БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к средствам обучения и может быть использована в учебном процессе для демонстрации режимов работы жидкостного ракетного двигателя с уточнением экспериментальной дроссельной характеристики ЖРД.
Известен жидкостной ракетный двигатель содержащий камеру сгорания, насос окислителя, насос горючего, турбину, бак с окислителем, бак с горючим, отсечной клапан окислителя, отсечной клапан горючего, жидкостной газогенератор (Под редакцией проф. В.М. Кудрявцева Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Высшая школа Москва, 1983. - 11 с.).
Известен баллистический маятник, содержащий массивную платформу, к которой прикреплен испытуемый двигатель, тонкие тросы и закрепленную в подшипниках горизонтальную ось, относительно которой маятник может свободно вращаться, дорожку, металлический штифт, прикрепленный к платформе (Б.В. Орлов, Г.Ю. Мазинг Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе. Машиностроение Москва, 1964. - 346 с.).
Наиболее близким по технической сущности решением является баллистический маятник для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива, содержащий массивную платформу, к которой прикреплен испытуемый двигатель, тонкие тросы и закрепленную в подшипниках горизонтальную ось, относительно которой маятник укреплен с возможностью свободного вращения, на горизонтальную ось установлен датчик угла поворота, критическая часть сопла испытуемого двигателя выполнена съемной, на наружную часть твердотопливного заряда намотана нихромовая нить
(Патент РФ на полезную модель №167873,2017 г).
Недостатком прототипа является ограниченность количества демонстрируемых режимов работы ракетного двигателя и невозможностью точного определения зависимости тяги от давления в камере сгорания.
Задачей полезной модели является расширение наглядных возможностей при изучении процессов, протекающих внутри жидкостного ракетного двигателя, за счет получения экспериментальной дроссельной характеристикой ЖРД.
Техническим результатом является возможность экспериментального исследования законов выхода жидкостного ракетного двигателя на основной режим работы с определением уточненной характеристики тяги.
Сущность полезной модели заключается в том, что в баллистический маятник для демонстрации режимов работы жидкостного ракетного двигателя, содержащий платформу, к которой прикреплен испытуемый двигатель, тонкие тросы и закрепленную в подшипниках горизонтальную ось, относительно которой маятник укреплен с возможностью свободного вращения, критическая часть сопла испытуемого двигателя выполнена съемной, испытуемый двигатель выполнен разборным и состоит из форсуночной головки, камеры сгорания, реактивного сопла с рубашками охлаждения, подвешен на кронштейне под углом 60° к горизонту, кронштейн закреплен на платформе с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, укрепленной в подшипниках, вес двигателя уравновешивается грузами, которые с помощью троса, перекинутого через блок, связаны с кронштейном, и снабжен системой горючего, системой окислителя, системой охлаждения, системой зажигания, системой измерения, причем система горючего включает бак со спиртом, соединенный с восемью центробежными форсунками в форсуночной головке последовательно через фильтр, отсечной клапан горючего; система окислителя включает баллонную батарею с кислородом, соединенную с многоканальной струйной форсункой в форсуночной головке последовательно через редуктор, отсечной клапан окислителя; система охлаждения включает бак с водой, соединенный с рубашками охлаждения соответственно форсуночной головки, камеры сгорания, реактивного сопла последовательно через запорный вентиль, фильтр, блок насосов; система зажигания, включает свечу зажигания, расположенную на головке камеры сгорания, соединенную через кнопку пуск с катушкой зажигания; система измерения включает датчик тяги, установленный под кронштейном, и датчик давления, установленный в камере сгорания.
Новизна заключаются в том, что испытуемый двигатель выполнен разборным и состоит из форсуночной головки, камеры сгорания, реактивного сопла с рубашками охлаждения, подвешен на кронштейне под углом 60° к горизонту, кронштейн закреплен на платформе с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, укрепленной в подшипниках, вес двигателя уравновешивается грузами, которые с помощью троса, перекинутого через блок, связаны с кронштейном, и снабжен системой горючего, системой окислителя, системой охлаждения, системой зажигания, системой измерения, причем система горючего включает бак со спиртом, соединенный с восемью центробежными форсунками в форсуночной головке последовательно через фильтр, отсечной клапан горючего; система окислителя включает баллонную батарею с кислородом, соединенную с многоканальной струйной форсункой в форсуночной головке последовательно через редуктор, отсечной клапан окислителя; система охлаждения включает бак с водой, соединенный с рубашками охлаждения соответственно форсуночной головки, камеры сгорания, реактивного сопла последовательно через запорный вентиль, фильтр, блок насосов; система зажигания, включает свечу зажигания, расположенную на головке камеры сгорания, соединенную через кнопку пуск с катушкой зажигания; система измерения включает датчик тяги, установленный под кронштейном, и датчик давления, установленный в камере сгорания.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства.
