлен статор, плохо поддавался сварке. В ходе тестов некоторые сварные швы растрескались, и вследствие этого соответствующие сопловые лопатки деформировались:
Из-за деформации эффективность турбины упала, и поэтому-то расчётного давления в камере сгорания и не удалось достигнуть. Инженеры Pratt & Whitney даже и не поняли сначала, что у них что-то там деформировалось. Двигатель работал и работал, просто было отмечено, что по каким-то причинам параметры турбины отличаются от расчётных. В таком состоянии было проведено шесть огневых тестов, и толко после того, как двигатель разобрали, была обнаружена деформация лопаток. Инженеры отмечали, что если бы статор изначально был спроектирован для метана, не было бы никаких принципиальных ограничений для достижения расчётного давления в камере сгорания. Так что, друзья мои, если кто-то заикнётся вдруг при вас о пьяных пиндосских сварщиках, вы теперь знаете, где находится источник этой бредятины.