СПОСОБ ГАШЕНИЯ РАБОТАЮЩЕГО РДТТ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DAMPING OF OPERATING SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE DURING TESTS, AND PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области ракетной и измерительной техники и может быть использовано для гашения ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) при отработке и наземных испытаниях.
При отработке и наземных испытаниях РДТТ оценивается не только выполнение заданных параметров, но и состояние материальной части конструкции при воздействии на нее продуктов сгорания твердого топлива. Состояние внутренних поверхностей камеры сгорания РДТТ контролируется, как правило, после окончания его работы через определенный промежуток времени, который зависит от требований безопасности проведения испытаний и продолжительности операций демонтажа двигателя со стенда и его разборки. В отдельных случаях элементы РДТТ (корпус, крышки, сопла) для исследования разрезают на фрагменты. Состояние материальной части в этот момент существенно отличается от ее состояния в момент окончания работы РДТТ. Эта разница особенно заметна у двигателей, в конструкциях которых имеются теплозащитные покрытия и эрозионностойкие материалы. За период от окончания работы РДТТ до проведения инструментального контроля состояния теплозащитных и эрозионностойких материалов последние подвергаются дополнительным воздействиям, которые обусловлены догоранием остатков твердого топлива в камере сгорания, выравниванием температуры по толщине стенок, взаимодействием с атмосферным кислородом, пиролизными газами. Выделяемая в этот период теплота вызывает дополнительное коксование теплозащитных материалов, тепловое повреждение силовых элементов конструкции, изменение химического состава части остатков конденсированных продуктов сгорания. Так, после проведения испытаний в ряде случаев наблюдалось образование мельчайших отверстий на сопловой крышке, растрескивание сопловых вкладышей, нарушение целостности уплотнительных колец и другие дефекты.
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 (ОСИ) является организация гашения, при котором происходит быстрое прекращение процессов горения в двигателе, и устраняются или минимизируются эффекты последействия. К основным методам гашения РДТТ относятся: прекращение процесса горения заряда за счет вскрытия дополнительной площади истечения продуктов сгорания, что обеспечивает резкий спад давления; активное воздействие на процесс горения с помощью жидких, газообразных и порошкообразных гасящих веществ (хладагентов); изоляция от окружающей атмосферы объема камеры сгорания с помощью заглушек или инертной завесы; различные механические воздействия на двигатель, приводящие к отделению кокса от теплозащитных материалов. Из анализа вышеперечисленных методов следует отметить, что установка заглушек возможна только после окончания работы двигателя и определяется временем возможного подхода обслуживающего персонала к двигателю, а за это время процессы последействия практически заканчиваются и необходимая информация искажается или теряется совсем. Среди методов с использованием механического воздействия известны отделение кокса за счет микровзрыва в камере сгорания, проворачивание, обстукивание.
Наиболее значимый практический интерес представляет метод гашения двигателя, заключающийся в активном воздействии на процесс горения с помощью хладагентов. Основным способом подачи хладагента является принудительная подача хладагентов компактной струей в камеру сгорания через сопло или штуцер в корпусе.
Формирование компактной струи возможно с помощью различных установок и устройств. Часто используют имеющуюся на стенде стационарную водную систему пожаротушения. После окончания испытаний вода из шланга подается в камеру сгорания через критическое сечение сопла или отверстие в корпусе, вскрываемое предварительно системой аварийного выключения двигателя. Обычно вода заливается до уровня критического сечения сопла. Причем при горизонтальном расположении двигателя верхняя часть стенки камеры сгорания охлаждается только парами воды (Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М.Гладков, B.C.Мухаммедов, Е.Л.Валуев, В.И.Черепанов, Москва, 1993, стр.69). Но описанный способ небезопасен, так как из сопла периодически происходит выброс парогазовой смеси.
Существуют способы гашения работающего РДТТ при испытаниях, основанные на подаче хладагента в камеру сгорания испытуемого РДТТ через отверстия, специально предназначенные для этого, или через систему узлов отбора давления, использующихся для измерения давления в камере РДТТ (Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М.Гладков, B.C.Мухаммедов, Е.Л.Валуев, В.И.Черепов, Москва, 1993, стр.69).
