ИЗМЕРИТЕЛЬ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ELECTRIC ROCKET ENGINE JET FORCE MEASURING INSTRUMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Изобретение относится к устройствам для испытания электрических ракетных двигателей, в частности, к измерителям реактивной тяги.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Под электрическим ракетным двигателем (ЭРД) в уровне техники понимается ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. ЭРД классифицируют по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей: электротермические ракетные двигатели электростатические двигатели, сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели, импульсные двигатели.
Под реактивной тягой в уровне техники понимается сила, возникающая в результате взаимодействия реактивной двигательной установки с истекающей из сопла струей расширяющейся жидкости или газа, обладающих кинетической энергией. В предшествующем уровне техники раскрываются различные технические решения, относящиеся к измерителям реактивной тяги ракетных двигателей, включая ЭРД, часть из которых относится к баллистическим маятникам.
Под баллистическими маятниками изначально в уровне техники понимались приборы для определения эффективности взрывчатого вещества. Такой маятник представляет собой подвешенный на металлических нитях цилиндрический груз, в который вкладывается заряд взрывчатки. При подрыве этого заряда фиксируют величину отклонения маятника и в соответствии с данным отклонением определяют свойства этого заряда, например, его поражающую силу.
Существует другая разновидность баллистического маятника - маятник представляет собой массивное тело, подвешенное в покое, и на него воздействуют реактивной струей, а о мощности заряда судят по отклонению этого массивного тела.
Аналогичные баллистические маятники используют и для определения реактивной тяги ракетных двигателей, причем, в уровне техники раскрываются оба вышеописанных подхода.
Так в патенте на полезную модель RU 167873 раскрывается баллистический маятник, который выполнен в виде массивной платформы, подвешенной на тонких тросах к горизонтальной оси относительно которой маятник укреплен с возможностью свободного вращения и к данной платформе прикреплен ракетный двигатель.
По величине реактивной тяги судят по углу поворота массивной платформы относительно оси вращения, где угол поворота фиксируется датчиком угла поворота. На наш взгляд, известный измеритель реактивной тяги позволяет, скорее, продемонстрировать реактивную тягу, чем детально проанализировать возникающую реактивную силу, а также все остальные характеристики электрического ракетного двигателя.
Второй подход продемонстрирован в статье С.П. Горбунова и др. «Механические характеристики плазмы катодного факела низкоиндуктивной вакуумной искры», Прикладная физика, №: 2006 г., с. 72-75, где в качестве баллистического маятника, позволяющего определить силу тяги ЭРД (плазменного движителя), используется баллистический маятник в виде металлического диска, подвешенного на заземленной проволоке.
Однако, все баллистические маятники позволяют зафиксировать факт наличия реактивной силы, а также произвести замеры тяги полученного импульса, но ни в коем случае не приспособлены для измерения тяги электрического ракетного двигателя в непрерывном режиме, что требуется в нашем случае. Другим подходом к измерению реактивной тяги является использование измерителей тяги, действие которых связано с установкой мишени на системе рычагов, при этом, в качестве контролируемых параметров, позволяющих рассчитать силу тяги, могут быть зафиксированы напряжения в мишенях, возникающие при их взаимодействии с реактивной струей.
Такое устройство для измерения реактивной тяги раскрывается в авторском свидетельстве SU250516 и является наиболее близким к предложенному. Устройство для измерения малых тяг модельного ЭРД содержит датчик со следящей системой и регулирующий элемент. Датчик, представляющий собой рессору с наклеенным на нее тензодатчиком, установлен на опорном элементе. При взаимодействии рессоры с реактивной струей, она изгибается и под действием реактивной тяги изменяется электрическое сопротивление. Следящая система позволяет зафиксировать это изменение, а также его величину и по величине этого изменения может быть рассчитана величина измеряемой реактивной тяги.
Как следует из описания известного технического решения, оно позволяет измерять малые тяги модельных ЭРД, однако недостатком известного технического решения является тот фактор, что данная методика подразумевает подвешивание системы ЭРД на лентах или тросах для обеспечения некоторого перемещения вдоль оси - линии действия реактивной тяги. В следствии этого, данное техническое решение может быть использовано не для всех видов ЭРД, например, для магнитоплазменных или магнитодинамических двигателей с внешним магнитным полем его использовать нельзя в силу того, что магнитный двигатель устанавливается в стационарную магнитную систему, обеспечивающую его внешнее магнитное поле. Из цитируемого авторского свидетельства следует, что измеритель тяги работает с макроскопическими смещениями, что не обеспечивает высокую точность измерений при малой реактивной тяге.
