Материал аналитики Вадима Жартуна «Выстрел из Царь-пушки: кто сегодня в космосе первый». В сегодняшней публикации автор, продолжая исследовать ситуацию, по которой Россия скатилась на позорное шестое место по аварийности в космосе, решил проверить и уточнить свои результаты, а кроме того - разобраться в вопросе подробнее и попытаться понять, в чём же, собственно, проблема.

Длинное предисловие

На самом деле, ответ на простой вопрос «чьи ракеты чаще падают» можно уточнять практически до бесконечности. На первый взгляд кажется, что всё просто: вот наши ракеты, вот - европейские, а вот - американские, но на деле ситуация немножко сложнее.

Европейцы запускают российские ракеты с космодрома Куру, южнокорейская ракета Наро это наполовину наша Ангара, украинский Днепр летал с российских космодромов, а использовавшийся в международном проекте «Морской старт» Зенит был частично российским и частично - украинским.

В прошлом анализе для простоты я выбросил запуски ракет, созданных более чем одной страной. Но чтобы точнее оценить вклад разных стран в аварийность запусков, сейчас мне пришлось собрать информацию о восьми сотнях космических запусков за последние 10 лет: кто запускал, кто произвёл первую ступень ракеты-носителя, кто - последнюю ступень или разгонный блок и, разумеется, по чьей вине произошла авария.

Например, спутник выведен, но на нерасчётную орбиту. Часть спутников при этом может свою орбиту скорректировать, а часть - нет и становится бесполезным хламом.

Бывает и так, что одним носителем выводится сразу несколько спутников, причём часть успешно, а часть не может отделиться от разгонного блока или просто падает.

Отдельный разговор - аварии, которые произошли до запуска, как это было со взорвавшимся на стартовом столе Фальконом-9: полёта не было, а ракета и спутник - потеряны.

К сожалению, если учесть абсолютно все нюансы, то сравнить ничего не получится - почти каждый случай будет уникален. С другой стороны, увлекаться обобщениями тоже плохо - за цифрами легко потерять суть и причины происходящего. Нужно искать золотую середину.

Условия соревнования

Второй - по отношению аварий последних ступеней или разгонных блоков к запускам, в которых они отработали.

Третий (самый показательный) - суммарный: по отношение всех аварий ко всем запускам.

Успехом считается такой вывод основной полезной нагрузки, при котором спутник или корабль оказались в состоянии выполнить свою миссию.

Аварийность носителей

За десять лет из 269 запусков российских ракет 7 закончились авариями, что даёт уровень аварийности носителей в 2,6%. У американцев за те же 10 лет из-за экспериментов Илона Маска аварийность носителей оказалась чуть лучше - 1,52%. У Китая - 0,64% а Япония с ЕС вышли в отличники, не потеряв ни одной ракеты из 32 и 70 соответственно. Только индусы оказались хуже нас с 2,7% аварий.

В последние пять лет ракеты вообще теряли только мы и американцы, и мы теряли больше - 2,27% против 1,79%. Статистика за три года сократила разрыв, но расстановка сил осталась неизменной: у нас 1,52% аварий, у американцев - 1,43%.

В общем, всё как в старом советском анекдоте: у нас почётное шестое место, у американцев - предпоследнее. Разница, правда, в том, что у них падали новые, неотработанные ракеты, совершившие свой первый успешный полёт всего несколько лет назад (Фалькон-1, Фалькон-2 и Антарес), а у нас Протоны, которым 53 года, и Союзы с более чем 60-летней историей.

На самом деле, это меня беспокоит куда больше, чем последнее место, потому что говорит не о конструктивных недостатках ракет, которые можно сравнительно легко исправить, а о низкой культуре производства.

Отвратительный менеджмент, нищенские зарплаты, тотальная некомпетентность - вот истинные причины аварий, а задом наперёд установленные датчики идущие вразнос турбонасосные агрегаты это всего лишь следствие. Так что пока по телевизору будут обсуждать технические аспекты аварии, а не организационные, можете быть уверены - наши ракеты будут продолжать падать.

Аварии последней ступени

Больше половины наших аварий произошло буквально в одном шаге от успеха: во время работы последней ступени или разгонного блока. За десять лет на этой стадии полёта мы потеряли 9 из 281 космических аппаратов, то есть 3,19%. Китай - 1,92%, США - 1,03%, Япония и ЕС не потеряли ничего. Хуже нас с показателем 5,56% аварий опять оказалась только Индия.

1. США: 0%, 110 пусков
2. ЕС (ESA): 0%, 38 пусков
3. Япония: 0%, 21 пуск
4. Китай: 3,45%
5. Россия: 3,03%
6. Индия: 4,17%

А вот в последние три года кое-что изменилось:

1. США: 0%, 69 пусков
2. ЕС (ESA): 0%, 26 пусков
3. Япония: 0%, 14 пусков
4. Китай: 3,45%
5. Индия: 5,88%
6. Россия: 5,97%

Да, вот и оно - наше очередное шестое место. И это не считая ещё четырёх случаев, когда наши разгонные блоки выводили спутники на орбиту с серьёзными отклонениями.

Вообще, разгонные блоки Фрегат и, особенно, Бриз, использующиеся на последней стадии выведения, это буквально ахиллесова пята отечественной космонавтики. Аварийность Бриз-М - запредельные 8,5%.

Причина проста: к нашей низкой культуре производства добавились ошибки, допущенные при разработке блока. Блок очень плотно скомпонован и представляет собой кольцо из баков с горючим и окислителем, внутри которого находится двигатель и прочая аппаратура.

Из-за плотной компоновки многие детали работают почти на пределе прочности, а работающий двигатель разогревает баки. В одной из аварий перегрев двигателя всего на 1-2 градуса в сочетании с повышенной на пару градусов выше нормы температурой топлива привёл к закипанию окислителя и нарушению работы турбонасосного агрегата.

Как цифры ни крути, суть от этого не меняется: состояние космической отрасли РФ явно не соответствует статусу сверхдержавы. Мы очевидным образом проигрываем конкуренцию: проблемы с качеством и исчезновение преимущества по цене привели к тому, что мы уже два года как утратили лидерство даже по количеству запусков.

Ходят слухи, что Роскосмос решил в пику Илону Маску разработать свою многоразовую ракету. Отличная идея! Но если качество конструкторских решений и культура производства останутся теми же, эту ракету не нужно запускать. Даже из ангара можно не выкатывать, спутники грузить в грузовик и сразу же топить в океане. Результат будет тот же, что и при запуске, но гораздо дешевле...

Одна из ступеней ракеты-носителя. При помощи разгонного блока космический аппарат переводится с орбиты, называемой опорной, на другие околоземные орбиты либо выводится на отлетную траекторию к другим планетам.

Первым из советских разгонных блоков, позволяющих осуществлять старт в условиях невесомости, был блок «Л». Первый полет должен был состояться в 1960 г., но из-за недоработок компьютера запуск не был произведен. 12 февраля 1961 г. произошел первый успешный пуск в составе автоматической межпланетной станции «Венера-1». Разгонный блок «Л» создавался для запуска первых межпланетных станций серии «Венера», «Марс» и лунных станций «Луна-4», «Луна-13». Разгонный блок «ДМ», работающий на топливной смеси, в состав которой входит жидкий кислород и керосин, является модификацией блока «Д» космического ракетного комплекса Н1-ЛЗ, который предназначался для полетов на Луну. Блок «Д» был четвертой ступенью в комплексе. Первые три выводили аппарат на низкую орбиту, а пятая разгоняла экспедицию к Луне. Кислородный бак выполнялся в виде сферы и оборудовался теплоизоляцией. Заправка бака осуществлялась кислородом, температура которого около -200 °С. Такая низкая температура кислорода необходима для сокращения потерь в результате испарения, ведь температура кипения жидкого кислорода--183 °С. С понижением температуры увеличивается плотность кислорода и соответственно уменьшается занимаемый объем. Ракета «Протон» с разгонным блоком «Д» использовалась для запуска межпланетных станций серии «Венера» с № 9 по № 16, станций «Вега» и «Фобос», лунных станций «Луна» с № 15 по № 24. Позднее, в 1974 г., начался вывод спутников «Горизонт» и «Экран» на стационарные орбиты с использованием разгонных блоков «Д».