Подача хладагента в камеру РДТТ может осуществляться непосредственно от источника (например, резервуара высокого давления). Задействование системы гашения при таком способе неизбежно происходит с существенной задержкой, искажающей результаты оценок фактического состояния материальной части РДТТ, поскольку для осуществления подачи хладагента оператору необходим доступ к РДТТ непосредственно в момент завершения его работы, что по условиям безопасности выполнения работ практически не представляется возможным. Кроме того, такой способ не обеспечивает возможность автоматизации процесса гашения.
Наиболее близким техническим решением является способ гашения РДТТ при испытаниях, основанный на подаче хладагента через устройство (клапан), открывающееся по команде с пульта управления испытанием. (Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М.Гладков, В.С.Мухаммедов, Е.Л.Валуев, В.И.Черепов, Москва, 1993, стр.72).
Команда на открытие устройства подается в момент времени, когда ожидаемые (расчетные) параметры РДТТ достигают значений, соответствующих окончанию его работы.
Однако и при таком способе подачи не представляется возможным осуществить гашение непосредственно в заданные момент времени при заданном уровне давления в камере сгорания РДТТ, так как время подачи хладагента в реальном опыте зависит от точности расчета заданных для гашения рабочих параметров давления двигателя и запаздывания, связанного с реакцией оператора.
Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего повысить достоверность информации о состоянии материальной части после испытаний при уменьшении влияния человеческого фактора.
Решение поставленной задачи достигается при реализации способа гашения РДТТ при испытаниях, основанного на подаче хладагента в камеру сгорания испытуемого РДТТ, при этом подачу хладагента предварительно осуществляют к устройству, обеспечивающему подачу хладагента в камеру сгорания непосредственно в момент окончания работы РДТТ, причем предварительная подача хладагента производится в диапазоне времени от момента выхода РДТТ на режим до начала спада давления, когда уровень давления в РДТТ выше заданного давления подачи хладагента в камеру сгорания. Устройством, обеспечивающим подачу хладагента в камеру сгорания непосредственно в момент окончания работы РДТТ, может быть настроенный на срабатывание при заданном давлении (перепаде давлений) обратный клапан.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что при этом подачу хладагента предварительно осуществляют к устройству, обеспечивающему подачу хладагента в камеру сгорания непосредственно в момент окончания работы РДТТ, причем предварительная подача хладагента производится в диапазоне времени от момента выхода РДТТ на режим до начала спада давления, когда уровень давления в РДТТ выше заданного давления подачи хладагента в камеру сгорания.
Подача хладагента через отсечной клапан, которая предварительно осуществляется к устройству, обеспечивающему подачу хладагента в камеру сгорания в определенном диапазоне времени, позволяет полностью автоматизировать процесс работы установки, реализующей указанный способ, осуществить гашение непосредственно в заданный момент времени и, в конечном итоге, существенно снизить погрешность (до 20%) определения массы уносимых в процессе испытаний РДТТ теплозащитных покрытий и эрозионностойких материалов и, соответственно, повысить точность определения удельного импульса тяги РДТТ и ресурсов стойкости этих покрытий и материалов.
Известна установка для гашения работающего РДТТ, которая позволяет подавать хладагент в камеру сгорания двигателя (Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М.Гладков, B.C.Мухаммедов, Е.Л.Валуев, В.И.Черепов, Москва, 1993, стр.72).
Существует также установка, состоящая из источника хладагента, связанного с помощью трубопровода через отсечной клапан с камерой испытуемого РДТТ. Используется схема гашения двигателя, при которой хладагент подается в камеру сгорания после срабатывания отсечного клапана (Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М.Гладков, B.C.Мухаммедов, Е.Л.Валуев, В.И.Черепов, Москва, 1993, стр.72).
