УСТАНОВКА ДЛЯ ГАШЕНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
PLANT FOR DAMPING OF SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE DURING TESTS

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), и предназначено для гашения РДТТ при наземной отработке, в том числе высотных РДТТ при испытании в газодинамических трубах (ГДТ), а также РДТТ специального назначения.
В процессе отработки РДТТ возникает необходимость оценки состояния материальной части РДТТ путем дефектации ее после огневых стендовых испытаний (ОСИ). По результатам дефектации элементов РДТТ (корпуса, сопла) определяются: состояние теплозащитных покрытий, степень уноса, деструкции и разрушения материалов. Однако за период от окончания работы РДТТ до проведения дефектации материалы конструкции подвергаются дополнительным воздействиям, которые обусловлены догоранием остатков твердого топлива в камере сгорания, выравниванием температуры по толщине стенок, взаимодействием с атмосферным кислородом. Выделяемая в этот период теплота вызывает дополнительное коксование теплозащитных материалов, тепловое повреждение силовых элементов конструкции.
Описанные процессы приводят к ошибочной оценке результатов испытаний и надежности работы конструкции РДТТ, что, в свою очередь, может существенно повысить погрешности расчетов удельного импульса тяги, требуемых толщин стенок корпуса и его теплозащиты.
Наиболее эффективным средством фиксации состояния материальной части РДТТ после ОСИ является гашение, при котором происходит быстрое прекращение процессов горения в двигателе и устраняются или минимизируются эффекты последействия.
Известна установка для гашения РДТТ при испытаниях (см. патент РФ №2477810). Установка содержит источник хладагента, соединенное с ним через управляющий клапан устройство подачи хладагента в камеру сгорания.
Недостатком установки является подача хладагента в камеру сгорания через систему узла давления (через штуцер в донной части), использующегося для измерения давления в камере сгорания РДТТ, что изменяет штатную конструкцию РДТТ и является недопустимым при зачетных испытаниях.
Известна установка для испытаний высотных РДТТ (см. патент РФ №2514326), содержащая связанную с системой подачи охлаждающей жидкости полую штангу с форсункой. При этом охлаждающая жидкость подается со стороны сопла РДТТ.
При проведении гашения форсунка находится напротив выходного сечения сопла, что не позволяет создавать зоны распыления охлаждающей жидкости по всей поверхности камеры сгорания РДТТ. Не обеспечивается одно из основных требований при гашении - равномерное охлаждение всей поверхности камеры сгорания РДТТ (см. Конструкция и отработка РДТТ / Под редакцией A.M. Виницкого. - М.: Машиностроение, 1980. - Стр. 117). Кроме того, нахождение форсунки напротив выходного сечения сопла приводит к попаданию струи на элементы сопла в начальный момент подачи охлаждающей жидкости, а как следствие, к механическому и термическому разрушению элементов сопла. В дополнение к указанному выше установка не позволяет проводить гашение РДТТ специального назначения, например с вынесенными сопловыми блоками (см. Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М. Гладков, B.C. Мухаммедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепанов. - М.: НТЦ «Информ-техника», 1993. - Стр. 9-15).
Известна установка для гашения РДТТ при испытаниях, содержащая источник жидкого хладагента, соединенное с ним устройство подачи жидкого хладагента в камеру сгорания через отверстие в корпусе РДТТ (см. Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М. Гладков, B.C. Мухаммедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепанов. - М.: НТЦ «Информ-техника», 1993. - Стр. 69).
В известной установке отверстие в корпусе РДТТ может вскрываться с помощью детонирующего удлиненного заряда (ДУЗ), используемого, например, в системах аварийного выключения двигателя. При этом в качестве устройства подачи жидкого хладагента, например воды, через отверстие в корпусе РДТТ может использоваться штанга-труба с распылительным насадком.
