УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА МОДЕЛЯХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАРТОВОГО СООРУЖЕНИЯ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ СТЕНДЕ С МОДЕЛЬНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ

Предложение относится к области экспериментальной аэрогазодинамики и может быть использовано при газодинамических испытаниях моделей стартовых сооружений и их элементов в газодинамических стендах.
Известны газодинамические стенды для измерения газодинамических нагрузок на моделях стартовых сооружений (СС) и стартующих ракет-носителей - РН (Б.А. Землянский и др. «Методология исследований аэротермодинамики и тепловых режимов в обеспечение отработки изделий ракетно-космической техники», Методологические основы научных исследований при обосновании направлений космической деятельности, облика перспективных космических комплексов и систем и их научно-технического сопровождения, М., Изд.-торг.корпорация «Дашков и Ко» т. 4, 2016, с. 179-187, 370 - ISBN 978-5-394-02604-1), содержащие модель кормовой части РН с модельной двигательной установкой (МДУ) РН, модель СС, механизм изменения взаимного положения моделей РН и СС и средства измерений параметров при испытаниях, включая многокомпонентные тензометрические динамометры (тензовесы).
Их недостатком является невысокая точность определения газодинамических нагрузок на элементы стартового сооружения (ЭСС) вследствие сложности происходящих процессов и конструктивных особенностей измерительных устройств стендов.
Известно устройство для измерения газодинамических нагрузок на моделях СС и их элементах в газодинамических стендах с МДУ (Е. Czajkowski. TsNIIMash AeroGasdynamics Center, Complex of Gasdynamic Units and Test Rigs. «Russian Aeronautical Test Facilities», ANSER Center for International Aerospace Cooperation, Arlington, VA, 1994, p. 43-45), являющееся наиболее близким аналогом к заявляемому предложению и выбранное в качестве прототипа, содержащее многокомпонентные тензометрические динамометры (тензовесы - ТВ). ТВ установлены в корпусе модели СС и соединены своей метрической частью с испытываемым ЭСС.
Недостатком этого устройства также является сложность обеспечения требуемой точности измерений суммарных силомоментных газодинамических нагрузок на ЭСС. Это в значительной степени связано с особенностями взаимодействия испытываемых ЭСС со струйным неоднородным потоком МДУ газодинамического стенда, вызывающего вибрации и тряску элементов модели и ТВ, и особенностями используемых средств измерений - шестикомпонентных ТВ, погрешности измерения которых связаны с взаимным влиянием не измеряемых компонентов нагрузки на показания измеряемых ТВ компонентов.
Задачей, на решение которой направлено данное предложение, является повышение точности измерений при определении нагрузок на ЭСС.
Технический результат, который достигается данным предложением, заключается в создании условий обеспечения повышенной точности измерения суммарных силомоментных нагрузок на ЭСС при испытаниях в газодинамических стендах.
Этот результат достигается тем, что в устройстве для измерения газодинамических нагрузок на моделях ЭСС в газодинамическом стенде с МДУ, содержащем многокомпонентные тензометрические динамометры (тензовесы), установленные в корпусе модели СС и соединенные каждый своей метрической частью с соответствующим испытываемым ЭСС, соединение ЭСС с метрической частью ТВ осуществлено посредством введенных адаптеров, изолированных от контакта с корпусом модели, при этом указанные адаптеры и ТВ изолированы от воздействия струй МДУ стенда стенками корпуса модели, а ТВ ориентированы по направлению ожидаемых положений центра давления указанных струй на соответствующих ЭСС.
Техническая сущность предложения заключается в обеспечении снижения влияния моментных нагрузок на результаты измерений.
Предложение поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично показан вид устройства для измерения газодинамических нагрузок на моделях элементов стартового сооружения и измерительная система координат ТВ с компонентами измеряемой газодинамической нагрузки. На фиг. 2 представлен вид модели стартового сооружения с ЭСС в виде площадки обслуживания РН и модель кормовой части стартующей РН со струей МДУ, а на фиг. 3 - общий вид газодинамического стенда с моделями РН и СС.
Предложенное устройство включает шестикомпонентные тензовесы 1, выполненные в виде консольной балки, в теле которой сформированы ориентированные требуемым образом по отношению к продольной оси ТВ упругие измерительные элементы с соответственно размещенными на них тензорезистивными преобразователями, соединенными в измерительные схемы, подключенные к измерительной аппаратуре для регистрации компонент силы и момента в ортогональной системе координат, связанной с ТВ.
Хвостовик ТВ 1 закреплен в полости корпуса модели 2. Метрическая (измерительная) часть ТВ посредством адаптера 3 - переходника соответствующей конфигурации, прочности и жесткости, размещенного внутри корпуса 2, - соединена с ЭСС 4 (например, в виде поворотной площадки обслуживания РН), фиксируемого с помощью узла 5 в требуемом положении относительно корпуса модели. Указанные ТВ 1 и адаптер 3 защищены от воздействия струи 6 МДУ 7 соответствующими стенками корпуса 2. Адаптер 3 и узел фиксации 5 ЭСС 4 не имеют контакта с корпусом модели 2.
