Libmonster ID: VN-541

Author: Konstantin FROLOV, Vladimir RACHUK, Nikolai MAKHUTOV, Mark RUDIS

By Academician Konstantin FROLOV, Director of the RAS Institute of Mechanical Engineering named after A. Blagonravov; Vladimir RACHUK, Dr. Sc. (Tech.), Chief Designer, KHIMAVTOMATIKA Design Bureau; RAS Corresponding Member Nikolai MAKHUTOV, Head of Department, RAS Institute of Mechanical Engineering; Mark RUDIS, Dr. Sc. (Tech.), Head of Department of the above Design Bureau

The central achievement of the staff of the KHIMAVTOMATIKA R&D Bureau (Voronezh) over the past few years has been a sustainer engine for the second stage of the ENERGIYA-BURAN space booster complex. This is the RD- 0120 oxygen-hydrogen engine with a thrust of 2,000 kN.

Pages. 4


Its operating parameters (chamber pressure, temperature in gas generator, rate of gas flow from nozzle and RPM of the turbine of the turbopump as well as component dimensions) are really impressive. Also impressive are the strains and stresses in its components, especially those associated with fuel supply-in the turbine, high-pressure hydrogen pump, chamber, etc. -all of these are much higher than of the most home- made and foreign analogues. In recognition of this fact the engine designers attached particular importance to the strength and dependability of its junction points and components.

In dealing with all these problems, Voronezh scientists established close cooperation with their counterparts from the RAS Institute of Mechanical Engineering (named after A. Blagonravov) who possess a wealth of experience in methods of calculation of the mechanics of objects under deformation, boosting the durability and service life of different kinds of machines and equipment. One of the most "strained" components of RD-0120 is the running wheel (rotor) of the high-pressure hydrogen pump. It represents a complex geometric structure which operates at spin rates of up to 600 m/s at cryogenic temperatures and high dynamic loads. These components are produced from titanium alloys with 5 percent of aluminum and 2.5 percent magnesia by methods of powder metallurgy and isostatic pressing. The design parameters of these key components rest on theoretical solutions ensuring their high strength.

Technological tests of these running wheels were conducted for each of them separately at room temperature and the spin rate was 3 - 7 percent higher than the operational one. The destructive spin rate was determined at a cryogenic test stand, and it should be noted at this point that, according to calculations and experiments, this value largely depends on the ductility of material. It is therefore very important that this parameter be the same in different zones of the rotor and retain its high value at the liquid hydrogen temperature (20 K). This problem was solved by choosing the appropriate kinds of materials and production technologies thanks to which the destructive spin and static strength values are within the optimal limits.

Our experts have also been able to cope with the problem of fatigue failure of the impeller wheels which is caused by "pulsating" pressure and which depends on the wheels design. Positive results were achieved by a transfer to powder technologies and certain design improvements at the junction points of blades and disks.

Deserving of special attention are problems of increasing the service life of turbine blades of the second stage. Mechanically these form a single whole with the disk and wheel band * and are made of heat-resistant nickel alloy containing 7 percent of tungsten, 15 percent of cobalt and 3 percent of molybdenum and produced by methods of powder metallurgy. In order to increase


* Metal band connecting tips of blades for increasing their strength and reducing wear and vibration. - Ed .

Pages. 5


the service life of the vane wheel its designers increased the number of vanes, their radius, the thickness of the wheel band and also resorted to powder (granule) technology. The static strength of the vane wheel meets the whole range of operating requirements, as has been proved by stand tests.

However in cyclic-mode operation of RD-0120 at regimes exceeding the nominal local strains proved to be greater than the yield strength of the material at the base cross-sections of the blades and points of their attachment to the wheel band. Because of that fatigue cracks developed at these points after only 5 to 6 working cycles.

The blades are also subjected to pulsating pressure. And although strain changes of this kind are relatively low, at frequencies of the order of 20,000 cycles per second the summary number of strain cycles reaches 10 7 - 10 8 , causing fatigue failure of the blades. And it has been possible to increase their service life through a "redistribution" of stresses and reducing their concentration by 20 percent.