Следует отметить, что использование специальных пиротехнических устройств, в том числе ДУЗ (см. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под редакцией Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - Стр. 169), для вскрытия отверстий в корпусе РДТТ с целью гашения в ряде случаев недопустимо, так как ведет к ударному отслоению теплозащиты, а следовательно, к увеличению погрешности определения состояния и толщины стенок корпуса и теплозащиты.
Также в известной установке для вскрытия отверстия в корпусе РДТТ и подачи жидкого хладагента в камеру сгорания может использоваться кольцевое сверло с отверстиями в стаканообразном корпусе (см. авторское свидетельство СССР №1611595). При этом жидкий хладагент, например вода, в процессе сверления и гашения подается через отверстия в стаканообразном корпусе.
Использование в известной установке кольцевого сверла с отверстиями в качестве распылительного насадка при гашении не обеспечивает подачу жидкого хладагента в виде турбулентных зон распыления, равномерно обволакивающих внутреннюю поверхность камеры сгорания, включая труднодоступные участки, что ведет к неравномерному охлаждению. Неравномерность охлаждения обусловлена в том числе тем, что высверленный участок оболочки корпуса РДТТ из полимерных композиционных материалов остается внутри стаканообразного корпуса кольцевого сверла, перекрывает ряд отверстий и препятствует подаче жидкого хладагента в процессе гашения. Особенно большая неравномерность охлаждения камеры сгорания РДТТ характерна для двигателей, сопла которых вдвинуты в камеру сгорания (см. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под редакцией Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - Стр. 44).
Кроме того, установка не позволяет регулировать порционную подачу жидкого хладагента перекрытием всех отверстий кольцевого сверла в процессе гашения с возможностью полного испарения жидкого хладагента для исключения его скопления в нижней части корпуса РДТТ (см. Конструкция и отработка РДТТ. / Под редакцией A.M. Виницкого. - М.: Машиностроение, 1980. - Стр. 118).
Таким образом, в известной установке не представляется возможным проведение эффективного гашения двигателя и получение с требуемой точностью информации о состоянии материальной части и работоспособности РДТТ.
Технической задачей данного изобретения является обеспечение эффективного гашения РДТТ, в том числе высотных РДТТ при испытаниях в газодинамических трубах (ГДТ), а также РДТТ специального назначения, например с вынесенными сопловыми блоками.
Технический результат достигается тем, что в установке для гашения ракетного двигателя твердого топлива при испытаниях, содержащей источник жидкого хладагента, соединенное с ним через трубопровод и управляющий клапан кольцевое сверло с отверстиями в стаканообразном корпусе, закрепленное в механизме привода вращения и подачи кольцевого сверла, внутри стаканообразного корпуса размещен подпружиненный поршень с возможностью перекрытия отверстий при перемещении, а на поршне установлены толкатели с осевыми отверстиями, при этом в отверстиях стенок стаканообразного корпуса и толкателях размещены форсунки.
Форсунки могут быть поворотными.
В стаканообразном корпусе кольцевого сверла может быть соосно установлено центрирующее сверло.
Размещение внутри стаканообразного корпуса кольцевого сверла подпружиненного поршня с возможностью перекрытия отверстий при перемещении, а на поршне установка толкателей с осевыми отверстиями, при этом размещение в отверстиях стенок стаканообразного корпуса кольцевого сверла и толкателях форсунок, обеспечивает подачу жидкого хладагента в виде турбулентных зон распыления, равномерно обволакивающих внутреннюю поверхность камеры сгорания, включая труднодоступные участки, и обеспечивает регулируемую порционную подачу жидкого хладагента с возможностью его полного испарения для исключения скопления в нижней части корпуса РДТТ.