Все новые требования, предъявляемые межпланетными станциями и спутниками связи, привели к тому, что был внесен ряд изменений. Время активного существования увеличилось до 9 ч, и при этом сократилось количество запусков двигателя. Это позволило убрать теплоизоляцию бака двигателя и ряд блоков системы обеспечения запуска.

В настоящее время использование разгонного блока «Д» в составе комплекса «Протон» подходит к концу, но модификация «ДМ-SL» остается в составе комплекса «Зенит». На ракете «Протон» будет использоваться блок «Бриз-М», так как он использует такие же компоненты топлива, по этой же причине остается в строю блок «ДМ-SL» в составе «Зенита». Разгонный блок «Бриз-М», первый запуск которого в составе ракетного комплекса «Протон-М» состоялся 7 апреля 2001 г., обеспечивает выведение полезной нагрузки на низкие, средние, высокие орбиты, в том числе и геостационарные орбиты.

При использовании блока «Бриз-М» увеличивается до 3,3 т масса полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту Земли. Модификация, разгонный блок «Бриз-КМ», благодаря возможности многократного включения своего маршевого двигателя, позволяет использовать различные схемы выведения космических аппаратов в космос, в том числе позволяет реализовать групповой запуск на несколько различных орбит. В НПО Лавочкина был разработан разгонный блок нового поколения «Фрегат». Сфера применения - в составе ракет-носителей среднего и тяжелого классов. Может осуществлять вывод на опорные орбиты, геостационарную и геопереходную орбиты, используется на различных участках для стабилизации и ориентации. В 2000 г. произошел первый пуск «Фрегата». В 2005 г. «Фрегат» в составе ракеты-носителя «Союз-ФГ» позволил запустить межпланетную станцию «Венера-экс-пресс».

Что касается перспектив развития, то в настоящее время в ГКНПЦ им. Хру-ничева совместно с НПО «Молния» ведется разработка многоразовых ускорителей типа «Байкал» вместо универсальных одноразовых разгонных блоков. Для реализации этого проекта разгонный блок нового образца должен снабжаться системой спасения, основанной на концепции беспилотного летательного аппарата, который должен возвращаться в режиме дозвукового крейсерского полета на место старта. Необходимо оснащать разгонный блок вспомогательным воздушно-реактивным двигателем и оперением, компоновка осуществляется по аэродинамической схеме.

Для ориентации отработавшего разгонного блока перед входом в плотные слои атмосферы блоки оснащаются реактивной системой управления, после входа в атмосферу управление производится аэродинамическими органами управления. Планирование переходит в моторный полет, реализуемый воз-душно-реактивными двигателями, которые могут быть установлены в носовой части многоразового ускорителя. Для посадки блок может оснащаться колесным шасси самолетного типа. Необходимо оснащать разгонный блок бортовым измерительным комплексом, который будет осуществлять сбор и передачу на космодром информации о состоянии и функционировании бортовых систем.

Первые испытания многоразовых ускорителей ракеты-носителя семейства «Ангара» на масштабных моделях были уже проведены разработчиками. Технология многоразовых разгонных блоков достаточно проста, чтобы могла быть реализована и использована при запуске ракетоносителей уже в ближайшие годы. При оптимизации конструктивно-баллистических характеристик и различных программ управления потери, вызванные применением системы спасения, не превысят 50% от массы полезного груза, выводимого на низкую круговую орбиту. Внедрение таких многоразовых разгонных блоков, помимо снижения удельной себестоимости, позволит сократить поля падения отработавших частей ракетоносителей и разгрузить производственные линии для последующей реализации других проектов.

