УСТАНОВКА ДЛЯ ГАШЕНИЯ РАБОТАЮЩЕГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ
PLANT FOR DAMPING OPERATING SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE WHEN BEING TESTED IN GAS-DYNAMIC PIPE

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 газодинамических трубах (ГДТ).
В процессе отработки РДТТ возникает необходимость оценки состояния материальной части РДТТ путем дефектации ее после огневых стендовых испытаний. 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 огневых стендовых испытаний 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 А.М. Виницкого. М.: Машиностроение, 1980. - Стр. 117), которые содержат устройства подачи хладагента (например, воды) компактной струей или распылением. При этом хладагент подается со стороны сопла РДТТ. Недостатком установки является ее большая инерционность задействования при отработке РДТТ в газодинамической трубе (ГДТ), обусловленная перемещением элементов устройства внутри ГДТ с целью подачи хладагента со стороны сопла, что приводит к увеличению периода гашения и эффектов последействия.
Известна установка для гашения работающего РДТТ при испытаниях (см. патент РФ на изобретение №2477810). Установка содержит источник хладагента, соединенное с ним через управляющий клапан устройство подачи хладагента в камеру сгорания.
Недостатком устройства 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. Кроме того, 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.
Технической задачей данного изобретения является получение достоверной информации о состоянии материальной части РДТТ, в том числе без изменения штатной конструкции РДТТ при испытании в ГДТ.
Технический результат достигается тем, что в установке для гашения работающего РДТТ при испытаниях в газодинамической трубе, содержащей источник хладагента, соединенное с ним через управляющий клапан устройство подачи хладагента в камеру сгорания, в газодинамической трубе за срезом сопла размещен инжектор, а перед инжектором установлены форсунки, соединенные с источником хладагента через управляющий клапан, срабатывающий при достижении заданного давления в камере сгорания, кроме того, устройство подачи хладагента в камеру сгорания снабжено вскрывающим элементом, выполненным в виде цилиндра, внутри которого размещен полый поршень с коническим штоком, а в штоке выполнены каналы, подающие хладагент, причем на корпусе цилиндра установлен пиропатрон.
Размещение в газодинамической трубе за срезом сопла инжектора, а перед инжектором - форсунок, соединенных с источником хладагента через управляющий клапан, срабатывающий при достижении заданного давления в камере сгорания, обеспечивает изоляцию сопла и камеры сгорания от взаимодействия с атмосферным кислородом, а также подачу хладагента в камеру сгорания со стороны сопла в начальный момент гашения, что позволяет минимизировать время гашения РДТТ.
Снабжение устройства подачи хладагента в камеру сгорания вскрывающим элементом, выполненным в виде цилиндра, внутри которого размещен полый поршень с коническим штоком, а в штоке выполнены каналы, подающие хладагент (причем на корпусе цилиндра установлен пиропатрон), обеспечивает быстродействие по вскрытию оболочки корпуса РДТТ из полимерных композиционных материалов и интенсивное гашение и охлаждение РДТТ без каких-либо изменений его конструкции.
Таким образом, обеспечивается достоверность информации о состоянии материальной части РДТТ без изменения штатной конструкции РДТТ при испытании в ГДТ.
Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения является новой и позволяет получить достоверную информацию о состоянии материальной части РДТТ без изменения штатной конструкции РДТТ при испытании в газодинамической трубе (ГДТ) на момент окончания работы РДТТ, в том числе с корпусами из полимерных композиционных материалов.
На фиг. 1 показана схема размещения элементов установки.
На фиг. 2 показана конструктивная схема устройства подачи хладагента в камеру сгорания с вскрывающим элементом.
Установка для гашения имеет источник хладагента 1. Источник хладагента соединен трубопроводом 2 через управляющий клапан 3 с устройством 4 подачи хладагента в камеру сгорания РДТТ 5 при испытании в газодинамической трубе 6. Исполнительным элементом устройства 4 подачи хладагента в камеру сгорания может быть обратный клапан 7. В газодинамической трубе за срезом сопла РДТТ размещен инжектор 8 с клапаном 9. Перед инжектором установлены форсунки 10, соединенные с источником хладагента 1 через управляющий клапан 3, срабатывающий при достижении заданного давления в камере сгорания.
Устройство 4 подачи хладагента в камеру сгорания снабжено вскрывающим элементом, выполненным в виде цилиндра 11, внутри которого размещен полый поршень 12 с коническим штоком. В штоке выполнены каналы 13, подающие хладагент. На корпусе цилиндра 11 установлен пиропатрон 14. Вскрывающий элемент предназначен для пробоя оболочки 15 корпуса РДТТ с целью подачи хладагента для гашения. Давление в камере сгорания РДТТ контролируется датчиком давления 16.
Работа установки гашения заключается в следующем.
В период начала спада давления в камере сгорания РДТТ 5 (окончание установившегося режима) открывается клапан 9 подачи рабочего тела инжектора (например, перегретого пара) и включается инжектор 8. При давлении на срезе сопла инжектора 8 больше давления на срезе сопла двигателя струя, истекающая из инжектора, расширяется, а поток, истекающий из сопла двигателя, сужается. В процессе дальнейшего падения давления в камере сгорания (период выключения двигателя) поток, истекающий из двигателя, продолжает сужаться, а струя инжектора 8 - расширяться. Тем самым обеспечивается начальное охлаждение испытуемого двигателя без доступа воздуха.
В момент спада давления в камере по датчику давления 16 до заданной величины начала гашения подается сигнал на открытие управляющего клапана 3 и на пиропатрон 14. За счет срабатывания пиропатрона создается давление в полости цилиндра 11, а поршень 12 перемещается в цилиндре и пробивает коническим штоком оболочку 15 корпуса РДТТ из полимерных композиционных материалов. Движение поршня ограничивается задней стенкой цилиндра. При этом ход поршня (длина конического штока) и расстояние от цилиндра 11 до оболочки 15 корпуса РДТТ выбираются такими, чтобы на момент полного выдвижения штока  выполненные в нем каналы 13 находились внутри корпуса РДТТ.
Через открытый управляющий клапан 3 хладагент (например, газообразный азот) по трубопроводу 2 подается через форсунки 10 в область между соплом и струей инжектора 8, а через обратный клапан 7 и каналы 13 - в камеру сгорания. Для эффективного применения вскрывающего устройства его необходимо размещать у переднего днища РДТТ.
В этом случае хладагент, подаваемый в область переднего днища, охлаждает внутреннюю поверхность корпуса, включая район заднего днища, и выходит через сопло. При этом 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 хладагента (например, газообразного азота) из области за срезом сопла в камеру сгорания РДТТ, что интенсифицирует процесс гашения и уменьшает эффекты последействия.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет получить эффективное гашение в сочетании с быстродействием выполнения требований к условиям охлаждения РДТТ (см. Конструкция и отработка РДТТ. Под редакцией А.М. Виницкого. М.: Машиностроение, 1980. - Стр. 117). Анализ состояния матчасти корпуса, поврежденной вскрытием для гашения, проводится путем переноса результатов анализа состояния аналогичных частей корпуса без повреждений. Погрешность такого анализа невелика из-за малой площади повреждения части корпуса.
Быстрое и эффективное гашение РДТТ обеспечивает получение достоверности информации о состоянии материальной части, в том числе без изменения штатной конструкции РДТТ при испытании в ГДТ.