Vulcain 1 w Muzeum Sztuki i Rzemiosła (Paryż)
Typ silnika | Generator gazu w cyklu otwartym |
---|---|
Ergols | Ciekły tlen i wodór |
Pchnięcie | 1350 kN (w próżni) |
Prędkość wyrzutu | 4000 m / s |
Ciśnienie w komorze spalania | 115 barów |
Specyficzny impuls | 434 s |
Ponowny zapłon | Nie |
Ciąg modułowy | Od 90 do 105% |
Sterowany silnik | 6 ° (hydrauliczne) |
Silnik wielokrotnego użytku | Nie |
Masa | 2040 kg |
Wysokość | 3,60 m |
Średnica | 2,15 m |
Stosunek ciągu do masy | 150 |
Raport sekcji | 58.5 |
Czas trwania operacji | 450 s |
Opisany model | 2005 |
posługiwać się | Pierwsze piętro |
---|---|
Wyrzutnia | Ariane 5 |
Pierwszy lot | 2002 |
Status | W produkcji |
Kraj | Francja |
---|---|
Budowniczy | Snecma , ArianeGroup , ... |
Vulcain jest kriogeniczna rakietowy silnik napędzający kriogenicznej główny etap (EPC) w tym Europejski wyrzutni Ariane 5 . Chociaż z przyczyn technicznych jest uruchamiany na ziemi, zapewnia tylko około 10% ciągu wytwarzanego podczas startu i jest używany głównie w drugiej fazie lotu, po zwolnieniu dwóch bocznych dopalaczy lub stopni flight. ”przyspieszenie w proszku (EAP lub P230), zapewniające 90% ciągu przy starcie. Będzie również zasilał główną scenę Ariane 6 .
Istnieje kilka wersji tego silnika:
Jego początkowe „V” pochodzi z miejscowości Vernon , gdzie jest projektowane i produkowane.
Rozwój Vulcain rozpoczął się w 1988 roku po uruchomieniu programu Ariane 5 przez ministrów europejskich na konferencji w Hadze i został zapewniony dzięki współpracy europejskiej. CNES dostarczył zarządzania technicznego i finansowego programu i powierzył zarządzanie projektami do Europejskiego Towarzystwa napędu . Cały program został sfinansowany przez Europejską Agencję Kosmiczną .
Po testach komponentów testy silników rozpoczęły się w kwietniu 1990 roku . W czasie pierwszego lotu4 czerwca 1996silnik Vulcain zgromadził 285 testów, w sumie 85 000 sekund pracy.
Zgodnie z zasadami ESA w program zaangażowanych jest wielu producentów:
Kompletny silnik ma 3 m przy średnicy wylotu dyszy 1,76 mi masie 1685 kg . Będzie działać podczas normalnego lotu przez około 10 minut. Podczas startu jest testowany na platformie startowej przez około 7 sekund: w przypadku anomalii jest odcinany, a start odkładany, ale jeśli wszystkie systemy zareagują poprawnie, EAP są włączone i Ariane 5 wyłączyć natychmiast. Jego maksymalna żywotność to 6000 sekund i 20 uruchomień.
Wytworzony ciąg przenoszony jest na scenę poprzez metalową trójkątną konstrukcję podtrzymującą silnik. Jego górna część objęta jest ochroną termiczną, aby odizolować ją od promieniowania wytwarzanego przez wydechy dwóch EAP.
Działanie Vulcain opiera się na cyklu obejściowym , w którym turbopompy zasilające komorę spalania są napędzane przez spalanie w jednym generatorze gazu pędnych (3%) pobranych z głównego obwodu. Silny nadmiar wodoru powoduje ograniczenie temperatury gazów, przy jednoczesnym ich obniżeniu, chroniąc łopatki turbiny.
Silnik jest zasilany paliwem wysokociśnieniowym przez dwie niezależne turbopompki:
Silnik Vulcain pobiera z tych pomp 200 l tlenu i 600 l wodoru na sekundę. Zawory są uruchamiane przez cylindry pneumatyczne zasilane gazowym helem za pomocą zaworów elektromagnetycznych. Proporcje mieszania można zmienić, przełączając zawór zasilający turbopompy tlenu, co zastrzega sobie możliwość doprowadzenia do prawie równoczesnego wyczerpania obu zbiorników.
Nacisk 1140 kN (114 ton) uzyskuje się przez wyrzucenie z dużą prędkością strumienia gazu (250 kg / s przy 3300 ° C pod ciśnieniem 110 barów) wytwarzanego przez spalanie paliwa w komorze spalania. Ciekły tlen (LOX), a ciekły wodór (LH2) są wprowadzane do komory przez przednią wtryskiwacza 516 składający się z elementów współosiowych. Ze względu na wysoką temperaturę spalania komora jest chłodzona cyrkulacją ciekłego wodoru (o temperaturze −250 ° C ) w 360 podłużnych kanałach obrobionych w ścianie.
Rozbieżny zapewnia przyspieszenie gazów w naddźwiękową prędkością aż do 4000 m / s . Składa się z 456 małych spawanych rur o wymiarach 4 x 4 mm i grubości 0,4 mm , spiralnie nawiniętych i chłodzonych cyrkulacją wodoru . Tworzą wówczas film, który chłodzi ściany wewnętrzne w tzw. Procesie schładzania wysypowego . Jego orientację zapewniają cylindry pneumatyczne zasilane helem . Gaz jest przechowywany pod ciśnieniem 390 barów w dwóch 300- litrowych zbiornikach wykonanych z kompozytu węglowo - tytanowego .
