Способ имитации высотных условий при испытании ракетных двигателей
METHOD OF IMITATION OF HIGH-ALTITUDE ENVIRONMENT WHEN TESTING ROCKET ENGINES

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для отработки ракетных двигателей больших тяг с соплами больших степеней расширения.
Продукты сгорания ракетных двигателей с низким значением давления на срезе сопла для испытания в земных условиях необходимо сжать до атмосферного давления. Тем самым имитируются высотные условия, т.е обеспечивается низкое давление вокруг среза сопла. Известны способы имитации высотных условий (см. книгу А.Г. Галеев "Основы устройства испытательных стендов для отработки жидкостных ракетных двигателей и двигательных установок", г. Пересвет Московская область, 2010, раздел 2.3.2 стр. 87-90) с использованием выходных диффузоров (газодинамических труб) и эжекторных установок с устройствами для охлаждения продуктов сгорания или без них. Для питания эжекторных установок в качестве источника эжектирующего газа используют ресиверы со сжатыми газами, парогенераторы, либо ракетные двигатели, тяга которых в несколько раз больше, чем у испытываемого. К недостаткам указанных способов следует отнести большие затраты на генерацию эжектирующего газа.
Известен способ имитации высотных условий, взятый за прототип изобретения, с использованием диффузора, на выходе из которого установлен эжектор и производится впрыск воды (см. рис 3.14 в книге Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1985. - 208 с, ил.). К недостаткам данного способа можно отнести потребность во внешнем источнике парогаза для эжекции продуктов сгорания.
Изобретение направлено на обеспечение имитации высотных условий при испытании ракетных двигателей без необходимости генерации отдельного эжектирующего газа для подачи в эжекторную установку.
Этот результат достигается за счет того, что тепловые, механические и газодинамические нагрузки на сопло создают продукты сгорания ракетного двигателя, которые отводят в атмосферу с использованием выхлопного диффузора и эжекторной установки, при этом продукты сгорания разделяют на части, и для отвода в атмосферу протекающей вдоль стенки сопла части продуктов сгорания, создающей на ней штатные нагрузки, используют выхлопной диффузор и эжектор, а в качестве эжектирующего газа используют большую часть продуктов сгорания самого испытываемого двигателя. Обеспечение более высокого давления эжектирующего газа по сравнению с эжектируемым достигается размещением входа в выхлопной диффузор эжектирующего газа ближе к критическому сечению, что ведет к уменьшению потерь полного давления в нем. Отсутствие (минимизация) влияния разделяющей потоки стенки на штатное течение эжектируемого газа вдоль стенок испытываемого сопла обеспечивается профилированием разделительной стенки по линии тока эжектируемого газа с поправкой на толщину вытеснения пограничного слоя и остротой ее кромки. Отсутствие влияния впрыска воды с целью охлаждения кромки и внутренней поверхности разделительной стенки на состав продуктов сгорания, протекающих вдоль стенки сопла, обеспечивается тем, что впрыскиваемая вода попадает преимущественно в поток эжектирующего газа. Если испытываемое сопло имеет насадок радиационного охлаждения, то приближение лучистого потока внутри сопла к штатному достигается нанесением на наружную поверхность перегородки теплозащитного покрытия, например, на основе двуокиси циркония.
Условием применимости данной схемы является пренебрежимо малое влияние пограничного слоя со стороны разделительной стенки на параметры течения вдоль стенки сопла, чем ограничивается доля эжектирующего газа и степень приближения кромки разделительной стенки к критическому сечению сопла, а, следовательно, давление эжектирующего газа. Тем самым ограничивается степень расширения сопла, которое можно испытать данным способом. Возможность испытания сопел с еще большими степенями расширения достигается тем, что штатные тепловые, механические и газодинамические нагрузки воспроизводят на участке окружности поперечного сечения сопла, а продукты сгорания, истекающие вдоль остальной части сопла и в ядре потока, используют в качестве эжектирующего газа. Поскольку в осесимметричных соплах тепловые, механические и газодинамические нагрузки являются одинаковыми по всей окружности поперечного сечения сопла, либо циклически меняются в соответствии с количеством форсунок, для подтверждения его работоспособности достаточно воспроизвести штатные нагрузки на отдельных участках этой окружности, угловой размер которых превосходит шаг между форсунками.
Данный способ может комбинироваться с другими известными способами имитации высотных условий: многоступенчатое эжектирование (в том числе с использование дополнительных источников эжектирующего газа, расход которого в этом случае существенно уменьшается), охлаждение продуктов сгорания, профилирование и механизация выходного диффузора и др.
Изобретение поясняется чертежом (см. фиг. 1), на котором схематично изображен газодинамический тракт, реализующий заявляемый способ по п. 1 имитации высотных условий при испытании ракетных двигателей. На фиг. 2 изображен газодинамический тракт, реализующий заявляемый способ по п. 2. На фиг. 3 поперечное сечение А-А тракта в месте разделения потоков. На фиг. 4 изображено сечение стенки выхлопного диффузора, прилегающей к стенке сопла.
Продукты сгорания, истекающие из сопла камеры ракетного двигателя 1, разделяют перегородкой 2, которую профилируют по линии тока штатного потока. Продукты сгорания 3, протекающие вдоль этой части сопла, тормозят в выхлопном диффузоре 4 и эжектируют в эжекторе 5 оставшейся большей частью продуктов сгорания, отбираемой из ядра потока, которые тормозят в выхлопном диффузоре 6.
Для сопел с большими степенями расширения (см. фиг. 2) штатные тепловые, механические и газодинамические нагрузки воспроизводят на меньшей части 7 окружности поперечного сечения сопла ракетного двигателя 1. Продукты сгорания 3, протекающие вдоль этой части сопла, тормозят в выхлопном диффузоре 4 и эжектируют в эжекторе 5 оставшейся большей частью продуктов сгорания 11. Для уменьшения потерь полного давления при торможении эти продукты сгорания отбирают в сечении 8 вблизи критического сечения сопла, тормозят в выхлопном диффузоре 6 и подают в коллектор эжектирующего газа 9 эжектора 5. Для обеспечения штатного истечения продуктов сгорания 3 поверхности 10 разделительной стенки 2 профилируют по линии тока штатного потока с поправкой на толщину вытеснения пограничного слоя. Для приближения механических нагрузок на сопло к штатным, давление от продуктов сгорания через полости 12 передается на закрытую от соприкосновения с потоком продуктов сгорания часть сопла.
Уменьшение текущих затрат на проведение испытаний при использовании данного способа по сравнению с известными заключается в отсутствии затрат на генерацию активного газа для эжекторной установки. Так при использовании для этого двигателя большей размерности расход топлива на проведение испытания уменьшается на порядок, что быстро компенсирует дополнительные затраты на воду высокого давления для охлаждения разделительной кромки и несколько более сложную конструкцию газоотводящего тракта. Экономия капитальных затрат связана с отказом от дорогостоящей инфраструктуры производства активного газа. Для высоковакуумных стендов двигателей больших тяг данные капитальные затраты исчисляются миллиардами рублей.