Another important aspect of increasing the dependability of RD-0120 has been the choice of structural (construction) materials. The main criteria here were their rates of deformation and "behavior" in hydrogen medium under high pressure at cryogenic, room and increased temperatures.

The stability of a range of metals and alloys under such conditions was investigated by experts of the KHIMAVTOMATIKA Bureau in conjunction with specialists of the RAS Institute of Mechanical Engineering, the Physico-Mechanical Institute of the National Academy of the Ukraine and other centers.

Pages. 6


Rated stresses in a turbine blade.

The scientists established the regularities of their deformation and "hydrogen friability" which have to be considered in designing engine components.

As has been established, gaseous hydrogen at room temperature produces the greatest impact on the plasticity and strength characteristics of materials (relative transverse narrowing, destructing stress), low-cyclic fatigue, rate of cracks propagation. As for "hydrogen friability", it reaches its maximum at 173 - 473 K. And the danger is the greatest in parts of complex configuration and in zones of stress concentrations, because the plasticity of material is reduced by 2 to 10 times.

Tensile tests have proved that in hydrogen gas medium and at high pressures and temperatures close to room ones, the strength and plasticity of alloys on the basis of iron and nickel are significantly reduced. Many of them are subject to appreciable "hydrogen friability".

Our studies have made it possible to map out some "preventive measures". In designing engine components it is first of all necessary to "rule out" zones of plastic deformations and other "foci" of tensions. Alloys should be used which are resistant to "hydrogen friability" and protective coatings of copper, silver and gold. The effect of these recommendations has been proved in practice. The service life of engine parts was substantially increased by copper coatings of fuel supply components and the use of weld seams of steels resistant to gaseous hydrogen environment in the zones of welding joints.

The effect of hydrogen on the parameters of structural materials manifests itself in the fact that at certain pressures and temperatures it can be "transferred" into the metal, that is the concentration of hydrogen in it is increased. This process takes place according to the diffusion and dislocation mechanisms at plastic deformation. An important role belongs to the level and gradient (drop vector) of stresses, and also time.

On the basis of our experimental and theoretical data we have drawn up the equations for: dependence of material plasticity on pressure, temperature, initial plasticity, diffusion factor, time, etc. for the hydrostatic pressure in the concentrator zone and an analysis of material hardening. Using the above ratios and such a characteristic as the true strength of materials in hydrogen medium, one can determine the maximum stresses upon engine components at the stage of breaking point.

All of the above equations and models provided the basis of the methods of calculation of the durability and longevity of RD-0120 components which are in contact with hydrogen gas and made it possible to work out theoretical assessments of their service life. The results of test and practical use of the engine have confirmed the viability of this method.

At the present time we are modelling the "exhaustion" of the RD-0120 service life taking into consideration the main factors of damage and the ultimate conditions. This should make it possible to increase the accuracy of our calculations of durability, service life and operational risks associated with oxygen-hydrogen engines of new generations.


© biblio.vn

Permanent link to this publication:

https://biblio.vn/m/articles/view/OXYGEN-HYDROGEN-ENGINES-FOR-SPACE-PROBES

Similar publications: LVietnam LWorld Y G


Publisher:

Vietnam OnlineContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://biblio.vn/Libmonster

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

OXYGEN-HYDROGEN ENGINES FOR SPACE PROBES // Hanoi: Vietnam (BIBLIO.VN). Updated: 08.09.2018. URL: https://biblio.vn/m/articles/view/OXYGEN-HYDROGEN-ENGINES-FOR-SPACE-PROBES (date of access: 06.03.2026).

Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Vietnam Online
Hanoi, Vietnam
502 views rating
08.09.2018 (2736 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
Bài viết này xem xét Eo biển Hormuz, một động mạch hàng hải hẹp nối vịnh Ba Tư với vịnh Oman, có vai trò rất quan trọng đối với nguồn cung năng lượng toàn cầu. Dựa trên phân tích các đặc điểm địa lý, số liệu kinh tế và các sự kiện hiện tại từ tháng 2 đến tháng 3 năm 2026, bài viết tái hiện đầy đủ ý nghĩa của eo biển này và hậu quả của sự phong tỏa nó. Đặc biệt chú ý đến bối cảnh địa chính trị của cuộc xung đột đang diễn ra giữa Iran và liên minh do Mỹ-Israel dẫn đầu, cũng như tác động tiềm năng đến thị trường dầu mỏ, khí đốt và các sản phẩm liên quan trên toàn cầu.
Catalog: География 
13 hours ago · From Vietnam Online
Các nhà lãnh đạo nước ngoài bị cho là đã bị tiêu diệt bởi Hoa Kỳ
2 days ago · From Vietnam Online
Những lãnh đạo quốc gia nào bị Mỹ ám sát?
2 days ago · From Vietnam Online
Bài viết này xem xét hiện tượng sự tham gia của Hoa Kỳ vào các hoạt động nhằm loại bỏ các nhà lãnh đạo nước ngoài, điều đã nhận được sự chú ý mới liên quan đến các sự kiện đầy kịch tính năm 2025–2026 — việc bắt cóc Tổng thống Venezuela Nicolás Maduro và cái chết của Lãnh tụ tối cao Iran Ali Khamenei trong một cuộc tấn công phối hợp giữa Hoa Kỳ và Israel. Dựa trên phân tích các tài liệu lịch sử, đánh giá của các chuyên gia và các chuẩn mực pháp lý quốc tế, sự phát triển của các cách tiếp cận của Hoa Kỳ trong việc sử dụng các phương pháp ép buộc để thay đổi chế độ được tái hiện. Đặc biệt chú ý tới sự mâu thuẫn giữa lệnh cấm chính thức đối với ám sát chính trị và thực tiễn vẫn tiếp tục được áp dụng dưới các luận cứ pháp lý mới.
3 days ago · From Vietnam Online
Trong bài viết này xem xét hiện tượng sự tham gia của Hoa Kỳ vào các hoạt động nhằm loại bỏ các nhà lãnh đạo nước ngoài, hiện tượng này có âm hưởng mới liên quan tới các sự kiện 2025–2026 — vụ bắt cóc tổng thống Venezuela Nicolás Maduro và cái chết của Lãnh tụ tối cao Iran Ali Khamenei do vụ tấn công của Mỹ và Israel gây ra. Dựa trên phân tích các tài liệu lịch sử, các đánh giá của chuyên gia và các chuẩn mực pháp lý quốc tế, người ta tái hiện sự tiến hóa của các phương pháp của Hoa Kỳ trong việc sử dụng các biện pháp bạo lực để thay đổi chế độ. Đặc biệt chú ý tới mâu thuẫn giữa lệnh cấm chính thức đối với ám sát chính trị và thực tiễn vẫn được duy trì dưới các căn cứ pháp lý mới.
3 days ago · From Vietnam Online
Bài viết này xem xét câu hỏi chiến lược cực kỳ quan trọng về việc liệu Nga có khả năng phá hủy Hoa Kỳ bằng một cuộc tấn công hạt nhân mở đầu và đồng thời ngăn chặn thành công một phản công tàn khốc hay không. Dựa trên phân tích tình báo từ nguồn mở, tư thế lực lượng chiến lược, tuyên bố chính thức và bình luận của các chuyên gia, nghiên cứu này phân tích các khía cạnh kỹ thuật, vận hành và học thuyết của câu hỏi này. Đặc biệt chú ý đến cấu trúc lực lượng chiến lược của Nga, khả năng của bộ ba hạt nhân của Mỹ và hệ thống cảnh báo sớm, vai trò của các hệ thống trả đũa tự động như "Perimeter," và khung khái niệm ổn định chiến lược căn bản đã xác định quan hệ Mỹ-Nga suốt nhiều thập kỷ.
5 days ago · From Vietnam Online
