УСТАНОВКА ДЛЯ ГАШЕНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
APPARATUS FOR DAMPING SOLID PROPELLANT ROCKET ENGINE DURING TESTS

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), и предназначено для гашения РДТТ при наземной отработке, в том числе РДТТ большого удлинения, а также высотных РДТТ при испытании в газодинамических трубах (ГДТ).
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.
Известны установки гашения (см. Конструкция и отработка РДТТ / Под редакцией A.M. Виницкого. - М.: Машиностроение, 1980. - Стр. 117), которые содержат устройства подачи воды компактной струей, например, с помощью обычных брандспойтов. При этом хладагент (вода) подается со стороны сопла РДТТ.
В этом случае поверхность РДТТ охлаждается неравномерно, возможно механическое и термическое разрушение как теплоемких элементов сопла, так и деструктированных слоев теплозащитного покрытия из-за высокой кинетической энергии струи.
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 также установка для испытаний высотных РДТТ (см. патент РФ №2514326), являющаяся ближайшим аналогом предлагаемого изобретения. Составной частью данной установки является установка гашения, содержащая связанную с системой подачи охлаждающей жидкости полую штангу с форсункой.
При проведении гашения форсунка находится напротив выходного сечения сопла, что не позволяет создавать зоны распыления охлаждающей жидкости вдоль камеры РДТТ, включая труднодоступные участки. 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, 118). Особенно большая неравномерность охлаждение камеры сгорания РДТТ в этом случае характерна для двигателей большого удлинения. Кроме того, нахождение форсунки напротив выходного сечения сопла не позволяет выполнить еще одно из основных требований - охлаждение элементов соплового аппарата должно быть менее интенсивным, чем охлаждение облицовок камеры сгорания РДТТ.
Следует отметить, что в начальный момент гашения РДТТ падение давления в камере сгорания за счет снижения температуры продуктов сгорания опережает рост давления за счет прихода массы хладагента, вследствие чего наблюдается подсос окружающего воздуха в камеру сгорания РДТТ во время гашения, процессы горения интенсифицируются, а эффекты последействия возрастают.
Таким образом, в известной установке не представляется возможным проведение эффективного охлаждения двигателя и получение с требуемой точностью информации о состоянии материальной части и работоспособности РДТТ.
Технической задачей данного изобретения является получение достоверной информации на момент окончания работы РДТТ о состоянии материальной части и работоспособности РДТТ, в том числе РДТТ большого удлинения, а также высотных РДТТ при испытании в газодинамических трубах (ГДТ).
Технический результат достигается тем, что в установке для гашения ракетного двигателя твердого топлива при испытаниях, содержащей связанную с системой подачи охлаждающей жидкости полую штангу с форсункой, между полой штангой с форсункой и системой подачи охлаждающей жидкости размещены телескопически сочлененные между собой полые поршни, при этом у юбки каждого поршня установлен коллектор перетекания охлаждающей жидкости, а у днища каждого поршня выполнены радиальные каналы, соединяющие полость поршня в его выдвинутом положении с коллектором перетекания охлаждающей жидкости смежного поршня, при этом по периметру коллекторов перетекания охлаждающей жидкости установлены форсунки. На полом поршне может быть установлен центрирующий механизм, выполненный в виде поворотных стержней с фиксаторами начального и конечного положений.
Размещение между полой штангой с форсункой и системой подачи охлаждающей жидкости телескопически сочлененных между собой полых поршней, при этом у юбки каждого поршня установлен коллектор перетекания охлаждающей жидкости, а у днища каждого поршня выполнены радиальные каналы, соединяющие полость поршня в его выдвинутом положении с коллектором перетекания охлаждающей жидкости смежного поршня, при этом по периметру коллекторов перетекания охлаждающей жидкости установлены форсунки, обеспечивает последовательную раздвижку полых поршней и создание нескольких зон распыления охладителя вдоль удлиненной камеры сгорания и элементов соплового аппарата РДТТ. При этом форсунки, установленные на различных коллекторах перетекания охлаждающей жидкости, имеют величину расхода в зависимости от требуемой интенсивности охлаждения, что позволяет выполнять равномерное охлаждение всей поверхности камеры сгорания удлиненного РДТТ, включая труднодоступные участки, а также менее интенсивное охлаждение элементов соплового блока РДТТ.
Следует отметить, что реакция опоры, а как следствие и трение при выдвижении поршней, зависит от длины телескопически сочлененных между собой полых поршней при их консольном расположении. При этом последовательная раздвижка поршней обеспечивает уменьшение длины консоли выдвигаемой части телескопически сочлененных между собой полых поршней, трение на выдвижение каждого последующего поршня уменьшается, что положительно сказывается на динамике - время раздвижки уменьшается.
Кроме того, при ОСИ высотных РДТТ в газодинамических трубах (ГДТ) дополнительные зоны распыления могут создаваться вдоль ГДТ соответствующими форсунками, располагающимися при выдвинутом положении поршней в ГДТ. При этом распыление охлаждающей жидкости (например, воды) на нагретые стенки диффузора ГДТ создает паровую завесу, исключающую подсос окружающего воздуха в камеру сгорания РДТТ во время гашения. В этом случае в камеру РДТТ подсасывается водяной пар, тем самым предотвращается интенсификация процессов горения, а эффекты последействия уменьшаются. Подсос наблюдается в начальный момент гашения, когда падение давления в камере сгорания за счет снижения температуры продуктов сгорания опережает рост давления за счет прихода массы охлаждающей жидкости.