Кроме того, в известном техническом решении речь идет об измерителе тяги, эксплуатируемом для измерений тяги в модельных двигателях и в условиях, далеких от условий эксплуатации.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Предложенное техническое решение позволяет устранить все выявленные технические проблемы, а именно, позволяет решить следующую задачу: реализовать измеритель реактивной тяги, способный производить измерения характеристик любого ЭРД в непрерывно работающем режиме (стационарном режиме работы), обеспечивающий длительные испытания интересующей модели ЭРД, а также обладающего простой конструкцией, позволяющей установить данный измеритель тяги в любой пригодной для проведения измерений камере.
Поставленная задача решается измерителем реактивной тяги ракетного двигателя, содержащим рычажный элемент, на одном из концов которого размещена приемная пластина из графита, опорный элемент, тензометрический датчик и комплект средств, обеспечивающий расчет реактивной тяги, где тензометрический датчик одним концом жестко связан с опорным элементом, а другим концом жестко связан с рычажным элементом с образованием в тензометрическом датчике свободной от жесткой связи области, способной к микроскопическому параллельному сдвигу относительно жестко связанных концов тензометрического датчика.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается измерителем реактивной тяги, в котором тензометрический датчик выполнен с перешейками, в которых размещены тензочувствительные элементы датчика.
Тензометрический датчик в измерителе тяги может быть связан с рычажным и опорным элементами посредством крепежных элементов.
При этом в качестве крепежного элемента может быть использован хомут.
Тензометрический датчик в частных воплощениях измерителя тяги может быть выполнен с возможностью подвода к нему охлаждающей среды.
Рычажный элемент измерителя тяги может быть выполнен из графита.
В других воплощениях изобретения рычажный элемент измерителя тяги может быть выполнен из керамики на основе карбида кремния.
Тензометрический датчик может быть выполнен в алюминиевом корпусе.
Комплект средств измерителя реактивной тяги, обеспечивающих расчет реактивной тяги, может включать модуль регистрации сигнала тензометрического датчика, аналого-цифровой преобразователь сигнала, физический интерфейс передачи данных с протоколом обмена данных, USB порт питания и обмена данными с компьютером и программное обеспечение обработки данных на компьютере.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 приведен общий вид измерителя реактивной тяги электрического ракетного двигателя.
На фиг. 2 приведен укрупненный вид соединения тензометрического датчика с рычажным и опорным элементами (вид сбоку).
На фиг. 3 приведен общий вид тензометрического датчика.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Измеритель реактивной тяги ЭРД (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит рычажный элемент (1), на одном из концов которого установлена приемная пластина из графита (2), опорный элемент (3), тензометрический датчик (4) и комплект средств, обеспечивающий расчет силы тяги. Тензометрический датчик (4) одним концом жестко связан с опорным элементом (3), а другим концом жестко связан с рычажным элементом (1) с образованием в тензометрическом датчике свободной от жесткой связи области, способной к микроскопическому параллельному сдвигу относительно жестко связанных частей упомянутого тензометрического датчика (1).
Такая конструкция измерителя реактивной тяги в процессе его эксплуатации при погружении приемной пластины (2) в поток плазмы и при приложении силы к пластине будет вызывать у рычажного элемента (1) стремление сместиться. Однако, перемещение рычажного элемента (1) из-за его жесткого крепления к тензометрическому датчику (4) будет сильно ограничено. Таким образом, усилие будет передаваться к свободной (незакрепленной) части датчика (4), вызывая напряжения в тензочувствительных элементах (5).
При использовании для измерения силы реактивной тяги такой конфигурации измерения проводятся без макроскопического сдвига приемной пластины.
В этом случае минимизируется влияние на результаты измерений коммуникаций и подводящих линий, в особенности, сил упругости и трения, появляющихся при смещении, т.е. возрастает точность измерений.
Для некоторых воплощений изобретения целесообразно выполнение тензометрического датчика с перешейками (6) (см. фиг. 3). В этом случае тензочувствительные элементы (5) тензометрического датчика (4) располагаются на перешейках (6), играющих роль концентраторов напряжений и повышающих чувствительность тензометрического датчика (4).
Тензометрический датчик (4) может быть выполнен в любом металлическим корпусе, в нашем случае использовался алюминиевый корпус.
Выбор в качестве материала для приемной пластины (2) графита обусловлен следующим.
Графит обладает низкой плотностью, высокой эрозионной стойкостью и степенью черноты ε=1. Благодаря этому приемная пластина (2) обладает низкой массой, способна выдержать интенсивное воздействие плазмы и может рассеять большую долю тепла через излучение, снизив таким образом поток тепла через рычажный элемент (1) к тензометрическому датчику (4).
Для изготовления приемной пластины опционально использовать графит с низким коэффициентом линейного сопротивления и изотропными свойствами, например, графит марки DE21 (производство ЗАО «ГРАФИ»).
