БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к средствам обучения и может быть использована в учебном процессе для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива с уточнением влияния геометрических характеристик сопла на тягу ракетного двигателя.
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 твердого топлива и невозможностью проводить анализ путей увеличения его тяги.
Задачей полезной модели является расширение наглядных возможностей при изучении процессов, протекающих внутри ракетного двигателя твердого топлива, за счет реализации исследования влияния геометрических характеристик сопла на тягу ракетного двигателя.
Техническим результатом является возможность экспериментального исследования влияния геометрических характеристик сопла, или степени его расширения, на тягу ракетного двигателя.
Сущность полезной модели заключается в том, что в баллистическом маятнике для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива, содержащем 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, дорожку, металлический штифт, прикрепленный к платформе, металлический штифт выполнен в виде капсулы, внутри которой расположен подпружиненный кусок мела, расширяющаяся часть сопла испытуемого двигателя выполнена телескопической в виде трехзвенного металлического стакана и снабжена приспособлениями для фиксации звеньев, каждое приспособление установлено в продольной горизонтальной плоскости симметрии сопла и прикреплено одним концом на внешней стороне заднего днища двигателя, а другим на наружной стороне наибольшего из звеньев, и выполнено в виде двух тяг, связанных между собой муфтой с резьбой.
Новизна заключаются в том, что металлический штифт выполнен в виде капсулы, внутри которой расположен подпружиненный кусок мела, расширяющаяся часть сопла испытуемого двигателя выполнена телескопической в виде трехзвенного металлического стакана и снабжена приспособлениями для фиксации звеньев, каждое приспособление установлено в продольной горизонтальной плоскости симметрии сопла и прикреплено одним концом на внешней стороне заднего днища двигателя, а другим на наружной стороне наибольшего из звеньев, и выполнено в виде двух тяг, связанных между собой муфтой с резьбой.
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, на фиг. 2 изображена работа телескопического стакана расширяющейся части сопла 4.
Испытуемый двигатель 1,выполненный из корпуса 2, с размещенным внутри зарядом твердого топлива 3, с закрепленным на заднем днище двигателя соплом 4, прикреплен к массивной платформе 5. Платформа 5 через тонкие тросы 6 укреплена с возможностью свободного вращения на горизонтальной оси 7, закрепленную в подшипниках с установленным датчиком угла поворота 8. К корпусу 2 испытуемого двигателя 1 крепится датчик давления 9. Датчики угла поворота 8 и давления 9 связаны с блоком регистрирующей аппаратуры (на фиг. не показана). К платформе 5 прикреплен металлический штифт 10, выполненный в виде капсулы 11, внутри которой расположен подпружиненный кусок мела 12, упирающийся в дорожку 13, закрепленную на основании 14.
Расширяющаяся часть сопла 4 испытуемого двигателя 1 выполнена телескопической в виде трехзвенного металлического стакана 15, на наружной стороне наибольшего из звеньев закреплены бобышки 16. Расширяющаяся часть сопла 4 снабжена приспособлениями 17 для фиксации звеньев металлического стакана 15 сопла 4, установленными в его продольной горизонтальной плоскости симметрии. Каждое приспособление 17 выполнено в виде двух тяг 18, прикрепленных одним концом на внешней стороне заднего днища двигателя 1 и на наружной стороне наибольшего из звеньев на бобышках 16, а другими с резьбой входят в муфту 19 посредством резьбы.
Устройство работает следующим образом.
Один конец каждой из двух тяг 18 приспособлений 17 закрепляют на внешней стороне заднего днища двигателя 1. Один конец каждой из двух других тяг 18 фиксируют на наружной стороне наибольшего из звеньев на бобышках 16 и вращением муфты 19 посредством резьбы жестко фиксируют расширяющуюся часть сопла 4 с минимальной длиной сопла и площадью поперечного сечения на выходе.
Подают питание на воспламенительное устройство испытуемого двигателя 1. Воспламеняется заряд твердого топлива 3, возникающая тяга толкает массивную платформу 5, которая на тонких тросах 6 свободно вращается на горизонтальной оси 7, угол поворота которой фиксируется датчиком угла поворота 8. При этом происходит замер угла поворота и давления в испытуемом двигателе 1 и регистрация блоком аппаратуры, а также подпружиненный кусок мела 12, упирающийся в дорожку 13, закрепленную на основании 14, оставит след.
При достаточно малом времени горения заряда угловое отклонение маятника пропорционально полному импульсу реактивной силы.
Из курса ракетных двигателей известна формула тяги
a
a
а
н
где Р - тяга ракетного двигателя,  - секундный массовый расход продуктов сгорания, W - скорость истечения продуктов сгорания на срезе сопла, F - площадь поперечного сечения среза сопла, р - давление продуктов сгорания на срезе сопла, р - атмосферное давление.
Изменяя площадь поперечного сечения среза сопла, экспериментально исследуют влияния геометрических характеристик сопла, или степени его расширения, на тягу ракетного двигателя.
Для этого фиксируют расширяющуюся часть сопла 4 со средней длиной сопла и своей площадью поперечного сечения на выходе. Запускают испытуемый двигатель 1.
При этом происходит замер и регистрация блоком аппаратуры угла поворота и давления в испытуемом двигателе 1, а также длины следа на дорожке 13 основания 14.
Фиксируют расширяющуюся часть сопла 4 с максимальной длиной сопла и своей площадью поперечного сечения на выходе. Запускают испытуемый двигатель 1.
Кроме уточненной характеристики импульса тяги при изучении процессов, протекающих внутри ракетного двигателя твердого топлива, баллистический маятник дает возможность экспериментального исследования влияния геометрических характеристик сопла на тягу ракетного двигателя. Изменяя длину сопла и площадь поперечного сечения на выходе при постоянном давлении в камере сгорания, экспериментально определяют по углу поворота и длине следа куска мела 12 на дорожке 13 основания 14 изменение величины тяги испытуемого двигателя 1.
Предлагаемый маятник существенно расширяет наглядные возможности при изучении процессов, протекающих внутри твердотопливных зарядов, обеспечивает наглядность и возможность наблюдать и проводить анализ путей увеличения его тяги, а также экспериментально исследовать влияния геометрических характеристик сопла, или степени его расширения, на тягу ракетного двигателя и при этом вычислить экспериментальное значение уточненной характеристики импульса тяги.