Использование: в ракетно-космической технике и, более конкретно, в составе разгонных блоков (РБ) космических аппаратов, выводимых с базовой на высокоэнергетические рабочие орбиты. Сущность изобретения: РБ содержит бак криогенного окислителя, тороидальный бак (ТБ) углеводородного горючего, жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с узлом крепления двигателя, расположенный по оси ТБ горючего, стержневую ферму (СФ) взаимного соединения баков окислителя и горючего, а также СФ для крепления полезного груза и переходный отсек для соединения с предыдущей ступенью ракеты космического назначения, при этом опорные узлы СФ и переходного отсека установлены на наружной кольцевой поверхности ТБ горючего, а узел крепления ЖРД - на внутренней кольцевой стенке ТБ горючего, в частности, с помощью радиальных пилонов. Этом позволяет снизить массу РБ, используя ТБ горючего в качестве основного силового узла в конструкции РБ и закрепляя непосредственно на нем бак криогенного окислителя и узел крепления ЖРД. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и касается конструкции разгонных ракетных блоков (разгонных блоков) космических аппаратов, входящих в состав ракеты космического назначения и предназначенных для выведения с базовой орбиты на рабочие высокоэнергетические орбиты различных космических объектов полезных грузов. Известен разгонный блок Л для космического корабля "Восток", содержащий расположенные на общей оси жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) и тороидальные топливные баки криогенного окислителя (жидкий кислород) и углеводородного горючего (керосин), связанные между собой межбаковым каркасным переходным отсеком и внутренними силовыми балками, при этом ЖРД расположен в центральной части тороидального бака горючего, ограниченной его внутренней кольцевой стенкой, и установлен на силовой раме, закрепленной на внутренних силовых балках, и на внутренней кольцевой стенке тороидального бака окислителя расположена стержневая ферма для крепления полезного груза Недостатком известного разгонного блока является наличие в нем каркасного межбакового отсека, увеличивающего теплопотери к криогенному баку окислителя и ухудшающего весовые характеристики блока. Выполнение бака криогенного окислителя тороидальной формы не является оптимальным с точки зрения обеспечения условий хранения криогенного компонента в космических условиях из-за относительно большой поверхности бака, а также с точки зрения минимизации массы бака из-за наличия в нем цилиндрических вставок. Наиболее близким к предложенному является разгонный блок Д для лунного космического комплекса Л1, содержащий жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), тороидальный бак углеводородного горючего и сферический бак криогенного окислителя, связанные между собой через каркасный межбаковый отсек, к которому они соединены с помощью стержневых ферм, при этом ЖРД расположен в центральной части тороидальной бака горючего, ограниченной его кольцевой стенкой, и установлен на собственной силовой раме, закрепленной с помощью внутренней стержневой фермы на межбаковом отсеке, к верхней части которого также подсоединены стержневая ферма для крепления космического объекта и переходный отсек, связывающий разгонный блок с предыдущей ступенью ракеты космического назначения Недостатком данного разгонного блока является то, что соединение между собой баков окислителя и горючего осуществляется с помощью силового элемента, выполненного в виде каркасного межбакового отсека и закрепленных на его торцах двух стержневых ферм. Это приводит к необходимости усиления составляющих частей данного силового элемента для обеспечения достаточной жесткости конструкции, что связано с увеличением массы разгонного блока и соответственно приводит к снижению массы выводимого на орбиту полезного груза. Недостатком является также закрепление силовой рамы ЖРД (узла крепления ЖРД) на каркасном межбаковом отсеке, значительно удаленном от ЖРД, что приводит к увеличению размеров и веса внутренней стержневой фермы крепления силовой рамы ЖРД к межбаковому отсеку. При этом для достижения необходимой жесткости данной конструкции разгонного блока в нее введены дополнительные стержневые стяжки, связывающие силовую раму ЖРД с охватывающим ее тороидальным баком горючего. Задачей изобретения является снижение массы и упрощение конструкции разгонного блока космического аппарата. Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в разгонном блоке, содержащем бак криогенного окислителя, тороидальный бак углеводородного горючего, жидкостный ракетный двигатель с узлом крепления двигателя, расположенный по оси бака горючего, силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего, а также стержневую ферму для крепления полезного груза и переходный отсек для соединения с предыдущей ступенью ракеты космического назначения, в соответствии с изобретением силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего выполнен в виде стержневой фермы, при этом опорные узлы стержневых ферм и переходного отсека размещены на наружной кольцевой стенке тороидального бака горючего, а узел крепления двигателя закреплен на внутренней кольцевой стенке бака горючего. В частном случае выполнения изобретения узел крепления жидкостного ракетного двигателя может быть закреплен на тороидальном баке горючего с помощью радиальных пилонов. Размещение опорных узлов стержневых ферм и переходного отсека на наружной кольцевой стенке тороидального бака горючего и закрепление узла крепления ЖРД на внутренней кольцевой стенке бака горючего обусловливает использование этого бака в качестве основного силового узла в конструкции разгонного блока. Это дает возможность упростить конструкцию и уменьшить массу разгонного блока за счет закрепления бака криогенного окислителя с помощью стержневой фермы непосредственно на баке горючего, исключив из конструкции разгонного блока каркасный межбаковый отсек и дополнительную стержневую ферму. Использование тороидального бака горючего в качестве основного силового узла разгонного блока позволяет также закрепить на нем узел крепления двигателя, расположенного в непосредственной близости от внутренней кольцевой стенки бака горючего, использовав в качестве связующего силового элемента стержневую ферму или радиальные пилоны, установленные на внутренней кольцевой стенке бака. Это позволяет упростить конструкцию, уменьшить размеры и снизить массу силового элемента закрепления в разгонном блоке узла крепления двигателя. Снижение массы разгонного блока позволяет соответственно увеличить массу полезного груза космического аппарата. Использование радиальных пилонов в качестве силового элемента закрепления двигателя позволяет также дополнительно увеличить жесткость тороидального бака горючего, что весьма существенно в случае использования двигательной установки с турбонасосной подачей топлива в ЖРД, в которой толщина оболочки топливных баков меньше, чем в установке с вытеснительной подачей топлива в ЖРД. На фиг.1 схематично изображен общий вид разгонного блока, в разрезе; на фиг. 2 расположение опорных узлов ферм и радиальных пилонов закрепленных на ЖРД на тороидальном баке горючего, вид А. Разгонный блок содержит последовательно расположенные на общей оси сферический бак криогенного окислителя 1, тороидальный бак углеводородного горючего 2 и маршевый жидкостный ракетный двигатель 3 с кардановым узлом 4 крепления двигателя, расположенный в центральной части тороидального бака 2, ограниченной кольцевой стенкой бака. Бак криогенного окислителя 1 жестко закреплен (подвешен) на тороидальном баке горючего 2 с помощью стержневой фермы 5, выполненной из малотеплопроводного материала, например, титана или стеклопластика, при этом опорные узлы 6 крепления фермы 5 на баке 2 расположены, например, на кольцевом шпангоуте 7, установленном на наружной кольцевой стенке бака в его экваториальной плоскости. Кардановый узел 4 крепления двигателя закреплен на тороидальном баке горючего 2 с помощью радиальных пилонов 8, установленных путем приварки на внутренней кольцевой стенке бака 2. Разгонный блок содержит также стержневую ферму 9 для закрепления выводимого на орбиту полезного груза (космического объекта) 10, а также переходный отсек 11, выполненный, например, в виде стержневой фермы, для соединения разгонного блока с предыдущей ступенью 12 ракеты космического назначения. Опорные узлы 13 стержневой фермы 9 и опорные узлы 14 переходного отсека 11, как и опорные узлы 6 фермы 5 крепления бака окислителя, расположены на шпангоуте 7, установленном на наружной кольцевой стенке бака горючего 2. Топливные баки окислителя 1 и горючего 2 содержат внутрибаковые устройства соответственно 15 и 16, внутри бака окислителя 1 размещен также баллон 17 с газом надува. На нижнем торце бака горючего 2 установлен также блок сопел 18 реактивной системы управления разгонного блока. Для снижения массы пилонов 8 в них может быть выполнена перфорация. Поскольку маршевый двигатель 3 разгонного блока закреплен на внутренней кольцевой стенке тороидального бака горючего 2, на наружной кольцевой стенке которого размещены опорные узлы 6 и 13 стержневой фермы 5 крепления бака окислителя и стержневой фермы 9 крепления полезного груза, при полете космического аппарата с базовой орбиты на рабочую орбиту бак горючего 2 выполняет роль основного силового узла аппарата. Размещение опорных узлов 14 переходного отсека 11 на наружной кольцевой стенке бака горючего 2 обусловливает использование этого бака в качестве основного силового узла при выведении космического аппарата на базовую орбиту ракетой космического назначения. При этом в случае использования в разгонном блоке двигательной установки с вытеснительной установки с вытеснительной подачей топлива в ЖРД прочностные свойства бака горючего позволяют использовать его в качестве основного силового узла космического аппарата без усиления его конструкции. В случае использования двигательной установки с турбонасосной системой подачи топлива необходимо усиление оболочки бака горючего в местах установки на нем опорных узлов. В РКК "Энергия" разработаны технические предложения по конструкции разгонного блока, выполненного в соответствии с изобретением. Разгонный блок предназначен для выведения на высокоэнергетическую орбиту полезного груза после доставки его на промежуточную базовую орбиту ракетой космического назначения типа "Молния" или "Союз". В разгонном блоке использована двигательная установка с вытеснительной подачей топлива в ЖРД, что обуславливает повышенные прочностные характеристики топливных баков, поэтому усиления конструкции бака горючего в местах крепления на нем опорных узлов ферм, переходного отсека и узла крепления двигателя не производилось. В данном конкретном случае применение изобретения позволило на 10% увеличить массу полезного груза космического аппарата по сравнению с использованием разгонного блока, выполненного по известной схеме (прототипа).

Формула изобретения

1. Разгонный блок, содержащий бак криогенного окислителя, тороидальный бак углеводородного горючего, жидкостный ракетный двигатель с узлом крепления двигателя, расположенный по оси бака горючего, силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего, а также стержневую ферму для крепления полезного груза и переходный отсек для соединения с предыдущей ступенью ракеты космического назначения, отличающийся тем, что силовой элемент взаимного соединения баков окислителя и горючего выполнен в виде стержневой фермы, при этом опорные узлы стержневых ферм и переходного отсека размещены на наружной кольцевой стенке тороидального бака горючего, а узел крепления двигателя закреплен на внутренней кольцевой стенке бака горючего. 2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что узел крепления жидкостного ракетного двигателя закреплен на тороидальном баке горючего с помощью радиальных пилонов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(национальный исследовательский университет)" (МАИ)

Филиал "ВОСХОД"

по курсовой работе

на тему: "Виды разгонных блоков"

по дисциплине: "Введение в специальность"

Выполнил:

студент группы ВЛ2-48 Жиентаев А.Б.

Байконур 2016 год

Список сокращений

РН - ракета-носитель

КА - космический аппарат

КРТ - компонент ракетного топлива

РКН - ракета космического назначения

РКК - ракетно-космический комплекс

КАЗ - кислородно-азотный завод

РБ - разгонный блок

ГСО - геостационарная орбита

ДУ - двигательная установка

К-к. с - конструктивно-компоновочная схема

Содержание

• Список сокращений
• Введение
• 1. Разгонный блок "Фрегат"
• 1.1 Модификации разгонного блока "Фрегат"
• 1.2 Запуски
• 2. Разгонный блок "Бриз"
• 2.2 Аварии
• 3. Разгонный блок "Аджена"
• 4. Разгонный блок "Волга"
• 4.1 Эксплуатация
• 5.1 Применение
• 5.2 Модификации
• 5.3 Разработка
• Приложение А

Введение

Разгонный блок, а также межорбитальный буксир это средство выведения космического аппарата, предназначенное для перемещения выводимых полезных грузов с опорной орбиты на целевую орбиту или направления их на отлетные и межпланетные траектории.