Silnik jest uruchamiany z ziemi, dzięki czemu można sprawdzić jego działanie, zanim stopnie prochowe wyrzutni zostaną zapalone i wystartowane, co zajmuje około siedmiu sekund. Zapewnia go rozrusznik proszkowy , który przyspiesza pracę turbin, a zapalniki pirotechniczne inicjują spalanie w komorze i generatorze.
Vulcain 2 to optymalizacja pierwszego Vulcaina, zwiększająca siłę ciągu do 1350 kN . Jego wysokość sięga 3,60 m , przy średnicy na wylocie dyszy 2,15 m . Turbopompa wodorowa rozwija moc 14 MW .
Ten nowy silnik zwiększa ładowność Ariane 5 ECA o prawie 20 % w porównaniu ze starą wersją, czyli o dodatkowe 1,3 tony. Jako silnik kriogeniczny spala mieszaninę ciekłego wodoru (LH2) i ciekłego tlenu (LOX), ten ostatni jest dostarczany pod ciśnieniem 161 barów przez nową włoską pompę turbopompę obracającą się z prędkością 13 000 obr./min . Jest również wyposażony w nową dyszę opracowaną przez Volvo Aero, która umożliwia ponowne wtryskiwanie gazów pochodzących z turbiny turbopompy. Jest również wydłużony o 50 cm , aby poprawić szybkość rozszerzania się gazów na wylocie.
Występujące we wnętrzu naprężenia mechaniczne i termiczne są tam ogromne (ponad 3000 ° C ) i wymagały wielu godzin prac rozwojowych. Największa różnica między Vulcain 2 a pierwszym wynika z chłodzenia jego dyszy, która obecnie składa się tylko z 288 okrągłych rurek o średnicy 4 x 6 mm i grubości 0,6 mm . Zmniejszenie liczby spawów miało na celu skrócenie czasu produkcji z 13 do zaledwie 5 tygodni, a także obniżenie kosztów wytwarzania. Jest to niestety nowością w dyszy, które doprowadzi do utraty 17 th Ariane 5, który z lotu 517 , który miał zapoczątkować wersji ECA ale który zakończy się w Oceanie Atlantyckim .
Podczas testów kwalifikacyjnych już pojawiły się pęknięcia w rurach chłodzących, ale zostały one naprawione zgodnie z wymaganymi normami jakości. Niestety tylko rzeczywiste warunki lotu mogą ujawnić poważny problem konstrukcyjny z silnikiem rakietowym tego typu. I tak właśnie stało się podczas lotu Ariane 5 517 : te pęknięcia ujawniły się ponownie i doprowadziły do pojawienia się zjawiska wyboczenia, które następnie otworzyło dziurę w ściance dyszy. Obciążenia termiczne i dynamiczne na wysokości były większe niż to, co mogła wytrzymać dysza, ale niestety symulacje nie pozwoliły wykryć ich podczas testów naziemnych.
W następstwie tego incydentu komisja śledcza, która ustaliła przyczyny awarii wyrzutni, poprosiła SNECMA o poprawę jakości produkcji silników Vulcain 2, a także o zmodyfikowanie ich obwodu chłodzenia. Vulcain 1, który do tej pory był wzorowy.
Silnik również doznał kilku wypadków podczas rozruchu, na przykład 30 marca 2011 r, podczas pierwszej próby wystrzelenia rakiety Ariane 5 ECA z lotu V-201. Zabezpieczenie uruchamiania działało dobrze, a EAP nie włączał się. Uruchomienie zostało przełożone do22 kwietnia i tym razem poszło bez problemu.
Wersja | Vulcan 1 (Vulcan 1B) | Vulcan 2 | Vulcan 2.1 |
---|---|---|---|
Wysokość | 3 m | 3,45 m | 3,7 m |
Średnica | 1,76 m | 2,10 m | 2,5 m |
Masa | 1,686 kg | 2100 kg | 2000 kg |
Propelenty | Ciekły tlen (LOX) i ciekły wodór (LH2) w stosunku 5,9: 1 | Ciekły tlen (LOX) i ciekły wodór (LH2) w stosunku 6,1: 1 | Ciekły tlen (LOX) i ciekły wodór (LH2) w stosunku 6,03: 1 |
Prędkość obrotowa turbopomp | 11 000 do 14 800 obr / min (LOX) wzgl. 28 500 do 36 000 obr / min (LH2) | 11 300 do 13700 obr / min (LOX) wzgl. 31.800 do 39.800 obrotów na minutę (LH2) | 12300 obr / min (LOX)
36500 obr / min (LH2) |
Moc turbopompy | 2,0 do 4,8 MW (LOX) odp. 7,4 do 15,5 MW (LH2) | 3,7 do 6,6 MW (LOX) odp. 9,9 do 20,4 MW (LH2) | |
Ciśnienie w komorze spalania | 100 barów ( 110 barów) | 115 barów | 118 barów |
Wrzucony w pustkę | 1120 kN (1140 kN ) | 1340 kN | 1371 kN |
Ciąg naziemny | 815 kN | 960 kN | |
Specyficzny impuls w próżni | 431,2 s | 434,2 s | |
Raport sekcji | 45 | 58.3 | |
Prędkość wyrzutu próżni ( SI ) | 4230 m / s | 4260 m / s |