СТАПЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОЙ СИЛЫ ТЯГИ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
RACK FOR MEASUREMENT OF AXIAL FORCE OF ROCKET ENGINE TRACTION

Изобретение относится к области испытаний ракетных двигателей, а именно к стапелям для измерения осевой силы тяги ракетных двигателей.
Сила тяги ракетных двигателей является одной из главных характеристик, определяемых при огневых стендовых испытаниях. Для испытаний с замером силы тяги используются специальные стапели. Известен стапель подвесного типа (см. Конструкция и отработка РДТТ. Под редакцией A.M. Виницкого. М.: Машиностроение, 1980. - Рис. 7.6 на стр. 104). В таком стапеле ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) устанавливается на платформе, которая фиксируется в силовой раме регулировочными устройствами, включающими измерительные преобразователи осевой силы, боковых сил, креновых моментов. Недостатком стапеля является наличие взаимовлияния измерительных звеньев, сложность эксплуатации в части центрирования двигателя, возможность ухода начальных координат двигателя при его работе под действием радиационного нагрева, эжекции, что в конечном итоге не позволяет измерить осевую силу тяги с достаточной точностью.
Известен стапель кареточного типа (см. Конструкция и отработка РДТТ. Под редакцией А.М. Виницкого. М.: Машиностроение, 1980. - Рис. 7.4 на стр. 102). Стапель содержит неподвижную силовую раму, подвижную часть с опорами качения в виде кареток, узлами крепления РДТТ, переходником (поддоном) и измерительным преобразователем силы. Подвижная часть может передвигаться только в продольном направлении, за счет чего исключается влияние боковых усилий на точность измерения осевой силы тяги.
В качестве измерительных преобразователей силы могут использоваться тензорезисторные преобразователи, нашедшие широкое применение в практике стендовых испытаний РДТТ (см. Конструкция и отработка РДТТ. Под редакцией A.M. Виницкого. М.: Машиностроение, 1980. - Рис. 8.10 на стр. 128). Для крепления преобразователя служит хвостовик, при этом необходимо выполнение следующих требований по совмещению оси преобразователя с осью действия силы тяги (осью сопла, двигателя):
- параллельное смещение не более 1 мм;
- угловое смещение не более 1°.
В варианте использования двух преобразователей один из них крепится хвостовиком в гнездо опорного узла оснастки, а второй к опорной плите стенда.
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
Такое крепление преобразователей (к разнесенным друг от друга деталям, узлам) не защищает от перекоса и смещения опорных поверхностей, не позволяет выполнить вышеуказанные требования по их расположению относительно оси действия силы тяги. Однако использование более одного преобразователя является предпочтительным, поскольку позволяет увеличить точность измерений в
раз, где n - число преобразователей (см. Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе. Под редакцией Л.Н. Лаврова. М.: Машиностроение, 1993. - Стр. 194).
Кроме того, при проведении огневых стендовых испытаний в результате динамического изменения силы при переходных режимах работы двигателя, а также изменении силы тяги при испытании РДТТ с изменяемой величиной силы тяги, в процессе работы в системе опорная плита стенда - преобразователи силы - испытуемый двигатель возбуждаются механические колебания.
Инерционные перегрузки, возникающие при колебаниях, передаются на преобразователи силы и воспринимаются ими, складываясь с измеряемой силой тяги, картина процесса искажается. Однако используемая конструкция крепления хвостовика к гнезду опорного узла оснастки или опорной плите стенда не обеспечивает затухание амплитуды колебаний в системе опорная плита стенда - преобразователи силы - испытуемый двигатель.
Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерений осевой силы тяги при стендовых испытаниях ракетных двигателей.
Технический результат достигается тем, что в стапеле для измерения осевой силы тяги ракетного двигателя, содержащем неподвижную раму, подвижную часть с узлами крепления двигателя, переходник и преобразователи силы, на переходнике установлен опорный полый стакан, внутри которого размещен полый поршень, а внутри полого поршня на упругих мембранах установлена втулка, при этом преобразователи силы закреплены на втулке соосно. В опорном полом стакане может быть соосно установлено несколько полых поршней.
Закрепление преобразователей силы на втулке соосно, а втулки - соосно стакану, защищает от перекоса и смещения опорных поверхностей и осей преобразователей силы, в том числе при сжатии их чувствительных элементов при работе двигателя, обеспечиваются требования по совмещению оси преобразователя с осью действия силы тяги (осью сопла, двигателя).
Установка втулки с преобразователями силы на мембранах внутри поршня с возможностью перемещения поршня внутри опорного стакана способствует быстрому затуханию и уменьшению амплитуды колебаний в системе опорная плита стенда - преобразователи силы - опорный стакан - испытуемый двигатель.