Для выполнения этого разгонные блоки должны иметь возможность выполнять один или несколько манёвров, связанных с изменением скорости полета, для чего в каждом случае предполагается включение маршевого двигателя. Между этими включениями следуют продолжительные (до нескольких часов) участки пассивного полета по переходным орбитам или траекториям. Таким образом, любой разгонный блок должен иметь маршевый двигатель многократного включения, а также дополнительную реактивную систему или двигательную установку, обеспечивающую ориентацию и стабилизацию движения разгонного блока с космическим аппаратом и создание условий для запуска маршевого двигателя. При этом управление работой его двигателей может осуществляться как от системы управления космическим аппаратом, так и от автономной системы управления самого разгонного блока. В последнем случае он должен иметь специальный приборный отсек для её размещения.

1. Разгонный блок "Фрегат"

"Фрегат" - универсальный разгонный блок, может быть использован в составе ракеты-носителя среднего и тяжёлого классов. Разработан и производится в НПО Лавочкина.

Рисунок 1 - Разгонный блок " Фрегат "

РБ использует двигатель, аналогичный применённому в РБ "Бриз-М" и "Бриз-КМ". Тяга этого двигателя составляет 2 тонны, что близко к оптимуму для ракет среднего класса, но недостаточно для РБ "Бриз-М", из-за чего выведение на геопереходную и отлетную траектории приходится осуществлять в несколько импульсов.

РБ "Фрегат" используется для выведения космического аппарат на опорную, геостационарную и геопереходную орбиты искусственного спутника Земли, а также для ориентации и стабилизации головного блока на пассивном и активном участке полета.

1.1 Модификации разгонного блока "Фрегат"

1) Базовая, так называемая "Фрегат"

разгонный блок межорбитальный буксир

Предназначена для ракет нижнего среднего класса, таких как Союз-2 и т.д. Прошёл 3 этапа модернизации включая один из самых существенных - замена БВК Бисер-3 на Бисер-6. Первый пуск разгонного блока "Фрегат" состоялся в 2000 году с космодрома Байконур.

2) "Фрегат-СБ" и "Фрегат-СБУ"

Эти "Фрегаты" с сбрасываемыми баками. Масса рабочего топлива в простом и усовершенствованном блоке баков - соответственно 3100 и 4800 кг. Эта модификация предназначена для ракет верхнего среднего и тяжёлого классов, в первую очередь, для РКН "Зенит-3SLБФ". Испытания модификации "Фрегат-СБ" стартовали в апреле 2011 года на космодроме Байконур при запуске КА "Электро-Л".

3) "Фрегат-М"

Это Фрегат с рядом доработок по облегчению конструкции включая новую компоновку ПО1 и с увеличенной несущей способностью (с 12 т х м до 16 т х м).

4) "Фрегат-МТ"

Специализированная модификация Фрегат предназначенная для запусков с космодрома Куру. Увеличенная заправка за счёт установки дополнительных ёмкостей, доработанный ПО1, облегчённый ПхО. Вращение Земли позволяет при старте из района экватора выводить большую полезную нагрузку, чем при старте с более высоких широт, с использованием одной и той же ракеты-носителя. Также, влажный экваториальный климат Гвианы существенно отличается от климата Плесецка и Байконура. Это потребовало доработки базовых моделей блока для применения в новых условиях. Первый запуск данной модификации состоялся 21 октября 2011 года. Ракета-носитель Союз-СТБ с разгонным блоком Фрегат-МТ вывела на орбиту 2 спутника европейской навигационной системы Галлилео.

1.2 Запуски

Ракета-носитель "Союз-ФГ" с разгонным блоком "Фрегат" использовалась для запуска в 2003 году межпланетной станции "Марс-экспресс", а в 2005 году - похожей станции "Венера-экспресс".

Большая часть запусков РН Союз-2 осуществлялась с использованием РБ "Фрегат", в частности, именно такой связкой будут выводиться все спутники Глонасс-К - аппараты третьего поколения системы ГЛОНАСС.

19 декабря 2013 года разгонный блок "Фрегат-МТ" вывел на орбиту европейский телескоп Gaia.

Ракета-носитель "Союз-СТ-Б" с разгонным блоком "Фрегат-МТ" и двумя европейскими спутниками Галилео, запущенная с экваториального космодрома Куру 22 августа 2014 года, не вывела спутники на расчетную орбиту из-за нештатной работы РБ "Фрегат-МТ", предположительно в результате ошибки в программном обеспечении, заложенном на борт и содержащем неправильное полетное задание.

Начиная с 2000 года и по август 2016 года было запущено 58 разгонных блоков "Фрегат" (из них 1 запуск аварийный по вине разгонного блока 22.08.2014). Выведены на расчетные орбиты более 100 космических аппаратов российского и зарубежного производства. Запуски осуществляются с трех космодромов: Плесецк, Байконур, Куру (Французская Гвиана).

РБ "Фрегат" обладает исключительными характеристиками: длительное (до 2-х суток) время активного существования, алгоритмы управления, позволяющие преодолевать внештатные ситуации, многократность (до 7 раз) включения маршевой двигательной установки, высочайшая надежность и, практически, идеальная точность выведения благодаря использованию оборудования ГЛОНАСС/GPS.

2. Разгонный блок "Бриз"

"Бриз" - семейство российских разгонных блоков, использующихся в составе ракеты-носителя лёгкого и тяжёлого классов.

Разработан в Государственном космическом научно-производственном центре им. М.В. Хруничева. Блоки семейства "Бриз" отличаются очень плотной компоновкой. В качестве топлива использует "гептил" и "амил". Первый полет 16 мая 2000 года.

Рисунок 2. Бриз-М

2.1 Модификации разгонного блока "Бриз"

1) РБ "Бриз-М" может быть использован с ракетами-носителями Ангара, Протон-М. Блок обеспечивает выведение полезной нагрузки на низкие, средние, высокие орбиты и ГСО. Применение РБ "Бриз-М" совместно с РН Протон-М позволяет увеличить массу полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту до 3,7 тонн, а на переходную орбиту более 6 тонн. Первый пуск РБ "Бриз-М" состоялся 5 июля 1999 года. РН "Протон-К" (пуск аварийный). Первый удачный пуск состоялся 6 июня 2000 года с РН "Протон-К" и КА "Горизонт". Первый запуск комплекса Протон-М - Бриз-М состоялся 7 апреля 2001 года. На начало 2013 года было проведено более 55-ти запусков ракет "Протон" с РБ Бриз-М.

2) РБ Бриз-КМ используется в качестве третьей ступени ракеты-носителя лёгкого класса "Рокот". Маршевый двигатель блока имеет возможность многократного включения, что позволяет использовать различные схемы выведения космических аппаратов, в том числе групповой запуск космических аппаратов на одну или несколько различных орбит. Первый пуск РБ "Бриз-КМ" состоялся 16.05.2000 г. РКН "Рокот" с эквивалентами полезной нагрузки (ЭПН) SimSat-1 и SimSat-2.

2.2 Аварии

"Бриз-М" стали причиной ряда аварий с участием ракеты-носителя "Протон" с 2008 по 2013 годы. Согласно статистике, с 2008 года осуществлено 48 пусков ракеты "Протон" (31 коммерческий пуск и 17 - в рамках федеральной космической программы), из которых четыре закончились авариями по вине разгонных блоков "Бриз-М".

3. Разгонный блок "Аджена"

RM-81 "Аджена" (англ. RM -81 Agena ) - американский разгонный блок и платформа обеспечения спутников, первоначально разрабатывался компанией Lockheed в интересах программы создания разведывательных спутников WS-117L. После разделения WS-117L на программы разработки спутников фоторазведки SAMOS и CORONA и программу разработки спутников раннего предупреждения о ракетном нападении MIDAS.