Установка на полом поршне центрирующего механизма, выполненного в виде поворотных стержней с фиксаторами начального и конечного положения, позволяет проводить испытания в ГДТ большой длины. При этом центрирующий механизм обеспечивает соосное расположение телескопически сочлененных между собой полых поршней относительно ГДТ и РДТТ и тем самым требуемое расположение форсунок для эффективного гашения высотных РДТТ.
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 удлиненного РДТТ.
На фиг. 2 показан вид А фиг. 1.
На фиг. 3 показан общий установки гашения РДТТ в раздвинутом положении при ОСИ удлиненного РДТТ.
На фиг. 4 показан вид Б фиг. 3.
На фиг. 5 показан общий вид установки гашения РДТТ перед ОСИ в ГДТ.
На фиг. 6 показан вид В фиг. 5.
На фиг. 7 показан общий вид установки гашения РДТТ в раздвинутом положении при ОСИ в ГДТ.
На фиг. 8 показан вид Г фиг. 7.
На фиг. 9 показано сечение Α-A фиг. 7.
Установка для гашения РДТТ содержит полую штангу 1 с форсункой. Между полой штангой 1 с форсункой и системой 2 подачи охлаждающей жидкости размещены телескопически сочлененные между собой полые поршни 3. У юбки 4 (направляющей части) каждого поршня установлен коллектор 5 перетекания охлаждающей жидкости, а у днища каждого поршня выполнены радиальные каналы 6, соединяющие полость поршня 3 в его выдвинутом положении с коллектором 5 перетекания охлаждающей жидкости смежного поршня 3. По периметру коллекторов 5 перетекания охлаждающей жидкости установлены форсунки 7 с возможностью размещения при гашении соответственно в камере сгорания 8 и у сопла 9 РДТТ, а при ОСИ в ГДТ с возможностью размещения при гашении и в диффузоре 10 ГДТ.
При испытании в ГДТ на полом поршне 3 может быть установлен центрирующий механизм 11, выполненный в виде поворотных стержней 12 с фиксаторами 13 начального положения и фиксаторами 14 конечного положения.
Работа установки гашения заключается в следующем.
При работе РДТТ установка для гашения РДТТ находится вне зоны высокотемпературной газовой струи. По окончании работы РДТТ из системы подачи 2 охлаждающая жидкость (например, вода) под давлением поступает в полость первого поршня 3 ряда телескопически сочлененных между собой полых поршней 3. Раздвижка поршней 3 относительно друг друга происходит поочередно и обусловлена тем, что охлаждающая жидкость из каждого предыдущего поршня 3 через полость коллектора 5 поступает в полость последующего поршня 3 через радиальные каналы 6 при крайнем выдвинутом положении поршня, когда радиальные каналы 6 совмещаются с коллектором 5. Последней выдвигается полая штанга 1 с форсункой. Соответственно по мере выдвижения поршней и заполнения охлаждающей жидкостью коллекторов 5 начинают поочередно работать форсунки 7. При этом каждая из форсунок располагается в требуемой зоне распыления и обеспечивает необходимый расход охлаждающей жидкости. Таким образом, обеспечивается равномерное охлаждение всей поверхности камеры сгорания удлиненного РДТТ, включая труднодоступные участки, а также менее интенсивное охлаждение элементов соплового блока РДТТ - выполняются основные требований к условиям охлаждения РДТТ.
При гашении высотных РДТТ в газодинамических трубах (ГДТ) некоторые коллекторы 5 располагаются в диффузоре ГДТ, а соответствующие форсунки 7 создают дополнительные зоны распыления охлаждающей жидкости вдоль ГДТ. На стенках диффузора 10, нагретых в процессе ОСИ, происходит испарение охлаждающей жидкости, что создает паровую завесу, исключающую подсос окружающего воздуха через ГДТ в камеру сгорания РДТТ во время гашения.
В ГДТ большой длины при раздвижке поршней 3 происходит раскрытие в рабочее положение центрирующего механизма 11 - поворотные стержни 12 выходят из зацепления с фиксаторами начального положения 13 и поворачиваются до упора в фиксаторы конечного положения 14. В процессе дальнейшей раздвижки поршней 3 центрирующий механизм 11 заходит первоначально в направляющий конический участок, а затем в цилиндрический участок диффузора 10 и располагается в цилиндрическом участке диффузора 10 при выдвинутом положении поршней 3. При этом поворотные стержни 12 выполняют функцию опор, обеспечивающих соосное расположение телескопически сочлененных между собой полых поршней 3 с ГДТ и РДТТ и требуемое расположение форсунок 7 для эффективного гашения высотных РДТТ.
Эффективное гашение РДТТ обеспечивает получение достоверной информации о состоянии материальной части, в том числе удлиненных РДТТ и высотных РДТТ при испытании в ГДТ.