В этом процессе мембрана, являясь гибким элементом, уменьшает динамические воздействия на чувствительные элементы преобразователей силы, а полый поршень, перемещаясь, выполняет роль фрикционного амортизатора за счет трения о стенки стакана и способствует гашению колебаний.
Таким образом, обеспечивается получение информации с достаточной точностью без искажения картины процесса инерционными перегрузками, возникающими на переходных режимах работы двигателя, в том числе при изменении силы тяги в процессе испытаний РДТТ с программно изменяемой величиной силы тяги.
Использование последовательно соединенных преобразователей силы обеспечивает увеличение не только точности измерений, но и надежности получения информации (см. Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе. Под редакцией Л.Н. Лаврова. М.: Машиностроение, 1993 - Стр. 194).
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения является новой и позволяет повысить точность измерений осевой силы тяги и надежность получения информации при стендовых испытаниях ракетных двигателей, в том числе при испытании РДТТ с программно изменяемой величиной силы тяги.
На фиг. 1 показан общий вид стапеля. На фиг. 2 показана часть стапеля с преобразователями силы.
Стапель имеет неподвижную раму с опорами 1. На раме на опорах качения, например роликах, установлена подвижная часть стапеля 2 с возможностью продольного перемещения. Для уменьшения силы трения вместо опор качения могут быть установлены гидро- или аэростатические опоры. На подвижной части стапеля закреплен испытываемый ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) 3 с переходником (поддоном) 4. На торце переходника 4 установлен опорный стакан 5, внутри которого размещен полый поршень 6. Внутри полого поршня 6 на упругих мембранах 7, например тонких металлических дисках с прорезями, установлена втулка 8. В резьбовых отверстиях втулки соосно закреплены измерительные преобразователи силы 9 и 10, например, тензорезисторные. Преобразователь силы 9 упирается в опорную плиту 11 испытательного стенда, а преобразователь силы 10 опирается в дно опорного стакана 5.
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
Последовательное соединение преобразователей силы 9, 10 повышает точность измерений в
раз (n - число преобразователей) и увеличивает надежность получения информации.
Тяга, создаваемая испытываемым РДТТ 3, передается через переходник 4 на дно опорного стакана 5. Через дно опорного стакана 5 тяга передается на преобразователи силы 10 и 9, соединенные втулкой 8 и воспринимается опорной плитой 11 испытательного стенда. В процессе измерения тяги чувствительные элементы преобразователей силы 10 и 9 подвергаются сжатию, что приводит к их перемещению, при этом упругие мембраны 7 прогибаются. При определенных величинах усилия прогиба мембран, превышающего силу трения полого поршня об опорный стакан, происходит перемещение полого поршня 6 вдоль опорного стакана 5, при этом упругие мембраны 7 восстанавливают свое первоначальное положение относительно полого поршня 6. Параметры упругих мембран (зависят от характеристик материала и конструкции мембран) выбираются таким образом, чтобы величины нагрузок, вызывающих их максимальный прогиб до начала перемещения поршня, не выходили за пределы погрешности средств тарировок преобразователей силы и не влияли на точность измерения.
Большая жесткость упругих мембран в поперечном направлении позволяет удерживать преобразователи силы на их рабочей оси, совпадающей с осью действия тяги РДТТ, за счет чего отсутствуют перекосы чувствительных элементов преобразователей силы, и обеспечивается требуемая точность измерений.
На переходных режимах работы РДТТ 3 в результате динамического изменения силы тяги в системе опорная плита 11 испытательного стенда - преобразователи силы 9, 10 - опорный стакан - испытуемый двигатель 3 возбуждаются механические колебания. В этом процессе мембрана 7, являясь гибким элементом, уменьшает динамические воздействия на чувствительные элементы преобразователей силы 9, 10, а полый поршень 6, перемещаясь, выполняет роль фрикционного амортизатора за счет трения о стенки опорного стакана 5 и способствует гашению колебаний.
При испытании РДТТ с многоступенчатыми режимами тяги внутри опорного стакана 5 может быть размещено несколько полых поршней 6, внутри каждого из которых на упругих мембранах 7, например тонких металлических дисках с прорезями, установлена втулка 8 с соосно закрепленными преобразователями силы 9 и 10. Наилучший результат достигается, когда замеряемая осевая сила тяги на каждом из многоступенчатых режимов тяги равна номинальному значению преобразователей силы, используемых для этого замера и установленных на одной из втулок 8.
Таким образом, предлагаемый стапель позволяет повысить точность измерений осевой силы тяги и надежность получения информации при стендовых испытаниях РДТТ, в том числе РДТТ с многоступенчатыми режимами тяги.