Рисунок 3. "Аджена-VIII" в качестве мишени для стыковки с пилотируемым кораблём Джемини-8 в рамках программы Джемини, март 1966.

"Аджена" стал использоваться в качестве разгонного блока и одного из основных компонентов в нескольких программах, в том числе при выведении на орбиту спутников фоторазведки СORONA и в качестве мишени для отработки сближения и стыковки в космосе с пилотируемыми кораблями по программе Джемини. В качестве разгонного блока применялся в составе ракет-носителей "Атлас-Аджена", "Тор-Аджена", "Торад-Аджена" и "Титан-3B", также изучалась возможность его использования в программах Space Shuttle и Атлас-5.

Всего, начиная с 28 февраля 1959 года, "Аджена" запускался 365 раз, последний запуск состоялся в феврале 1987 года (в варианте Agena D ).

RM-81 "Аджена" приспособлен для длительного пребывания в условиях космического пространства с повторными запусками двигательной установки для коррекции орбиты и спуска космического аппарата. Масса ступени с топливом составляет около 7 тонн, тяга жидкостного ракетного двигателя 72 кН.

3.1 Варианты ступени "Аджена"

4. Разгонный блок "Волга"

"Волга" - блок выведения космических аппаратов разработки ЦСКБ-Прогресс, предназначен для работы совместно с РН "Союз-2".

Рисунок 4. Разгонный блок "Волга"

Энергетические характеристики блока позволяют при запуске с космодрома Плесецк вывести полезную нагрузку массой до 1700 кг на круговую орбиту высотой 1000 км (наклонение 62,8°), для орбиты высотой 1500 км (наклонение 82,4°) максимальная масса полезной нагрузки составит 1400 кг. При запуске на солнечно-синхронную орбиту высотой 835 км и наклонением 98,7° полезная нагрузка также составит 1400 кг.

Работы по созданию блока выведения начались в 2008 году. Потребность в данном блоке возникла из-за того, что существующие верхние ступени ракеты-носителя "Союз-2" позволяют реализовать только одноимпульсную схему выведения. Это не позволяет реализовать энергетически оптимальную схему выведения, особенно для круговых орбит высотой больше 250-300 км.

Защита эскизного проекта состоялась в 2010 году, в этом же году была выпущена конструкторская документация.

Основная часть бортовой аппаратуры блока взята из других изделий ЦСКБ-Прогресс с соответствующей доработкой.

4.1 Эксплуатация

1) 28 декабря 2013 года в 16: 30 МСК состоялся запуск ракеты-носителя Союз-2.1в" с блоком выведения "Волга", полезную нагрузку составили космический аппарат "АИСТ № 1" и две калибровочные сферы СКРЛ-756. В 18: 10 космические аппараты успешно отделились от блока выведения на целевой орбите.

2) 5 декабря 2015 года в 16: 30 МСК состоялся запуск ракеты-носителя "Союз-2.1в" с космическими аппаратами МО РФ "Космос-2511" и "Космос-2512". Возможно один из двух военных спутников не отделился от разгонного блока "Волга".

3) 28 апреля 2016 года с космодрома "Восточный" состоялся запуск ракеты-носителя "Союз-2.1а" с космическими аппаратами "Ломоносов", "Аист-2Д" и "СамСат-218".

5. Семейство разгонных блоков "Д"

Семейство разгонных блоков (верхних ступеней), происходящих от разгонного Блока "Д" - пятой ступени космического ракетного комплекса Н1-Л3, предназначенного для полёта на Луну советских космонавтов.

Используют в качестве топлива пару жидкий кислород - керосин, при этом допускается заправка синтином без переделки конструкции.

Рисунок 5. Двигатель 11Д58М

В составе штатного комплекса блок "Д" отвечал за перевод связки ЛК-ЛОК с траектории перелёта на окололунную орбиту, за перевод ЛК с окололунной орбиты на посадочную траекторию, а также за коррекции при перелёте (блоки А, Б и В - первые три ступени ракеты Н-1, выводившие комплекс на низкую околоземную орбиту, блок "Г" разгонял экспедицию к Луне). Поэтому максимальное число запусков двигателя блока Д (он имеет индекс 11Д58, или РД-58 в некоторых источниках) было равно семи, а время жизни блока Д было равно 7 суткам. Для этого кислородный бак имел форму сферы и был снабжён теплоизоляцией. Кроме того, он заправлялся охлаждённым до?200°C кислородом (температура кипения?183°C), что позволяло дополнительно уменьшить потери на испарение, и, вдобавок, увеличивало плотность жидкого кислорода, экономя необходимый объём бака. Бак керосина имел тороидальную форму, и был наклонён на 3 градуса, для упрощения конструкции топливо заборника. Тяга двигателя 11Д58 составляла 8,5 тонны.

5.1 Применение

В связи с неготовностью ракеты Н-1 было принято решение о программе облёта Луны без высадки с помощью ракеты УР-500К. Для этого был разработан космический корабль 7К-Л1, заимствовавший часть систем с орбитального корабля 7К-ОК, известного, как "Союз". Чтобы придать кораблю необходимую скорость, трёхступенчатая УР-500К была снабжена четвёртой ступенью - блоком Д, заимствованным с ракеты Н-1.

Под названиями "Зонд-5" - "Зонд-8" корабль 7К-Л1 четырежды облетал Луну, но без космонавтов ("Зонд-4" был запущен в противоположную от Луны сторону на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея около 330000 км).

Требования, предъявлявшиеся к блоку Д в составе лунного комплекса, не вполне соответствовали тому, что было нужно для АМС и спутников связи.

В результате была предпринята модификация, направленная на повышение грузоподъёмности и снижения стоимости блока Д. Модифицированный разгонный блок, названный ДМ, имел время активного существования всего 9 часов, и количество запусков двигателя было ограничено тремя. Это позволило избавиться от теплоизоляции на баке кислорода, и части блоков системы обеспечения запуска СОЗ.

В связи с различными требованиями, предъявляемыми разнообразными полезными нагрузками, были разработаны и другие модификации - ДМ-2, ДМ-3. Для работы в составе комплекса Зенит-3SL была разработана модификация ДМ-SL. Кроме керосина, блок ДМ может использовать в качестве горючего синтетический углеводород синтин, что увеличивает удельный импульс его двигателя с 358 до 361 единицы.

Использование блока ДМ на ракете "Протон" подходит к концу - он заменяется блоком Бриз-М, но в программе Морской старт блок ДМ-SL (а в программе "Наземный старт" используется ДМ-SLB) будет использоваться и дальше. Это связано с тем, что Бриз-М использует те же компоненты топлива, что и ракета "Протон", а Блок ДМ, наоборот, соответствует ракете "Зенит". Интересно, однако, что для выведения спутников ГЛОНАСС-М (Ураган-М) на круговые орбиты высотой около 20000 км блок ДМ обеспечивает более высокую точность выведения, чем Бриз-М, и поэтому его использование на ракете "Протон-М" прекратится, видимо, только после окончательной замены спутников "Ураган-М" (ГЛОНАСС-М) на новые негерметичные аппараты ГЛОНАСС-К, лётные испытания которых начались в феврале 2011 года. Тем не менее, 5 декабря 2010 был осуществлён первый запуск новой модификации блока ДМ (11С861-03) с увеличенной заправкой и большей грузоподъёмностью. Блок ДМ-03 был использован для запуска тройки спутников ГЛОНАСС-М, при этом вывод на орбиту завершился неудачно.

Отношение к выводу из эксплуатации блока ДМ несколько изменилось после аварий РБ "Бриз-М" в 2006 году при запуске "Арабсат-4А" и в 2008 году при запуске АМС-14, и, возможно, блок ДМ останется в эксплуатации для подстраховки и как опция для коммерческих заказчиков.