Испытуемый двигатель 1 выполнен разборным и состоит из форсуночной головки 2, камеры сгорания 3, реактивного сопла 4 с рубашками охлаждения, Он подвешен на кронштейне 5 под углом 60° к горизонту, а кронштейн 5 закреплен на платформе 6 с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси 7, укрепленной в подшипниках. Вес двигателя 1 уравновешивается грузами 8, которые с помощью троса 9, перекинутого через блок 10, связаны с кронштейном 5. В форсуночной головке 2 шатрового типа установлено восемь центробежных спиртовых форсунок 11, одна многоканальная струйная кислородная форсунка 12 и электроискровая запальная свеча 13. Кроме того, на головке имеются штуцера подвода компонентов топлива, охлаждающей жидкости, датчик давления 14 в камере сгорания 3.
Система горючего испытуемого двигателя 1 включает бак 15 со спиртом, соединенный с восемью центробежными форсунками 11 в форсуночной головке 2 последовательно через фильтр 16, отсечной клапан горючего 17. Система окислителя включает баллонную батарею 18 с кислородом, соединенную с многоканальной струйной форсункой 12 в форсуночной головке 2 последовательно через редуктор 19, отсечной клапан окислителя 20. Система охлаждения включает бак 21 с водой, соединенный с рубашками охлаждения соответственно форсуночной головки 2, камеры сгорания 3, реактивного сопла 4 последовательно через запорный вентиль 22, фильтр 23, блок насосов 24. Система зажигания включает свечу зажигания 13, расположенную на головке камеры сгорания 3, соединенную через кнопку пуск 25 с катушкой зажигания 26. Система измерения включает датчик тяги 27, установленный под кронштейном 5, и датчик давления 14, установленный в камере сгорания 3.
Устройство работает следующим образом.
Закрывают отсечные клапаны окислителя 20 и горючего 17. Настраивают редуктор окислителя 19 на заданное давление. Наддувают бак 15 со спиртом заданным давлением. Открывают запорный вентиль 22, и вода самотеком из бака 21 через фильтр 23 поступает к насосам 24. Включают в работу водяные насосы 24. От первого насоса под давлением вода подается на охлаждения сопла 4, от второго - на охлаждение камеры сгорания 3 и форсуночной головки 2. После охлаждения двигателя 1 нагретая вода сливается в газоотводную трубу и газовой струей сдувается в колодец. Убедившись, что система охлаждения работает нормально, открыть отсечной клапан окислителя 20. Кислород от баллонной батареи 18 через редуктор 19 подается на многоканальную струйную форсунку 12 в форсуночной головке 2. При этом необходимо убедиться, что в системе нет пульсации давления. Открыть отсечной клапан горючего 17. Спирт из бака 15 через фильтр 16 подается на восемь центробежных форсунок 11 в форсуночной головке 2. Одновременно нажать кнопку пуск 25. Воспламенение смеси компонентов топлива происходит посредством электрической искры, которая образуется на свече зажигания 13, расположенной на форсуночной головке 2, при подаче на нее 18000 В с катушки зажигания 26. Запуск двигателя 1 контролируют по появлению пламени из сопла 4. Для стабилизации показаний приборов выдержать двигатель 1 на рабочем режиме в течение 2-3 секунд и подать сигнал замера. Испытания двигателя 1 проводятся при постоянном значении коэффициента избытка окислителя на 4-5 режимах, отличающихся значениями расхода топлива. При каждом запуске после выхода двигателя 1 на режим (3-5 секунд после пуска) записываются показания датчика тяги 27 и датчика давления 14. После окончания измерений выключить двигатель 1, подав команду на закрытие отсечных клапанов и на дренажный клапан бака горючего. Выключить насосы 24 системы охлаждения. Двигатель 1 подвешен на кронштейне 5 под углом 60° к горизонту для предотвращения скопления топлива в нем после выключения и неудачных запусков. Кроме того, в начале и конце опытов регистрируется барометрическое давление.
С помощью тарировочных графиков определяют расходы горючего и окислителя по замеренному давлению в камере сгорания 3. Строят дроссельную (расходную) характеристику ЖРД - зависимость тяги от давления в камере  сгорания или расхода топлива при неизменном давлении окружающей среды и постоянном коэффициенте избытка окислителя.
Предлагаемый маятник существенно расширяет наглядные возможности при изучении процессов, протекающих внутри жидкостных ракетных двигателей, обеспечивает наглядность и возможность наблюдать и экспериментально исследовать дроссельную характеристику ЖРД и при этом вычислить экспериментальное значение уточненной характеристики импульса тяги.