KTDU-80

El KTDU-80 ( en ruso : Корректирующе-Тормозная Двигательная Установка, КТДУ ) es el último de una familia de sistemas de propulsión integrados que KB KhIMMASH ha implementado para la Soyuz desde la Soyuz-T . Integra la propulsión principal, el RCS y el control de actitud en un solo sistema alimentado a presión desde un sistema común de propulsor presurizado redundante _{de doble línea. El propulsor común} es UDMH y N₂O₄ y la unidad de propulsión principal es el motor principal S5.80 . Genera un empuje de 2,95 kN (660 lbf) con una presión en la cámara de 880 kPa (128 psi) y una expansión de la tobera de 153,8 que le permite alcanzar un impulso específico de 302 s (2,96 km/s) . Está clasificado para 30 arranques con un tiempo total de disparo de 890 segundos. El sistema integrado, sin la presurización ni los tanques, pesa 310 kg (680 lb) ; tiene 1,2 m (47 in) de largo con un diámetro de 2,1 m (83 in) . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}            

El sistema KTDU-80 integra un sistema redundante de propulsión y presurización de doble cadena, un sistema de propulsión principal ( SKD ), un RCS ( DPO-B ) y un sistema de control de actitud ( _DPO -M ) . Todos los elementos de propulsión son motores cohete alimentados a presión que queman UDMH y N₂O₄ con un suministro común de propulsor presurizado. ^{[ 1 ]} _{Mecánicamente, el KTDU -} 80 está separado en dos secciones:

• Unidad Básica (BB) ( en ruso : ББ, Базовый Блок ): Es el sistema principal de propulsión e incluye todo el sistema de presurización y almacenamiento de propulsor. Se subdivide en tres subsistemas:
  • Sistema de presurización neumática : Este sistema mantiene presurizados todos los tanques y tuberías, garantizando que se mantenga la presión de trabajo correcta en los subsistemas de almacenamiento y propulsión. Dado el uso de motores alimentados por presión , este subsistema es fundamental y una falla podría dejar a la tripulación varada en el espacio.
  • Sistema de suministro de propelente : Garantiza el suministro de propelente a los motores de maniobra orbital. Incluye el almacenamiento y la distribución del propelente.
  • Motor de maniobra orbital (SKD) ( ruso : ББ, Сближающе-корректирующий двигатель (СКД) ):
• Subsistema de propulsor de control de actitud y atraque (DPO) ( ruso : ДПО, Подсистема двигателей причаливания и ориентации ): Es un sistema de control de actitud y reacción. Está compuesto por dos subsistemas:
  • El subsistema redundante de suministro de propulsor.
  • Los propulsores de control de actitud y atraque (DPO) ( ruso : ДПО, Двигатели причаливания и ориентации ): son todos los propulsores utilizados para controlar los movimientos de actitud y traslación. Tiene dos conjuntos diferentes de propulsores:
    • Propulsores de alto empuje (DPO-B) ( en ruso : ДПО-Б ): Se utilizan para maniobras de actitud, traslación, acoplamiento y desacoplamiento, y como motor de reserva para la desorbitación.
    • Propulsores de bajo empuje (DPO-M) ( en ruso : ДПО-М ): Estos se utilizan exclusivamente para el control de actitud.

Cada subsistema se describe en las siguientes secciones. ^{[ 1 ]}

La Soyuz original tenía un sistema de corrección orbital separado ( KTDU-35 ) de su sistema de orientación. Este último integraba un sistema de control de reacción llamado DPO y el sistema de control de actitud , llamado DO . El KTDU-35 tenía un motor principal de corrección orbital SKD , el S5.60 , y un motor de corrección orbital de reserva DKD , el S5.35 . Estos dos eran motores generadores de gas que quemaban UDMH y AK27I . Los propulsores DPO y DO, por otro lado, eran cohetes monopropelentes alimentados a presión que utilizaban la descomposición catalítica de H₂O₂ para generar empuje. Tener sistemas tan disímiles con diferentes ciclos, propulsores y sistemas _de alimentación aumentaba los modos de fallo y requería equipos _de respaldo pesados, como el motor de desorbitación de reserva, el S5.35. ^{[ 4 ]}