При использовании приемной пластины (2) из графита целесообразно для рычажного элемента (1) использовать материал с рабочей температурой и коэффициентом линейного расширения близким к этим характеристикам у графита.
Исследования показали, что приемлемыми материалами будут керамические материалы или материалы на основе графита.
Нами были опробованы керамика на основе оксида алюминия, SiC керамика и графит.
С наилучшей стороны себя зарекомендовала SiC керамика и графит, хотя для некоторых воплощений изобретения подойдет также керамика на основе оксида алюминия или иная. Рабочая температура SiC керамики - 1800°С, температура плавления 2700°С, а теплопроводность - 10 Вт/м х К.
Однако, проще изготовить рычажный элемент также из графита, в качестве которого был опробован графит марки SN21, свойства которого близки к свойствам графита марки DE21.
Функцией опорного элемента (3) является закрепление измерителя тяги в камере (не показана), в которой будут проходить испытания ракетного двигателя. Опорный элемент (3) как правило, жестко крепится к стенкам испытательной камеры в распорку или с помощью каких-либо дополнительных крепежных элементов.
С помощью крепежных элементов (7, 8) также осуществляют в оптимальных воплощениях изобретения жесткую связь между тензометрическим датчиком (4) и опорным (3) и рычажным (1) элементами. В качестве таких элементов можно использовать хомуты.
Каждый измеритель тяги снабжен комплектом средств, обеспечивающих расчет силы реактивной тяги, который может включать модуль регистрации сигнала тензометрического датчика, аналого-цифровой преобразователь сигнала, физический интерфейс передачи данных с протоколом обмена данных, USB порт питания и обмена данными с компьютером и программное обеспечение обработки данных на компьютере.
Рабочий интерфейс позволяет в реальном времени регистрировать создаваемую реактивной струей тягу [мН] и удельный импульс [м/с], с возможностью, при этом, также прямо во время работы двигателя управлять и изменять, применяемый для расчетов удельного импульса, массовый расход рабочего тела [мг/с]. Дополнительно, программное обеспечение отдельно фиксирует полученное для заданного конкретного испытания максимальное значение реактивной тяги и удельного импульса для заданного в указанном испытании массового расхода рабочего тела.
Помимо этого, все данные записываются в log-файлы, с пометкой даты, времени и типа испытаний и, при помощи математических пакетов, обрабатываются с последующим построением графиков зависимостей реактивной тяги от времени работы двигателя, и также удельного импульса от времени работы для анализа полученных в результате испытаний данных.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Измеритель состоит из графитовой приемной пластины (2) диаметром 150 мм, соединенной с графитовым рычажным элементом (1) длиной 400 мм. Графитовое плечо через крепежный хомут жестко соединено с тензодатчиком (4), корпус которого выполнен из алюминиевого сплава.
Чувствительные элементы датчика (5) располагаются в области перешейков (6), играющих роль концентраторов напряжений и повышающих чувствительность сенсора.
Крепежный хомут (7), соединяющий графитовое плечо и тензодатчик, охлаждается потоком воды, что обеспечивает поддержание температуры тензодатчика на рабочем уровне (ниже 50°С).
Опорный элемент (3) жестко закрепляется в вакуумной камере. Приемная пластина (2) устанавливается таким образом, чтобы ее ось совпадала с осью реактивной струи, создаваемой двигателем.
При погружении графитового диска в плазменную струю, сила, оказываемая потоком на пластину, благодаря жесткому сцеплению передается в свободную (незакрепленную) часть тензодатчика, вызывая его микроскопическое смещение относительно неподвижной части. Это приводит к возникновению изменения сопротивления тензочувствительных элементов, расположенных в перешейках тензодатчика и возникновению электрического сигнала, который подлежит регистрации.
Регистрация сигнала происходит посредством специализированного модуля.
Модуль регистрации выполнен на базе микроконтроллера Arduino Uno. Питание и обмен данными с компьютером производится через порт USB. Передача данных осуществляется через физический интерфейс UART. Сигнал с датчика (аналоговый 0.5 мВ) преобразуется 24-битным АЦП НХ711 и передается в Arduino Uno, где преобразуется в протокол RS-232 и обрабатывается на компьютере.
На экране компьютера можно видеть силу реактивной тяги в режиме реального времени, что позволяет оперативно прямо во время испытаний изменять условия работы двигателя в ожидании получения интересующих характеристик.
Как следует из вышеизложенного, заявленный измеритель реактивной тяги ЭРД позволяет с достаточно высокой точностью (относительная погрешность не более 5%) определять реактивную тягу двигателя в режиме реального времени. Кроме того, измеритель обладает простой конструкцией и легко может быть установлен в любой пригодной для проведения испытаний камере.