Bài viết này cung cấp một cái nhìn toàn diện về tên lửa hành trình Tomahawk, một trong những vũ khí có độ chính xác cao và có tính đa dụng nhất được sử dụng rộng rãi trong kho vũ khí quân sự hiện đại. Dựa trên phân tích từ các nguồn quốc phòng chính thức, hồ sơ tác chiến lịch sử và các thông số kỹ thuật, bài viết tái hiện sự phát triển, thiết kế và vai trò chiến lược của hệ thống vũ khí này. Đặc biệt, nó chú trọng đến công nghệ dẫn đường của nó, lịch sử tác chiến, sự hiện đại hóa gần đây lên các biến thể Block V, và những tác động địa chính trị của khả năng chuyển giao nó cho Ukraine.
5 days ago · From Vietnam Online
Bài viết này xem xét bản chất phức tạp và lâu dài của các xung đột của Israel với các nước láng giềng và các tác nhân. Dựa trên phân tích các sự kiện lịch sử, các tuyên bố chính trị, các thỏa thuận quốc tế và các phân tích địa chính trị đương đại, bài viết phác thảo lại các lý do đa diện đằng sau trạng thái chiến tranh và căng thẳng dai dẳng. Đặc biệt chú ý tới các tranh chấp về ý thức hệ và biên giới nền tảng, tác động của cuộc chiến năm 1967, vai trò của vấn đề Palestine, sự trỗi dậy của các tác nhân phi nhà nước, và sự trỗi dậy gần đây của diễn ngôn 'Đại Israel'. Phân tích cũng đề cập tới mối quan hệ căng thẳng với các đối tác hòa bình truyền thống là Ai Cập và Jordan, cũng như những thách thức đối với khung thỏa thuận Abraham trong bối cảnh cuộc chiến 2023–2026.
Catalog: История 
8 days ago · From Vietnam Online
Trong bài viết này, hiện tượng mìn chống bộ binh được xem như một loại vũ khí gây ra mối đe dọa nhân đạo đặc biệt. Dựa trên phân tích các công ước quốc tế, dữ liệu thống kê và bằng chứng lịch sử, bài viết tái hiện một bức tranh toàn diện về tác động của loại vũ khí này lên dân cư, những nỗ lực của cộng đồng quốc tế nhằm cấm đoán nó và xu hướng hiện đại liên quan đến việc một số quốc gia rút khỏi Hiệp ước Ottawa. Đặc biệt chú ý đến định nghĩa mìn chống bộ binh, phân loại của chúng, lịch sử sử dụng và trạng thái hiện tại của vấn đề.
8 days ago · From Vietnam Online
Bài viết này xem xét câu hỏi phức tạp và đầy đau đớn về cách ký ức lịch sử về Holocaust ảnh hưởng đến các chính sách của Nhà nước Israel đối với người dân Palestine ở Dải Gaza. Dựa trên phân tích các cuộc thảo luận công khai, các tuyên bố chính trị, lập trường của các tổ chức nhân quyền và các cuộc tranh luận học thuật, bài viết tái dựng vấn đề đa diện về mối quan hệ giữa chấn thương tập thể của người Do Thái và các hành động do Israel thực hiện trong chiến dịch quân sự bắt đầu sau ngày 7 tháng 10 năm 2023. Đặc biệt chú ý đến hiện tượng sử dụng các phép so sánh lịch sử, tranh luận về tính thích hợp của thuật ngữ "diệt chủng," và tình huống tiến thoái lưỡng nan đạo đức mà một xã hội đã trải qua thảm họa phải đối mặt.
10 days ago · From Vietnam Online

New publications:

Popular with readers:

News from other countries:

BIBLIO.VN - Vietnam Digital Library

Create your author's collection of articles, books, author's works, biographies, photographic documents, files. Save forever your author's legacy in digital form. Click here to register as an author.
Library Partners

OXYGEN-HYDROGEN ENGINES FOR SPACE PROBES
 

Editorial Contacts
Chat for Authors: VN LIVE: We are in social networks:

About · News · For Advertisers

Vietnam Digital Library ® All rights reserved.
2023-2026, BIBLIO.VN is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Vietnam


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of affiliates, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. Once you register, you have more than 100 tools at your disposal to build your own author collection. It's free: it was, it is, and it always will be.

Download app for Android