Para la Soyuz-T (primer vuelo en 1979), la OKB-2 de Isayev desarrolló para TsKBEM un sistema de propulsión integrado, el KTDU-426 . Una ventaja de este sistema es que, dado que el DPO podía usarse como respaldo de la propulsión principal para la corrección de órbita y las maniobras de desorbitación, no había necesidad de agregar una propulsión principal de respaldo (el DKD S5.35 en el sistema anterior). Pero más importante aún, pudieron implementar una redundancia más extensa manteniendo la masa del sistema baja. Y al cambiar todos los motores al mismo propulsor, todas las reservas pudieron consolidarse reduciendo aún más la masa. También cambiaron a un propulsor más eficiente y almacenable, UDMH y N₂O₄, lo que mejoró aún más el rendimiento. [6] El sistema de _control de actitud de la ^{cápsula de reentrada} todavía _usa la descomposición catalítica de H₂O₂ , pero ese _{es un} sistema completamente separado.

Para esta versión del KTDU, utilizaron el ciclo de alimentación a presión para todos _los motores de cohete y consolidaron los propelentes en la combinación UDMH/N₂O₄, que ofrece una densidad e impulso específico superiores _y puede almacenarse durante años en el espacio. Para el motor de corrección orbital (SKD), desarrollaron el 11D426 . Si bien es menos potente que el S5.60 ( 3,09 kN (690 lbf ) frente a 4,09 kN (920 lbf) ), mejoró la eficiencia con un impulso específico de 292 segundos (el S5.60 tenía 278 s). ^{[ 7 ]} Además, el cambio al ciclo de alimentación a presión eliminó el uso de turbobombas y sus problemas de costo y confiabilidad asociados. También permitió la reducción del tiempo mínimo de combustión y los transitorios del motor, ya que no había histéresis de arranque y parada de la turbina. ^{[ 8 ]}    

Para el nuevo y mejorado RCS de alto empuje (DPO-B), conocido como 11D428 , mantuvieron el uso de 14 propulsores, pero en lugar de monopropelente H₂O₂ _{utilizaron el} mismo ciclo y propelente que el 11D426 SKD. También aumentaron el empuje de los 98 N (22 lbf) anteriores a 137,2 N (30,8 lbf) . Esto permitió que el DPO-B actuara como motor de reserva para la maniobra de desorbitación, lo que eliminó la necesidad del motor de desorbitación de reserva (el DKD), simplificando aún más el sistema. Para el sistema de control de actitud de bajo empuje (DPO-M), utilizaron el nuevo 11D427. El número de motores se incrementó de 8 a 12, y el empuje aumentó de 14,7 N (3,3 lbf) a 24,5 N (5,5 lbf) . ^{[ 7 ] [ 8 ]}        

La introducción de la Soyuz-TM en 1986 trajo consigo una nueva revisión del sistema de propulsión, el KTDU-80 . Fue una revisión evolutiva del sistema KTDU-426, más que una transición revolucionaria como la realizada desde el KTDU-35. El subsistema de suministro de propulsor cambió a diafragmas metálicos para la presurización del tanque. El motor principal SKD fue cambiado al nuevo S5.80 . Si bien era ligeramente menos potente que el 11D426 con 2,95 kN (660 lbf) , el impulso específico aumentó a 302 s (2,96 km/s) y el tiempo total de combustión aumentó de 570 segundos a 890. El DPO-M de bajo empuje inicialmente usó el 11D427M , una versión mejorada del 11D427 que aumentó el empuje a 26,5 N (6,0 lbf) . Pero debido a problemas de fabricación, estos fueron posteriormente cambiados (por Soyuz TM-23 ) al S5.142 (nombre del fabricante DST-25 ). ^{[ 5 ]} Dado que el S5.142 carece de un transductor de presión en su cámara de combustión principal, la aviónica tuvo que ser modificada. Por otro lado, este cambio permitió que el DPO-B mantuviera el PAO alejado de la cápsula de reentrada después de la separación. ^{[ 8 ]}      

El sistema DPO-B de alto empuje inicialmente mantuvo el 11D428A utilizado en el KTDU-426. Dado que el DPO-B también actúa como motor de respaldo para el SKD principal, siempre deben mantener una reserva de propulsor en caso de falla del SKD, lo que representa un peso muerto. Por lo tanto, en 1993 se inició un proyecto para desarrollar una versión más eficiente, el 11D428A-16. Durante una serie de vuelos ( M-36 , M-37 y M-38 ) , Progress-M voló con un conjunto parcial de 11D428A-16. Para Progress M-39 voló con un conjunto completo de 11D428A-16, y finalmente Soyuz TM-28 marcó el debut del cambio al 11D428A-16 para la nave tripulada, lo que significó un ahorro de 30 kg (66 lb) . ^{[ 8 ]}  