Разгонный блок ДМ-SL установил 19 августа 2012 года рекорд по точности выведения при запуске. В настоящее время (на 20 августа 2012) является единственным блоком семейства Д разрешенным к применению.

5.2 Модификации

1) Блок Д (11С824) - прототипом данного блока, является блок Д, разработанный ОКБ-1, в качестве пятой ступени комплекса Н1-Л3, части советской лунно-посадочной пилотируемой программы. На блоке "Д" комплекса Л3 устанавливался двигатель 11Д58 разработки ОКБ-1. Двигатель 11Д58, выполненный по замкнутой схеме, впервые должен был обеспечивать многократный запуск в условиях космического пространства и невесомости с помощью раскрутки бустерного бакового турбонасосного агрегата окислителя сжатым газом из автономной газобаллонной секции пневмогидросистемы пуска блока "Д". В процессе пневмозапуска насос окислителя создавал значительный напор (около 10 кг/см 2), что обеспечивало надёжное заполнение неохлажденного тракта окислителя жидким кислородом и начальный уровень расхода газогенераторного газа через турбину основного ТНА, необходимые для выхода двигателя на нормальный режим. Такая схема обеспечивала минимальные потери кислорода на захолаживание ДУ. Для уменьшения теплового притока к окислителю (переохлажденный кислород с температурой до?193°С) была принята сферическая форма бака окислителя с экранно-вакуумной теплоизоляцией, а все соединения выполнены с помощью тепловых мостов. Бак горючего, внутри которого располагался двигатель, имел форму тора. На блоке впервые были применены технические решения, которые впоследствии стали классическими в ракетной технике (например, использование баковых преднасосов, входящих в состав двигателя, и хранение гелия в баллонах, погруженных в жидкий кислород).

2) ДМ (11С86) - модификация блока "Д", разработанная для выведения на геостационарную орбиту спутников связи и телевидения, разработки КБ ПМ (Главный конструктор М.Ф. Решетнёв). Спутники связи не имели аппаратуры управления ракетным блоком, поэтому блок "Д" был оснащен самостоятельной системой управления, расположенной в герметичном приборном отсеке тороидальной формы, в котором также размещалась аппаратура телеметрии и командной радиолинии. Приборный отсек был установлен на специальной ферме над баком окислителя и имел систему терморегулирования. На блоке "Д" был установлен двигатель 11Д58М, разработанный в НПО "Энергия" под руководством Б.А. Соколова. Данный двигатель серийно изготавливается на Воронежском механическом заводе. Модифицированный разгонный блок имел время активного существования 9 часов, и количество запусков двигателя было ограничено тремя. В настоящее время используются разгонные блоки моделей ДМ-2, ДМ-2М и ДМ-03 производства РКК "Энергия", у которых количество включений было увеличено до 5.

5.3 Разработка

Разработка блока "ДМ" началась в 1969 году. Блок этой модификации с 3 августа 1973 г. по 30 июля 1975 г. прошёл шесть огневых испытаний, в процессе которых блок заправлялся по два-три раза, а двигатель включался по 4-5 раз. Эксплуатируется с РН "Протон" с 1974 г.

Характеристики:

- Сухая масса разгонного блок "ДМ" - 3420 кг,

- Масса отделяемых в полёте элементов - 1090 кг;

- Массу КА, выводимых на ГСО, - до 2600 кг;

- Заправляемый запас компонентов топлива - 15050 кг;

- Длина - 6280 мм

- Ширина (диаметр) - 3700-4100 мм

- Тяга двигателя 11Д58М в пустоте - 8550 кгс

- Удельная тяга (в пустоте) - 361 с

Блок "ДМ" состоит из: маршевого двигателя; двух двигательных установок стабилизации и ориентации; сферического бака окислителя; тороидального бака горючего; приборного отсека; аппаратуры командно-измерительного комплекса; отделяемых в полете нижнего и среднего переходников. Подтвержденная надежность двигателя 0,997 при доверительном уровне 0,9. Каждый двигатель проходит контрольные испытания без переборки с использованием прогрессивных средств диагностирования технического состояния.

Список использованных источников

1. Гудилин В.Е., Слабкий Л.И. Разгонные блоки. Ядерные энергетические установки космических аппаратов. Ядерные ракетные двигатели. // Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы). - М., 1996. - 326 с.

2. Гудилин В.Е., Слабкий Л.И. Проектные проработки перспективных разгонных блоков // Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы). - М., 1996. - 326 с.

3. http://space. skyrocket. de/doc_stage/fregat. htm

4. http://www.laspace.ru/rus/fregat_construction. php

5. Куренков В.И., Конструкция и проектирование изделий ракетно-космической техники. Часть 2. Основы проектирования ракет-носителей. - Самара, 2012.

Приложение А

Конструктивно-компоновочная схема РБ "Фрегат"

Обозначения

1 - головной обтекатель

2 - верхний бак РН

3 - переходник

4 - полезная нагрузка - малогабаритные спутники

5 - разгонный блок

6 - ферма для установки полезной нагрузки

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

контрольная работа , добавлен 15.10.2010


Особенности и основные способы проектирования электрореактивной двигательной установки космического аппарата. Этапы разработки циклограммы энергопотребления, анализ чертежа движителя. Характеристика космических электроракетных двигательных установок.

дипломная работа , добавлен 18.12.2012


Понятие и особенности спускаемой капсулы, ее назначение и компоновка, процесс спуска с орбиты. Конструкция спускаемой капсулы, контейнер для носителя информации, корпус, теплозащитное покрытие, двигатель мягкой посадки. Размещение аппаратуры и агрегатов.

реферат , добавлен 31.07.2010


Ограниченная круговая задача трех тел и уравнения движения. Типы ограниченных орбит в окрестности точек либрации и гравитационная задача. Затенённость орбит и моделирование движения космического аппарата. Проекция долгопериодической орбиты на плоскость.

курсовая работа , добавлен 01.07.2017


Изучение факторов, действующих на организм в условиях космического полета и изменений в различных системах организма. Особенности протекания физических процессов и бытовых действий на борту космического аппарата. Подготовка космонавтов к невесомости.

реферат , добавлен 23.10.2013


Описание кометы как тела Солнечной системы, особенности ее строения. Траектория и характер движения этого космического объекта. История наблюдения астрономами движения кометы Галлея. Наиболее известные периодические кометы и специфика их орбиты.

презентация , добавлен 20.05.2015


Выбор места посадки космического аппарата на Луну. Поиск точек либрации. Определение видимости КА без учета лунного рельефа. Расчет угла места КА над горизонтом. Реализация алгоритма на языке С++. Разработка программы для оптимального места посадки.

дипломная работа , добавлен 08.02.2017


Разработка конструкции двигателей летательных аппаратов. Выбор оптимальных материалов корпуса и соплового блока на примере тормозного ракетного твердотопливного двигателя трехблочной системы посадки космического летательного аппарата "Восход" на Землю.

курсовая работа , добавлен 07.03.2013


История создания орбитального корабля "Буран", его назначение. Подготовка запасного аэродрома в Крыму. Технические характеристики космического челнока, особенности его выведения на орбиту и возвращения. Единственный полет корабля в автоматическом режиме.

реферат , добавлен 11.03.2014


Ракетоносители сверхлегкого, легкого и среднего класса. Возможные варианты компоновки ракетоносителя "Энергия". Общий вид кислородно-водородного разгонного блока. Главные особенности материкового (наземного), морского и воздушного способа старта.

