ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ ОТСЛОЕНИЙ
SOLID FUEL JET ENGINE WITH SEPARATION CONTROL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, в частности к способам обеспечения непрерывного контроля состояния твердотопливных зарядов ракетных двигателей. Актуальность данного изобретения определяется необходимостью обоснованного продления сроков эксплуатации твердотопливных двигателей, а также недостаточной степени исследования длительной прочности вязкоупругих конструкций при сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС) и воздействием факторов внешней среды в процессе эксплуатации.
Предпосылки создания изобретения
В настоящее время важным вопросом исследований остается определение реальных сроков эксплуатации твердотопливных двигателей. При воздействии различных эксплуатационных нагрузок на корпус двигателя со стороны заряда действуют напряжения как по границе скрепления «защитный слой - заряд», так и по границе скрепления «защитный слой - корпус», приводящие к возникновению отслоений в зонах контакта. При воспламенении топлива в зоне отслоений возникают нерасчетные давления, что, как правило, приводит к дальнейшему росту площади отслоений. Заряды при этом проявляют нестабильное горение. Эти аномалии могут приводить к прорыву фронта горения, прожигу защитного слоя и корпуса и последующему разрушению двигательной установки. Прочность скрепления заряда с защитным слоем, состоящим из теплозащитного покрытия (ТЗП) и защитно-крепящего слоя (ЗКС), также подвержена изменению с течением времени [3]. Кроме того, из-за конструктивных особенностей современных двигательных установок возможные отслоения трудно обнаружить существующими методами неразрушающего контроля, особенно, если они имеют небольшие размеры или расположены в области переднего и заднего днищ. Препарация двигателя, с целью поиска и обнаружения отслоений, приводит к нецелесообразности его дальнейшей эксплуатации.
Для определения действительного состояния твердотопливных зарядов, находящихся в эксплуатации, необходимо не только использовать гипотезы, определяющие на длительное время те или иные закономерности поведения вязкоупругих конструкций, но и осуществлять прямые наблюдения за фактическим состоянием заряда в течение эксплуатации с использованием современных подходов к системам контроля технического состояния.
Известен магнитоиндукционный датчик (патент RU 2122742 от 27.11.1998), который характеризуется возбуждением от постоянных магнитов. Датчик содержит индукционный элемент и кольцевой постоянный магнит.
Известен корпус ракетного двигателя с системой сбора информации (патент RU 2492339 от 10.09.2013), определяющий общий принцип контроля и локализации внешнего воздействия и изменения состояния двигательной установки.
Известно устройство, предназначенное для измерения деформаций в зарядах твердотопливных ракетных двигателей (патент US 2014/0130480 от 15.05.2014). Причиной, препятствующей получению данным устройством технического результата, который обеспечивается предлагаемым техническим решением, является то, что детектируемый элемент размещается в ракетном двигателе на поверхности ЗКС в зонах раскрепления торцов заряда (патент US 2014/0130480 фиг. 8B), обеспечивающих изменение существующего зазора между корпусом и зарядом при воздействии эксплуатационных нагрузок. Данный подход не направлен на обеспечение контроля отслоений заряда и защитного слоя, как в зонах перехода раскрепленной части заряда в скрепленную (зонах соединения раскрепляющей манжеты с корпусом, являющихся концентраторами напряжений), так и контактирующей поверхности цилиндрической части заряда твердотопливного двигателя.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка твердотопливного двигателя с системой контроля отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус», с минимальным воздействием на механические, баллистические и физико-химические свойства материалов двигателя. Техническим результатом изобретения является:
непрерывный контроль возникающих в ходе эксплуатации отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус» твердотопливного двигателя;
оценка возможности успешного выполнения задач твердотопливными двигателями, находящимися в эксплуатации;
накопление статистической информации о формоизменении внешней поверхности заряда в процессе эксплуатации.
Заявлен твердотопливный ракетный двигатель, показанный схематично на фиг. 1 и фиг. 2, с композитным корпусом 1 и защитным слоем 4, состоящим из ТЗП и ЗКС, раскрепленный для снижения уровня напряжений, возникающих при эксплуатации со стороны переднего и заднего торцов, при помощи манжет 5, снабженный системой контроля отслоений. Данная система состоит из системы датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла 2, детектируемой системы в виде группы неодимовых магнитных элементов 3, а также электронно-вычислительной машины (ЭВМ) 6. Группа неодимовых магнитных элементов размещается на поверхности ЗКС, после нанесения клеевого состава, до начала процесса заливки топливной массы в корпус двигательной установки. Монтаж датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла осуществляется на поверхности корпуса твердотопливного двигателя с применением клеевого способа соединения или точечной сварки, соосно с неодимовыми магнитными элементами. Линии магнитного поля должны быть при этом перпендикулярны плоской поверхности датчика. Выбор количества расположения датчиков и детектируемых элементов зависит от массово-габаритных характеристик двигателя и основывается на том, что получаемые данные должны давать возможность максимально контролировать состояние заряда, быть достаточными для оценки площади поверхности отслоений, а также не нарушать адгезионных свойств защитно-крепящего слоя.
Предлагаемое изобретение отличается от известных технических решений тем, что детектируемая группа неодимовых магнитных элементов размещается на ЗКС в зонах вершин раскрепляющих манжет днищ корпуса двигателя, являющихся зонами перехода раскрепленной части заряда в скрепленную, а также в средней по длине части твердотопливного заряда.
Заявленный технический результат достигается тем, что температурный диапазон стабильной работы датчиков Холла составляет -25°С…+80°С. Датчик не требует дополнительной температурной стабилизации, так как изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды на 1°С составляет всего 0,02% [1]. Конструкция датчика позволяет легко размещать его на корпусе твердотопливного двигателя. Датчик не требует постоянного профилактического обслуживания, его легко монтировать и демонтировать. Неодимовые магниты также обладают высокой устойчивостью к размагничиванию в течение длительных сроков эксплуатации. Система датчиков магнитного поля соединена с ЭВМ, позволяющей обрабатывать, анализировать и обобщать снимаемую информацию.
Действие твердотопливного двигателя с системой контроля отслоений заключается в следующем: ЭВМ производит непрерывный опрос системы датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла, путем отслеживания величины индуктивности магнитного поля неодимовых магнитов. При возникновении отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус» происходит изменение положения неодимовых магнитных элементов в пространстве, вследствие чего изменяется величина индуктивности магнитного поля. Датчики магнитного поля регистрируют данное изменение, ЭВМ производит обработку и последующее сравнение полученного результата с эталонным значением. При использовании математических расчетов ЭВМ детектирует, локализует и определяет суммарную площадь отслоения. Кроме того, ЭВМ производит обобщение и накопление полученных результатов, что позволяет отслеживать динамику формоизменения внешней поверхности заряда и получать статистическую информацию о характере данного изменения.
Таким образом, положительный эффект твердотопливного ракетного двигателя с системой контроля отслоений заключается:
в обеспечении непрерывного контроля наличия отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус» в зонах концентрации напряжений, не поддающихся современным методам неразрушающего контроля;
в невысокой стоимости предлагаемого изобретения, так как его составные части просты в изготовлении и освоены отечественной промышленностью;
в сохранении конструктивной целостности твердотопливного двигателя при выявлении отслоений.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 2. – М.: 2002. - 691 с.
2. Воробей В.В. Основы технологии и проектирование корпусов ракетных двигателей - Н.: Наука, 2003. - 164 с.
3. Яскин А.В. Конструкции и отработка ракетных двигателей на твердом топливе. Алт. гос. Техн. университет, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 200 с.