В принятой системе координат (фиг. 1) компонента продольной силы X ориентирована по продольной оси ТВ, компонента нормальной силы Y - по направлению струи МДУ (фиг. 2) и перпендикулярна к плоскости фиг. 1. Боковая сила Z ориентирована перпендикулярно обеим компонентам X и Y. Компоненты моментов крена Мх, рыскания My и тангажа Mz действуют вокруг соответствующих осей. Начало измерительной системы координат находится в принятой для ТВ так называемой «моментной точке» (Мт) на корпусе ТВ, относительно которой измеряются величины компонент момента.
Модельная двигательная установка 7 обеспечивает требуемое по условиям испытаний воспроизведение струй ДУ РН, взаимодействующих со стартовым сооружением, как одиночной струи (из одного сопла), так и многоблочной (из блока сопел), как «холодной» - от обычного источника сжатого воздуха, так и «горячей» - в виде продуктов сгорания жидкого или твердого топлива в камере МДУ. В соответствии с условиями испытаний кормовая часть корпуса МДУ 7, взаимодействующая с отраженными от стартового сооружения струями, может быть выполнена по форме кормовой части РН.
Корпуса моделей РН (МДУ) 7 и СС 2 (с ЭСС 4) установлены на подвижных траверсах 8 программно-управляемого механизма газодинамического стенда (фиг. 3) для изменения их взаимного положения в продольном и поперечном направлениях при требуемой взаимной угловой ориентации моделей.
Стенд оснащен не показанными на фигурах датчиками положения корпуса модели СС относительно корпуса МДУ и датчиками параметров струи (полного и статического давления, температуры и т.п.), соответственно связанными с имеющейся в составе устройства измерительной аппаратурой.
При сборке модели 2 производят крепление каждых ТВ 1 (в случае измерений на нескольких ЭСС 4) в полости корпуса модели, обеспечивая совмещение их продольной оси с направлением на предполагаемое в данных испытаниях положение центра давления - ц.д. соответствующего ЭСС 4 (точки приложения к ЭСС равнодействующей силы) при наикратчайшем расстоянии «моментной точки» ТВ от этого центра давления. С помощью адаптеров 3 необходимого размера и формы и узлов 5, обеспечивающих требуемые положения ЭСС относительно корпуса модели, каждый из ЭСС 4 соединяют с метрической частью соответствующих ТВ. При этом обеспечивают изолирование ТВ и адаптеров 3 от прямого воздействия струй 6 МДУ и отсутствие контакта адаптеров 3 и узлов 5 со стенками корпуса модели 2, в том числе - при нагружениях ЭСС.
Перед началом испытаний корпуса моделей ДУ РН 7 и СС 2 устанавливают на соответствующих траверсах механизма 8, ориентируя указанные модели относительно друг друга, согласно программе испытаний.
Далее производят запуск МДУ 7 и программу относительных перемещений моделей РН 7 и СС 2, реализуемую с помощью механизмов и траверс 8. Одновременно запускают систему регистрации измеряемых параметров. Струя МДУ 6 воздействует на модель СС 2 и ее элементы 4. Действующая газодинамическая нагрузка от струи, через узел 5 и адаптер 3 передается на ТВ 1. При этом упругие элементы компонент ТВ деформируются, вызывая соответствующее сжатие-растяжение размещенных на этих элементах тензорезистивных преобразователей и появление соответствующих сигналов на выходе измерительных схем компонент нагрузки.
Зарегистрированные сигналы компонент ТВ и рассчитанные по ним величины компонент продольной X, нормальной Y и боковой Z сил и моментов крена Мх, рыскания My и тангажа Mz (с учетом их взаимного влияния, характеристики которого определяют при предварительной калибровке ТВ) позволяют по известным зависимостям определить мгновенные значения величины равнодействующей газодинамической силы  ее направление и координаты центра давления (точки приложения силы R к ЭСС относительно моментной точки Мт ТВ) для соответствующих положений струи МДУ (ракеты - носителя) относительно модели СС и ЭСС. Полученные данные путем пересчета позволяют определять другие требуемые характеристики нагружения элементов стартового сооружения (например, величины силовых и моментных нагрузок в месте присоединения ЭСС к корпусу СС).
Возможность установки многокомпонентного тензометрического динамометра (ТВ) при его ориентации по кратчайшему расстоянию на ожидаемое положение центра давления на ЭСС, обеспеченная введением соответствующего адаптера, соединяющего метрическую часть ТВ и «взвешиваемый» ЭСС, позволяет за счет уменьшения плеч действия уменьшить величины действующих на ТВ моментов крена, рыскания и тангажа от равнодействующей силы, в значительной степени искажающих показания компонентов ТВ. Существенное снижение паразитных нагрузок на измерительные компоненты ТВ обеспечивает условия для измерения с повышенной точностью параметров газодинамического силомоментного нагружения исследуемых ЭСС. Уменьшение величин действующих моментов также способствует снижению уровня вибраций и тряски ЭСС и ТВ, что также улучшает условия проведения измерений.