Недостаток описанных установок состоит в том, что необходима команда оператора на гашение. Такая команда может быть подана в расчетный, заранее фиксированный момент времени. Однако в реальном испытании в расчетный момент времени опытные параметры в двигателе могут отличаться от расчетных, следовательно, при гашении реальное состояние материальной части будет отлично от того, которое требовалось определить (например, при заданном давлении РДТТ). Задержка команды из-за человеческого фактора тоже приводит к искажению реального состояния конструкции, что не позволяет дать заключение по требуемому тепловому состоянию конструкции и надежности работы.
Для устранения указанных недостатков с целью повышения достоверности информации о состоянии материальной части после испытаний и уменьшения влияния человеческого фактора предлагается установка, реализующая предложенный способ.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией установки, которая содержит источник хладагента, связанный с помощью трубопровода через отсечной клапан с камерой сгорания испытуемого РДТТ, при этом между отсечным клапаном и испытуемым РДТТ на трубопроводе установлено устройство, обеспечивающее подачу хладагента в камеру сгорания, настроенное на давление срабатывания, соответствующее требуемому для гашения уровню давления в камере РДТТ, кроме того, трубопровод снабжен датчиком давления, который расположен между отсечным клапаном и устройством, обеспечивающем подачу хладагента в камеру сгорания.
Предлагаемая установка отличается от прототипа тем, что в ней между отсечным клапаном и испытуемым РДТТ на трубопроводе установлено устройство, обеспечивающее подачу хладагента в камеру сгорания, настроенное на давление срабатывания, соответствующее требуемому для гашения уровню давления в камере РДТТ, кроме того, трубопровод снабжен датчиком давления, который расположен между отсечным клапаном и устройством, обеспечивающем подачу хладагента в камеру сгорания.
С помощью отсечного клапана осуществляется дистанционная подача хладагента, для подачи его в момент времени достижения требуемого давления в камере сгорания срабатывает обратный клапан, настроенный на указанное давление. При этом для исключения возможности его срабатывания на выходе РДТТ на режим (когда уровень давления соответствует заданному на спаде) срабатывание отсечного клапана (подача хладагента к обратному клапану) осуществляется при уровне давления в РДТТ большем, чем заданное.
Предлагаемый способ реализуется описанной установкой для гашения РДТТ, сущность которой иллюстрируется фиг.
При подготовке к испытанию РДТТ в источник хладагента установки (1) закачивается хладагент, например газообразный азот, и создается давление, гарантированно большее, чем давление работающего РДТТ, открывается вентиль источника хладагента (1), хладагент по трубопроводу (2), проходит к отсечному клапану (3). Установка готова к работе. В дальнейшем, при проведении огневых стендовых испытаний (ОСИ), функционирование установки происходит в автоматическом режиме.
После запуска испытуемого РДТТ при достижении в камере РДТТ давления, контролируемого датчиком (7), большего, чем давление, на которое настроено устройство, обеспечивающее подачу хладагента в камеру сгорания (5), например обратный клапан (4) осуществляется подача хладагента через отсечной клапан (3) к обратному клапану (4). Датчик давления (6) показывает, что отсечной клапан (3) сработал и хладагент находится перед обратным клапаном (4). В момент спада давления в двигателе путем автоматического срабатывания обратного клапана (4), настроенного на давление, соответствующее гашению в камере, хладагент подается в камеру сгорания РДТТ (5) через штуцер в донной части. Установка, реализующая предложенный способ, обеспечивает своевременное гашение РДТТ хладагентом, исключает процесс последействия на материалы корпуса.
Предложенный способ и установка позволяют сделать правильную оценку результатов испытаний, оценить надежность работы конструкции РДТТ, правильно подсчитать удельный импульс тяги, определить минимально потребные толщины стенок корпуса и его теплозащиты, а также уносы и прококсовку эрозионностойких материалов проточного тракта.
Предлагаемый способ гашения работающего РДТТ при испытаниях и установка для его осуществления реализуемы практически, составные элементы устройства не являются дефицитными. Способ и устройство успешно применяются при отработке реактивных двигателей на этапах научно-технических работ, сдаче изделий в серию.