Страница 51 из 60

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ЧАСТЫХ ПУСКОВ И ОСТАНОВОВ ЭНЕРГОБЛОКОВ НА НАДЕЖНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ
Анализ исследований работы энергоблоков в режиме глубоких разгрузок диспетчерского графика электрических нагрузок ГРЭС на ночь, на выходные или праздничные дни показывает, что для эффективного ведения режима работы энергоблоков необходимо часть их останавливать в резерв . В этих условиях задачи обеспечения надежности и долговечности оборудования при частых пусках и остановах приобретают исключительно важное значение по двум причинам:
большинство энергоблоков уже отработало свой расчетный ресурс, и в этой ситуации важно определить влияние числа пусков на долговечность оборудования и тем самым обеспечить своевременное планирование производства запчастей и замены оборудования;
энергооборудование, которое привлекается для покрытия пиковых нагрузок, спроектировано на работу в стационарном режиме.
Для выявления влияния переменных режимов на надежность, экономичность и эксплуатационные затраты энергоблоков с турбинами К-160-130 ПОАТ ХТЗ (дубль-блок с котлами ПК-38 и моноблок с котлом ТГМ-94) некоторые из них были специально переведены в режим опытной эксплуатации с частыми пусками и остановами .
На первом этапе исследований в режиме частых пусков и остановов выполнялись контрольные пуски опытных энергоблоков, контроль и анализ пусков, проводимых эксплуатационным персоналом, разработка предложений по улучшению эксплуатационных режимов пуска; сбор материалов по повреждаемости оборудования энергоблоков, работающих в режиме опытной эксплуатации и в обычном эксплуатационном режиме, определение изменения экономичности энергоблоков, определение влияния частых пусков-остановов на коррозию воздухоподогревателей и газоходов котлов опытных энергоблоков, наблюдение за водным режимом опытных энергоблоков, контроль качества металла опытных энергоблоков по специально разработанной программе.
В процессе анализа работы, проведенной на первом этапе, было установлено, что надежность, экономичность, повреждаемость, водный режим и скорость коррозии воздухоподогревателей и газоходов практически одинаковы для опытных энергоблоков и энергоблоков, находящихся в обычной эксплуатации.
С учетом результатов исследований, полученных на первом этапе, а также с учетом времени работы опытных энергоблоков, которое составляло около 100 тыс. ч, на втором этапе была проведена следующая работа: подбор и анализ материалов по повреждаемости оборудования, периодический контроль эксплуатационных пусков (два-три пуска в год), контроль состояния металла оборудования после завершения второго этапа работы.
На первом этапе опытной эксплуатации число пусков опытных энергоблоков было примерно в 2 раза больше, чем любых других энергоблоков этих ГРЭС. В последующие годы по условиям работы электростанций превышения числа пусков опытных энергоблоков над другими не отмечалось (рис. 5.14 и 5.15)
При анализе пусковых режимов дубль-блока на первом этапе исследования были выявлены неудовлетворительные режимы прогрева арматуры узла встроенных сепараторов, коллекторов пароперегревателя, главного паропровода.

Рис. 5.14. Число пусков дубль-блоков 160 МВт с котлами ПК ЗВ в процессе их эксплуатации

В связи с этим был поставлен вопрос о реконструкции пусковой схемы для приближения ее к типовой схеме дубль-блоков 200 и 300 МВт с прямоточными котлами. После внедрения ряда рекомендаций, в частности после врезки сбросных трубопроводов Dy100 и Dy 50 мм 1 и II ступеней встроенного сепаратора, установки байпаса 50 мм с клапаном и задвижки на выпаре из встроенного сепаратора, стало возможным проводить пуски котла на сепараторном режиме при форсировках топки по топливу, соответствующих указанным в типовых инструкциях для энергоблоков 200 МВт с прямоточными котлами, и выдерживать скорости прогрева толстостенных элементов котла, близкие к рекомендуемым (10- 15° С/мин).

Рис 5.15. Число пусков моноблоков 160 МВт с котлом ТГМ-94 в процессе их эксплуатации (обозначения см. на рис 5.14)

С учетом перспективы дальнейшей эксплуатации всех дубль- блоков ГРЭС при переменном графике нагрузок на втором этапе было рекомендовано дальнейшее усовершенствование пусковой схемы для приближения ее к типовой: установка одного ВС на блок, замена задвижек на регулирующие клапаны на трубопроводе после встроенных сепараторов в перегревательный тракт, а также на сбросных трубопроводах Dy 100 мм после встроенных сепараторов в расширитель (рис. 5.16)
Анализ экспериментальных материалов по пусковым режимам моноблоков показал, что ограничений при пусках из-за температурной неравномерности по периметру барабана (А/ «верх-низ») не имеется, максимальные разности температур не превышают допустимых. Форсировка топки, как правило, низкая. Регулирование тепловыделения в топке в начальный период растопки производилось путем уменьшения количества включенных форсунок, а далее изменением давления мазута. Повышение температуры насыщения в барабане не превышало допустимых значений. Температурный режим потолочного, ширмового и конвективного пароперегревателей во всех пусках оценивался как вполне удовлетворительный.
Было отмечено типичное для большинства пусков дубль-блока превышение скорости прогрева ГПЗ над допустимой.


Рис. 5.16. Схема растопочного узла котла ПК-38 дубль-блока 160 МВт:
а - проектная; б - реконструированная