При этом в зависимости от цикла выполнения гашения поршень находится в соответствующих положениях относительно перекрываемых отверстий в стаканообразном корпусе кольцевого сверла и толкателях:
- при сверлении отверстия в корпусе РДТТ поршень находится в положении когда открыты осевые отверстия в толкателе для охлаждения кольцевого сверла;
- при гашении поршень находится в положении, когда открыты все отверстия, а высверленный участок оболочки корпуса РДТТ из полимерных композиционных материалов вытолкнут из стаканообразного корпуса кольцевого сопла. Открытие всех отверстий с одновременным вращением кольцевого сверла позволяет форсункам создавать турбулентные зоны распыления жидкого хладагента по всей поверхности камеры сгорания РДТТ, включая труднодоступные участки. При этом форсунки, установленные в различных отверстиях стаканообразного корпуса и толкателях, имеют величину расхода в зависимости от требуемой интенсивности охлаждения, что позволяет выполнять равномерное охлаждение всей поверхности камеры сгорания РДТТ;
- в интервалах прекращения подачи жидкого хладагента поршень находится в положении, когда все отверстия закрыты, что обеспечивает полное испарение жидкого хладагента и исключает его скопление в нижней части корпуса РДТТ.
Поворотные форсунки позволяют проводить настройку направления струй с целью уравнивания интенсивности охлаждения по всей поверхности камеры сгорания при гашении РДТТ различных конструкций.
Размещение центрирующего сверла соосно кольцевому уменьшает время вскрытия отверстия, в том числе в корпусах РДТТ из полимерных композиционных материалов различной конфигурации.
Разработанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения является новой и позволяет получить требуемый технический результат.
На фиг. 1 показан общий вид установки гашения РДТТ перед ОСИ в ГДТ.
На фиг. 2 показан вид А фиг. 1.
На фиг. 3 показан вид Б фиг. 2.
На фиг. 4 показан общий вид установки гашения РДТТ при ОСИ в ГДТ в процессе вскрытия отверстия в корпусе РДТТ.
На фиг. 5 показан вид В фиг. 4.
На фиг. 6 показан общий вид установки гашения РДТТ при ОСИ в ГДТ в процессе гашения.
На фиг. 7 показан вид Г фиг. 6.
Установка для гашения РДТТ, в том числе камеры сгорания 1 и сопла 2 при ОСИ в ГДТ 3 имеет источник жидкого хладагента 4. Источник жидкого хладагента соединен трубопроводом 5 через управляющий клапан 6 и отверстие 7 в днище стаканообразного корпуса кольцевого сверла 8 с полостью 9, выполняющей функции коллектора раздачи жидкого хладагента. У режущих кромок 10 кольцевого сверла 8 выполнены дренажные окна 11 для выхода жидкого хладагента при сверлении корпуса 12 РДТТ из полимерных композиционных материалов. В стенках стаканообразного корпуса кольцевого сверла 8 выполнены отверстия 13, в которых установлены форсунки 14. Внутри стаканообразного корпуса кольцевого сверла 8 (в полости 9) размещен подпружиненный поршень 15. На поршне установлены толкатели 16 с осевыми отверстиями 17, а в отверстиях размещены форсунки 18. Хвостовик 19 стаканообразного корпуса кольцевого сверла 8 закреплен в механизме 20 привода вращения и подачи кольцевого сверла 8. Давление в камере сгорания РДТТ контролируется датчиком давления 21.
Форсунки 14, 18 могут быть выполнены поворотными с втулками регулирования 22.
В стаканообразном корпусе кольцевого сопла 8 может быть соосно размещено центрирующее сверло 23, при этом хвостовик центрирующего сверла закреплен в опоре 24.
Работа установки гашения заключается в следующем.