La experiencia en la Estación Espacial Internacional trajo consigo algunos cambios adicionales. La experiencia había demostrado que, durante las operaciones de acoplamiento, solo dos DPO-B estaban disponibles para operaciones de aborto. Por lo tanto, el 23 de octubre de 2002 se inició formalmente un proyecto para añadir dos DPO-B adicionales, lo que elevó el número total de motores DPO de alto empuje a 16. La Soyuz TMA-5 fue la primera nave espacial en volar con esta nueva configuración. Con la Soyuz TMA-11M se estrenó una nueva disposición de los propulsores DPO-B. Pero esta es una configuración específica de la nave espacial y no implica ningún cambio en el KTDU-80 en sí. ^{[ 8 ]}

Las nuevas naves espaciales Soyuz-MS y Progress-MS cuentan con una evolución del KTDU-80. Ahora, los 28 propulsores son DPO-B de alto empuje, dispuestos en 14 pares. Cada circuito de suministro de propulsor alimenta 14 DPO-B, y cada elemento de cada par de propulsores se alimenta mediante un circuito diferente. Esto proporciona una tolerancia total a fallos en caso de avería de los propulsores o del circuito de propulsor. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Este motor ha tenido dos variantes principales:

• KTDU-426 ( Índice GRAU 11D426 ): Esta fue la versión original desarrollada para la Soyuz-T que reemplazó al KTDU-35 de la generación anterior de Soyuz . ^{[ 11 ]} Integraba en la unidad KTDU el sistema de control de reacción (DPO), el control de actitud (DO) y la propulsión principal (SKD y DKD) en un solo sistema. La nueva disposición permitió el uso del DPO como respaldo para el motor de desorbitación, y por lo tanto se eliminó el DKD. El SKD utilizó el nuevo 11D426 , que si bien tenía menos empuje, tenía un mejor impulso específico, y por lo tanto redujo la masa total. Los mismos elementos se utilizaron en la propulsión de la estación espacial S5.79 . ^{[ 8 ] [ 12 ]}
• KTDU-80 : Desarrollado entre 1968 y 1974 para la Soyuz-TM , todavía se usa con ligeras modificaciones en la Soyuz-TMA-M . Para los tanques, se cambió a un diafragma metálico para la presurización. ^{[ 13 ]} El motor principal SKD se cambió al más eficiente S5.80 . Inicialmente se usó el 11D427M mejorado para el DPO-M, pero para la Soyuz TM-23 se cambiaron los modelos al S5.142 por razones de fabricación. Inicialmente se usó el 11D428A como DPO-B. Pero se cambió al 11D428A-16 para reducir el peso muerto. Desde la Soyuz TMA-5 , se agregaron dos DPO-B adicionales para duplicar el empuje en caso de aborto durante las maniobras de acoplamiento. ^{[ 8 ] [ 14 ]}
• KTDU-80 (Soyuz MS) : Si bien a junio de 2016 se desconoce si aún se denomina KTDU-80, la versión Soyuz-MS y Progress-MS del sistema de propulsión ha reemplazado todos los DPO-M por DPO-B, y ahora los circuitos de presurización y alimentación de propulsor son completamente simétricos con 14 DPO-B cada uno. ^{[ 9 ]}

• S5.80 - Motor de propulsión principal (SKD).
• 11D428A - Sistema de control de reacción del motor de alto empuje (DPO-B).
• S5.142 - Motor de bajo empuje con sistema de control de reacción más reciente (DPO-M).
• KTDU-35 - Versión anterior del sistema de propulsión Soyuz.
• KB KhIMMASH - Desarrollador y fabricante del KTDU.
• NIIMash - Desarrollador del DPO-M 11D428A-16.
• Soyuz (nave espacial) : la familia de naves espaciales que están integradas en este sistema.
• Soyuz-T - Versión de la Soyuz que utilizaba el motor KTDU-426.
• Soyuz-TM - Versión de la Soyuz que inauguró la KTDU-80.
• Soyuz-MS : versión de la Soyuz con una unidad KTDU-80 significativamente diferente.

• Página oficial de KB KhIMMASH (en ruso). Archivada el 20 de marzo de 2016 en Wayback Machine.