Стенд для высотных испытаний ракетных двигателей
STAND FOR ALTITUDE TESTS OF ROCKET ENGINES

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей с имитацией высотных условий.
Для имитации высотных условий при испытаниях ракетных двигателей широко применяются стенды с выхлопными диффузорами, которые также называют газодинамическими трубами.
Известен стенд, использующий охлаждающий тракт, представляющий собой кольцевое пространство между наружной оболочкой и внутренней стенкой диффузора (Лорен И. Буллингер, Мартин Голдсмит, Алексис В. Леммон. Исследование ракетных двигателей на жидком топливе. Перевод с английского под ред. В.А. Ильинского. М.: Издательство МИР, 1964. Стр. 45, фиг. 27). Вода для охлаждения подается в каждый тракт через четыре сопла с обоих концов секции выхлопного диффузора и отводится через одно выпускное отверстие, расположенное в верхней части посередине секции.
Недостатком данного стенда является громоздкая и конструктивно сложная трубопроводная система подачи и отвода воды, которая к тому же не обеспечивает равномерного охлаждения огневой стенки.
Известен стенд, использующий проточную систему охлаждения, где канал охлаждающего тракта образован внутренним пространством между внутренней и наружной стенками (Центр испытаний ракетных двигателей в Носиро (Япония): Обзор // Вопросы Ракетной Техники. 1974. №9. Стр. 67-70, фиг. 4). Внутри тракта охлаждения протекает вода, которая поступает и отводится через входные и выходные отверстия, расположенные в нижней части диффузора.
Недостатком данного стенда является неравномерное течение в охлаждающем тракте, что приводит к ухудшению теплосъема с горячей стенки и вынуждает значительно увеличивать расход воды для обеспечения работоспособности конструкции. Также к недостатку данного стенда относится конструкция отвода воды из выходной секции системы охлаждения, где рабочая жидкость отводится либо через трубопроводную систему, которая влечет за собой усложнение конструкции, либо в атмосферу, не выполняя при этом никакой полезной функции.
Известен стенд для высотных испытаний ракетных двигателей, содержащий барокамеру и выхлопной диффузор, цилиндрическая секция которого включает две торцевые, внешнюю и внутреннюю стенки, образующие кольцевое пространство рубашечной системы охлаждения (Центр испытаний ракетных двигателей в Носиро (Япония): Обзор // Вопросы Ракетной Техники. 1974. №9. Стр. 67-70, фиг. 8; прототип). Внутри тракта охлаждения протекает вода, которая циркулирует через входное (расположенное в нижней части выхлопного диффузора) и выходное (расположенное в верхней части выхлопного диффузора) отверстия водяной системы охлаждения.
Недостатком данного стенда является неравномерное течение и, следовательно, охлаждение в районе выходного коллектора, несмотря на использование спиральных ребер на внутренней стенке. Данный недостаток связан с тем, что вода со всей рубашки охлаждения собирается в одну трубу, что и приводит к неравномерному течению в рубашке охлаждения вблизи выходного коллектора.
Общим недостатком испытательных стендов, использующих способ проточного (рубашечного) охлаждения, является необходимость организовывать отвод или слив рабочей жидкости из системы охлаждения с помощью сети трубопроводов. При организации системы отвода через трубопроводы увеличивается масса и стоимость конструкции, а также возрастает сложность монтажа и демонтажа при проведении испытаний. При организации слива в сторону от выхлопного диффузора рабочая жидкость выходит в окружающую среду, не выполняя никакой полезной функции. Другим недостатком является неравномерное течение в тракте рубашки охлаждения, что, в свою очередь, приводит к неравномерному охлаждению конструкции диффузора. Даже при установленных спиральных ребрах, в зоне близкой, к выходному коллектору, возможно формирование существенного неравномерного течения, ухудшающего теплосъем с охлаждаемой поверхности, что может привести к возникновению зон с пристеночным кипением. С целью ликвидации зон с высокой температурой в рубашечной системе охлаждения увеличивают расход рабочей жидкости, который может на порядок превышать расход топлива.
Задачей изобретения является обеспечение равномерного и эффективного охлаждения стенок выходной секции выхлопного диффузора на выходе из рубашечной системы охлаждения без увеличения потребного расхода рабочей жидкости.
Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения стенок выходной секции выхлопного диффузора на выходе из рубашечной системы охлаждения, за счет организации равномерного течения в рубашечной системе охлаждения и слива рабочей жидкости через заднюю торцевую стенку выходной секции за срез выхлопного диффузора.
Технический результат достигается тем, что в стенде для высотных испытаний ракетных двигателей, содержащем барокамеру и выхлопной диффузор с выходной секцией, включающей две торцевые, внешнюю и внутреннюю стенки, образующие кольцевое пространство рубашечной системы охлаждения, равномерно по периметру задней торцевой стенки выполнены элементы, обеспечивающие выход рабочей жидкости из рубашечной системы охлаждения за срез выхлопного диффузора. Элементы выхода рабочей жидкости могут быть выполнены в виде отверстий или распылительных форсунок.