Как правило, максимальная скорость прогрева ГПЗ наблюдалась в момент начала прогрева участков паропроводов за стопорными клапанами. Существенного снижения скорости прогрева ГПЗ-1 дубль-блока удалось добиться открытием их до начала растопки котла. Был опробован также режим прогрева ГПЗ-2 подключаемого корпуса путем прогрева обратным ходом.
Очевиден вывод о необходимости эффективного прогрева тупиковых отводов от основных трасс паропроводов. Так, на отводах к главным предохранительным клапанам дубль-блока и к предохранительным клапанам промперегрева моноблока выполнены постоянно действующие шунтирующие линии, которые поддерживают эти тупиковые участки в постоянно прогретом состоянии. Отводы к БРОУ-2 на дубль-блоках и отводы к БРОУ-1 и РОУ на моноблоках такими линиями прогрева не снабжены, следствием чего является высокая повреждаемость тройниковых соединений на этих отводах.
В связи с неодновременным подключением каждого из котлов дубль-блока к турбине по вторичному пару прогрев тупиковых участков паропроводов перед отсечными клапанами ЦСД осуществлялся неравномерно. Разворот турбины начинался при разности температур пара перед отсечными клапанами до 100- 150° С при пусках энергоблока из неостывшего состояния против допускаемых инструкцией 50° С. Была предложена и опробована методика предтолчкового прогрева указанных участков со сбросом пара через БРОУ-2 неработающего котла и открытием обоих ППГ-2. Это позволило, практически не увеличивая продолжительности пуска, сократить разность температур перед клапанами до 50° С.
Показатели надежности, экономичности и анализ повреждаемости энергоблоков сравнивались с теми же показателями двух других дубль-блоков и трех моноблоков, установленных на ГРЭС и работающих в обычном эксплуатационном режиме. Оценка надежности проводилась по следующим показателям: общему количеству отказов и источникам возникновения отказов, продолжительности и коэффициентам внеплановых простоев, коэффициентам оперативной готовности, наработке на отказ.
Сравнительный анализ надежности котлов дубль-блоков показал, что их наиболее повреждаемым элементом является нижняя радиационная часть, а моноблоков конвективный пароперегреватель. Следующим по количеству повреждений для дубль- блоков является промежуточный пароперегреватель, для моноблоков - испарительные поверхности (топочные краны). Анализ распределения отказов по источникам их возникновения показывает, что наибольшее число отказов котлов дубль- и моноблоков возникает из-за недостатков конструкции, дефектов заводской и монтажной сварки, а также эксплуатационных режимов.
Абсолютное количество повреждений котлов рассматриваемых энергоблоков и энергоблоков, находящихся в обычной эксплуатации, одинаковое.
Количество вынужденных остановов турбин дубль- и моноблоков практически одинаковое и зависит от качества ремонта и уровня организации эксплуатации. Подтверждают это и причины вынужденных остановов, основными из которых являются неплотности трубной системы конденсатора, повышение уровня в ПВД, повреждения подшипников турбины и генератора.
Анализ материалов по изменению экономичности котлов дубль-блоков показал, что максимальная разность потерь с уходящими газами и удельных расходов на тягу и дутье между измеренными значениями для котлов исследуемых энергоблоков и энергоблоков, находящихся в обычной эксплуатации, составляет +0,17%, что находится на уровне точности определения. Снижение экономичности опытного моноблока соизмеримо со снижением экономичности энергоблоков, находящихся в обычной эксплуатации, и составляет примерно 1,2%. Вызвано оно повышением температуры уходящих газов в результате накопления золовых отложений на конвективных поверхностях и увеличением присосов по газовому тракту котлов. Изменение экономичности турбоагрегатов для дубль-блоков составляет примерно 2,2%, а для моноблоков 1%.
Анализ состояния водно-химического режима проводился на дубль-блоке. Максимальное количество отложений на внутренних поверхностях котлов энергоблока не превышало допустимых значений. При сравнении прироста отложений на поверхностях нагрева энергоблоков, находящихся в обычной эксплуатации, и исследуемых энергоблоков не наблюдалось существенного различия в динамике роста отложений. На первом этапе опытной эксплуатации наблюдался заметный занос ЧВД и ЧСД проточной части турбины дубль-блока. Общее количество отложений с учетом неполноты снятия не превышало 1 кг Отложения не вызывали ограничения мощности. Увеличение заноса проточной части турбины можно объяснить интенсификацией вымывания и миграцией отложений по тракту энергоблока.
Водный режим энергоблока на последующем этапе эксплуатации характеризуется более постоянными показателями по содержанию продуктов коррозии в питательной воде. Было отмечено повышенное количество отложений на поверхности нагрева на одном из котлов дубль-блока 160 МВт до 410 г/м2, что превышает установленные для таких котлов нормы - 300 г/м2 В то же время на втором котле исследуемых энергоблоков количество отложений не превышало 130 г/м2. Значительная разница загрязненности поверхностей нагрева этих котлов объясняется не режимом эксплуатации, а качеством проведенной в период капитального ремонта эксплуатационной кислотной промывки, при которой промывочный раствор неравномерно поступал по всем трубам панелей. Такое предположение подтверждается наличием незначительных отложений на тех же поверхностях нагрева, но на других трубах, вырезанных в качестве образцов в этот же капитальный ремонт. Общий занос проточной части турбины низок и соизмерим с заносом предыдущих лет, - до перевода энергоблоков в режим работы с частыми пусками и остановами.
Особое внимание уделялось анализу повреждаемости элементов энергооборудования литых деталей трубопроводов, арматуры, корпусов ЦВД и ЦСД, роторов ВД и СД, корпусов стопорных и регулирующих клапанов высокого и среднего давлений, барабана котла. Анализ результатов контроля показал, что четкой взаимосвязи между числом пусков-остановов и повреждаемостью металла литых деталей и барабана нет . При статистическом анализе повреждений за весь период эксплуатации энергоблоков (1976-1987 гг.) установлено, что ГРЭС должна планировать ежегодно 30% ресурсов на ремонт арматуры и литых деталей паро- и трубопроводов для исследуемых энергоблоков и энергоблоков, находящихся в обычной эксплуатации, а на замену-не менее 10% общего числа деталей, проверяемых в период капитальных ремонтов.
К наиболее потенциально аварийным узлам относятся арматура БРОУ-1, БРОУ-2, тройники в пределах котлов в схемах свежего пара, горячего и холодного промперегрева, все детали, которые расположены вблизи мест ввода различных впрыскивающих устройств. Места повреждений литых деталей в подавляющем большинстве случаев сосредоточены на внутренних поверхностях, в наиболее низко расположенных местах, а также внутри и снаружи в местах радиусных переходов и других концентраторов напряжений. Самым распространенным видом повреждений являются трещины. В местах концентрации напряжений они в основном располагаются по линиям наибольших действующих напряжений от внутреннего давления. На нижних поверхностях внутренних полостей растрескивание носит характер сплошного усталостного и коррозионно-усталостного поражения. Причинами таких повреждений, πο-видимому, являются:
быстрое охлаждение внутренних поверхностей - тепловые удары из-за попадания влаги, что приводит к появлению трещин, ориентированных, в первую очередь, по линиям концентраторов напряжений, а при резком охлаждении - к сплошному растрескиванию на внутренних поверхностях;
быстрый прогрев при пусках, вызывающий возникновение градиента температур по толщине стенки с появлением трещин на наружной поверхности в местах радиусных переходов, а также в любых других местах наружной поверхности, где по толщине стенки имеются различные дефекты литья - рыхлоты, раковины, пористость и др., повышенная толщина стенок литых элементов и меньший ресурс сопротивляемости действию временных напряжений, способствующие более быстрому появлению и развитию таких повреждений в арматуре и других литых деталях по сравнению с трубопроводами.
В немалой степени долговечность основных элементов пароводяного тракта зависит от совершенства применяемой технологии пусков-остановов. Необходимо строго соблюдать ПТЭ и эксплуатационные положения технологии пусков-остановов, постоянно ее совершенствуя с учетом новых теоретических разработок и экспериментальных данных.
Все изменения, происшедшие в металле энергоооборудования за период работы опытных энергоблоков в режиме частых пусков и остановов, характерны и для металла энергооборудования, работающего в обычном эксплуатационном режиме.
В микроструктуре металла существенных изменений не произошло. Содержание легирующих элементов в карбидной фазе изменилось незначительно. Лабораторными исследованиями установлено, что свойства металла практически не изменились. Сварные соединения камер пароперегревателей, паропроводов и соединения типа литья с трубой находятся в удовлетворительном состоянии. Сравнив полученные результаты с данными предыдущих проверок (по дефектограммам), установили, что развития дефектов, выявленных ранее в сварных соединениях, не наблюдалось.
По результатам проведения магнитопорошковой дефектоскопии, металлографического анализа и измерения твердости установлено, что роторы ЦВД и ЦСД турбин, включая осевые каналы, находятся в удовлетворительном состоянии. Состояния внутренних поверхностей нагрева котлов и проточной части турбины опытного энергоблока практически не отличаются от состояния поверхностей блоков, работающих в обычном эксплуатационном режиме. Механические свойства металла практически не изменялись и находились в пределах требований технических условий на поставку. Изменений в структуре металла не произошло. Содержание легирующих элементов в карбидной фазе изменилось незначительно. Исходя из того, что энергоблоки 160 МВт все чаще привлекаются для покрытия неравномерностей графиков электрической нагрузки энергосистем и что они отработали свой ресурс, в процессе дальнейшей эксплуатации необходимо соблюдать оптимальные температурные режимы работы металла энергооборудования и осуществлять проверку и исследование состояния металла проводить в капитальные и текущие ремонты в объеме, предусмотренном действующими инструкциями и другими директивными материалами, обратив особое внимание на состояние литых деталей и арматуры, дополнительного (внеочередного) контроля и исследования металла не требуется.

На основании вышеизложенного можно заключить, что надежность и экономичность котлов, турбин, энергоблоков в целом, специально переведенных в режим работы с частыми пусками и остановами, такие же, как и при обычной эксплуатации. Связь между числом пусков и повреждаемостью элементов энергоободования не обнаружена. В то же время число пусков-остановов, накопленных на исследуемых энергоблоках, с точки зрения малоцикловой усталости металла еще не дает достаточной информации для прогнозирования надежности работы оборудования в рассматриваемом режиме эксплуатации, что требует дальнейшего исследования энергоблоков с обеспечением на них не менее 120 пусков в год и с доведением общего их числа до 1200-1500 . Это позволит решить следующие основные проблемы: определение предельного числа пусков, исходя из долговечности оборудования в пределах расчетного и сверхкритического срока службы; определение влияния частоты пусков на надежность энергооборудования; своевременное планирование производства запасных частей наиболее изнашиваемых деталей и узлов энергооборудования; предотвращение аварийных разрушений остального парка оборудования энергоблоков.