До начала ОСИ механизм 20 привода вращения и подачи кольцевого сверла 8 ориентируется относительно корпуса 12 РДТТ с возможностью вскрытия в нем отверстия для гашения. В момент спада давления в камере сгорания по датчику давления 21 до заданной величины начала гашения подается сигнал на включение механизма 20 привода углового вращения и подачи кольцевого сверла 8, начинается сверление корпуса 12 РДТТ. Одновременно подается сигнал на управляющий клапан 6 для подачи жидкого хладагента с целью охлаждения кольцевого сверла 8 и центрирующего сверла 23. При этом давление жидкого хладагента, задаваемое управляющим клапаном 6, соответствует перемещению подпружиненного поршня 15 с открытием осевых отверстий 17 в толкателях 16. Жидкий хладагент через отверстие 7 в днище стаканообразного корпуса и отверстия 17 в толкателях 16 поступает на охлаждение режущих кромок 10 кольцевого сверла 8 и центрирующего сверла 23, а затем удаляется из зоны сверления через дренажные окна 11. При этом отверстия 13 в корпусе кольцевого сверла 8 закрыты. Центрирующее сверло 23 выполняет роль направляющей опоры, что позволяет увеличить подачу кольцевого сверла 8 и уменьшить время вскрытия отверстия, в том числе в корпусах РДТТ из полимерных композиционных материалов различной конфигурации. При этом высверленный участок корпуса 12 РДТТ размещается в стаканообразном корпусе кольцевого сверла 8.
По окончании сверления кольцевое сверло 8 перемещается в полость камеры сгорания 1 на глубину длины кольцевого сверла, продольная подача сверла прекращается, а вращение продолжается. На управляющий клапан 6 подается сигнал на увеличение давления подачи жидкого хладагента с целью гашения РДТТ, давление в полости 9 возрастает. При этом поршень 15 с толкателями 16 перемещается и выталкивает из стаканообразного корпуса кольцевого сверла 8 участок высверленного корпуса 12 РДТТ, открываются форсунки 18, установленные на толкателях 16. Дальнейшее перемещение поршня последовательно открывает поступление жидкого хладагента ко всем отверстиям 13, в которых установлены форсунки 14.
За счет вращения кольцевого сверла 8 распыленные струи жидкого хладагента на выходе из форсунок 14, 18 имеют дополнительные составляющие окружных скоростей, что обеспечивает отклонение результирующего вектора скорости и винтовое движение струй жидкого хладагента. Образующиеся турбулентные зоны распыления покрывают, в том числе, труднодоступные участки, находящиеся за выступами конструктивных элементов с наветренной стороны относительно результирующего вектора скорости струй жидкого хладагента. В дальнейшем выполняется реверс вращения кольцевого сверла 8, а распыленные струи соответственно достигают труднодоступные участки, находящиеся ранее (при предыдущем направлении вращения) с подветренной стороны.
Перед каждым реверсом вращения кольцевого сверла 8 на управляющий клапан 6 подается сигнал на сброс давления с целью прекращения подачи жидкого хладагента в камеру сгорания 1 РДТТ. При этом поршень 15 под действием пружины перемещается и перекрывает все отверстия 13 и 17 подачи жидкого хладагента. Далее подается сигнал на выключение механизма 20 привода углового вращения кольцевого сверла 8.
За время до подачи сигнала на очередное включение механизма 20 привода углового вращения кольцевого сверла 8 и подачи жидкого хладагента в камеру сгорания 1 происходит ее полное испарение и исключается скопление жидкого хладагента в нижней части корпуса 12 РДТТ.
В конечном итоге обеспечивается подача жидкого хладагента в виде турбулентных зон распыления, равномерно обволакивающих внутреннюю поверхность камеры сгорания, включая труднодоступные участки. При этом результирующие векторы скоростей струй жидкого хладагента при вращении кольцевого сверла 8 направлены под углом к оси сопла 2, что исключает их прямое попадание на элементы соплового блока. Образующаяся парогазовая смесь отводится через сопло 2 РДТТ, обеспечивая более «мягкий» режим охлаждения элементов соплового блока.
В предлагаемой установке в качестве жидкого хладагента может использоваться вода, являющаяся эффективным, недорогим и общедоступным хладагентом.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет получить эффективное гашение РДТТ подачей жидкого хладагента через отверстие в корпусе РДТТ (см. Конструкция и отработка РДТТ / Под редакцией A.M. Виницкого. - М.: Машиностроение, 1980. - Стр. 117). Эффективное гашение обеспечивает получение достоверности информации о состоянии материальной части, в том числе высотных РДТТ при испытании в ГДТ, а также РДТТ специального назначения.