Равномерное расположение элементов, обеспечивающих выход рабочей жидкости за срез выхлопного диффузора, на задней торцевой стенке выходной секции выхлопного диффузора позволяет организовать равномерное течение в тракте рубашечной системы охлаждения. Данное решение обеспечит лучшее охлаждение внутренней стенки выходной секции выхлопного диффузора при меньшем расходе рабочей жидкости через проточный тракт. Сброс рабочей жидкости в атмосферу за срез выхлопного диффузора дополнительно позволяет добиться обеспечения экологической защиты путем создания охлаждающей завесы из струй рабочей жидкости и ее паров за выхлопным диффузором. К улучшению свойств экологической защиты попутно относится снижение шумовых характеристик от струи продуктов сгорания ракетного двигателя за счет снижения пульсаций мелкомасштабных турбулентных вихрей в струе. Если в качестве рабочей жидкости применять воду, которая чаще всего используется в качестве охладителя, то это позволит также обеспечить осаждение как кислотных остатков из струи продуктов сгорания, так и пылевых частиц.
Выполнение элементов, обеспечивающих выход рабочей жидкости из рубашечной системы охлаждения за срез выхлопного диффузора в виде распылительных форсунок, равномерно расположенных по периметру задней торцевой стенки, позволяет регулировать направление и угол распыления сливаемой жидкости из рубашечной системы охлаждения. Использование такого подхода повышает эффективность конструкции выходной секции выхлопного диффузора и обеспечивает равномерный теплосъем с горячей стенки при испытании различных ракетных двигателей.
Выбор конфигурации испытательного стенда и газового тракта выхлопного диффузора напрямую зависит от конструкции сопла и режима работы двигателя. Выхлопной диффузор может содержать различные системы охлаждения, иметь цилиндрический или конические газовые тракты, состоять из нескольких элементов и т.д.
Предлагаемый стенд включает охлаждающий тракт рубашечной системы охлаждения, представляющий собой кольцевое пространство между двумя торцевыми, внутренней и внешней стенками выхлопного диффузора (рубашка охлаждения). На задней торцевой стенке выходной секции выхлопного диффузора выполнены элементы, обеспечивающие выход рабочей жидкости из рубашечной системы охлаждения за срез выхлопного диффузора.
На фигуре 1 представлен один из вариантов конструкции стенда для высотных испытаний с барокамерой 1 и выхлопным диффузором 2, который содержит входную секцию 3 в виде конфузора с внутренней системой охлаждения 4, центральную цилиндрическую секцию 5 с рубашечной системой охлаждения 6 и выходную коническую секцию 7 с рубашечной системой охлаждения 8.
На фигуре 2 представлена схема проточного тракта рубашечной системы охлаждения 8, образованного двумя торцевыми 9 и 10, внешней 11 и внутренней 12 стенками. На задней торцевой стенке 10 расположены элементы выхода рабочей жидкости 13 из рубашечной системы охлаждения 8 за срез выхлопного диффузора 2.
На фигуре 3 представлена схема части выходной секции с элементами выхода рабочей жидкости 13, выполненными в виде круглых отверстий 14.
На фигуре 4 представлена схема части выходной секции, где круглые отверстия 14 равномерно расположены по периметру задней торцевой стенки 10.
На фигуре 5 представлена схема части выходной секции с элементами выхода рабочей жидкости 13, выполненными в виде форсунок 15, установленных в отверстиях 16.
Работа устройства заключается в следующем. В рубашечную систему охлаждения 8 подается рабочая жидкость, которая перемещается в проточном тракте, обеспечивая охлаждение внутренней стенки 12 выхлопного диффузора 2. Достигая торцевой стенки 10, через элементы 13 рабочая жидкость сбрасывается в атмосферу по направлению течения продуктов сгорания ракетного двигателя с одновременным формированием равномерного течения на выходе из рубашечной системы охлаждения 8. В результате выхода частиц воды за срез выхлопного диффузора в атмосферу, струя продуктов сгорания, выходящая из выхлопного диффузора, увлекает эти частицы за собой. По мере увлечения частиц воды протекает процесс парообразования, а также формирования парогазовой смеси вокруг струи продуктов сгорания. Данные процессы препятствуют распространению вредных веществ, содержащихся в продуктах сгорания, в атмосферу, понижают температуру струи продуктов сгорания и обеспечивают снижение ее шумовых характеристик за выхлопным диффузором 2.
Предлагаемый стенд обеспечивает высокоэффективное охлаждение стенок выходной секции за счет формирования равномерного течения рабочей жидкости вдоль горячей стенки выхлопного диффузора рубашечной системы охлаждения. Другим положительным эффектом является экологическая защита, которая обеспечивается за счет орошения струи продуктов сгорания ракетного двигателя за срезом выхлопного диффузора рабочей жидкостью из системы рубашечного охлаждения. Дополнительно облегчается сборка и эксплуатация стенда путем исключения сложной трубопроводной системы, которая используется для отвода воды.