УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
DEVICE TO TEST LIQUID-PROPELLANT ENGINES (LPE)

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для экспериментальной отработки при создании и модернизации маршевых однокамерных и многокамерных установок, в частности для имитации высотных условий при огневых испытаниях жидкостных ракетных двигателей с соплами больших степеней расширения.
Для наземных испытаний жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), оснащенных соплами больших степеней расширения, обычно используются классические диффузоры (без центрального тела). Но вместе с тем известны диффузоры с центральным телом, результаты исследований которых приведены в книгах «Исследование ракетных двигателей на жидком топливе» (под редакцией В.А.Ильинского. - М.: Мир, 1964 г., стр.75-83) и А.А.Шишков, Б.М.Силин, «Высотные испытания реактивных двигателей» (М.: Машиностроение, 1985 г., стр. 66-71). В них достаточно подробно описаны преимущества использования выхлопных диффузоров для проведения наземных испытаний ракетных двигателей, заключающиеся в существенном уменьшении длины диффузора и снижении давления запуска.
Известна конструкция устройства для преобразования кинетической энергии выхлопных газов в потенциальную, содержащая подвижный конус, формирующий диффузорный канал (патент US 2810545). Предложенная конструкция позволяет изменять параметры рабочего тела на выходе из турбины.
В техническом решении по патенту RU 2239085 предложено использовать центральное тело для формирования потока, обтекающего стенки испытуемых элементов.
Во всех рассмотренных случаях предлагаемые схемы выхлопных диффузоров с центральным телом имеют следующие недостатки: вероятность разрушения центрального тела и несохранения его формы во время испытаний, особенно при больших временах работы и высоких температурах продуктов сгорания, так как именно на передней части центрального тела формируются скачки уплотнения, приводящие к восстановлению давления, которое обеспечивает запуск и работу диффузора.
В изобретении по патенту RU 2391548 (вариант 1), принятом за прототип, предлагается подвижной делать всю переднюю часть центрального тела, что требует существенно больших мощностей для ее передвижения, и не решается вопрос о неравномерном уносе материала.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для проведения испытаний ЖРД с соплами большой степени расширения в наземных условиях, обеспечивающего безотрывное истечение при низких давлениях и отсутствие взаимодействия ударных волн со стенкой сопла. Вопрос о сохранности геометрии диффузора представляет важную задачу, так как температура продуктов сгорания современных ЖРД составляет 3600-3700 К, а давление в камере сгорания может достигать 25 МПа. При таких параметрах потока, учитывая химическую активность продуктов сгорания, ни один материал не может работать без значительного уноса или применения специальных методов тепловой защиты (регенеративного, завесного или пористого (транспирационного) охлаждения). Наибольший унос материала следует ожидать на носике центрального тела диффузора, имеющего игловидную форму и ограниченные размеры. Тепловая защита этой части представляет собой сложную техническую задачу. Технический результат предлагаемого изобретения состоит в сохранении картины течения в диффузоре на протяжении всего испытания.
В устройстве для испытаний жидкостных ракетных двигателей, содержащем сопло с выхлопным диффузором, состоящим из внешней оболочки и размещенного в ней, по оси, центрального тела с профилированными входным и выходным участками, предлагается снабдить входной участок центрального тела установленным и выдвигаемым по оси диффузора штоком, выполненным из уносимого в процессе испытаний материала, при этом расстояние, на которое выдвигается шток, соответствует длине унесенной части штока.
При этом происходит фиксация положения ударной волны таким образом, чтобы она гарантированно не пересекалась с соплом, в том числе по мере отгара штока.
Шток может быть выполнен в виде цилиндра, хотя возможна и другая форма, например овальная форма поперечного сечения. Передняя кромка штока может быть профилированной, в том числе по типовой форме обгара кромки, соответствующей режиму течения в сопле, а также конической, плоской или сферической. Шток при этом может быть выполнен из эрозионно стойкого материала. Выдвижение штока возможно как при установке диффузора, так и во время работы двигателя. Для этого в центральном теле устанавливают устройство, обеспечивающее необходимое выдвижение штока, например шаговый электродвигатель, пневмо- или гидроцилиндр. Скорость выдвижения штока может определяться из расчета или по показаниям датчиков давления, расположенных на цилиндрической части диффузора и позволяющих осуществлять автоматическое регулирование перемещением.
Профилированный входной и/или выходной участок центрального тела может быть выполнен в виде тела вращения, образующая которого является прямой или ломаной линией, состоящей из прямолинейных отрезков. Форма и расположение входной части центрального тела в сопле выбирается на основе газодинамических расчетов или экспериментов с целью минимизировать давление запуска диффузора и исключить влияние центрального тела на параметры течения вблизи стенки соплового блока.
Центральное тело может устанавливаться и центрироваться радиальными стойками, имеющими ромбовидное поперечное сечение, внутри внешней оболочки диффузора. После установки центрального тела торец штока выставляют в заданную точку на оси сопла. На цилиндрической части диффузора могут быть установлены датчики давления.
Центральное тело может иметь тепловую защиту, выполненную, например, в виде эрозионно стойкого покрытия или иметь завесное, транспирационное или регенеративное охлаждение, а также охлаждение, представляющее комбинацию перечисленных выше видов.
Изобретение поясняется чертежом (фигура).
На фигуре представлено устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей, состоящее из сопла ЖРД 1, узла стыковки 2, цилиндрической оболочки выхлопного диффузора 3, центрального тела 4. Передняя часть 8 центрального тела 4 выполнена профилированной в виде конуса. Выходная часть диффузора 6 выполнена также в виде конуса. Центральная часть диффузора центрируется стойками 7. Выдвижение штока осуществляется специальным устройством 5, например шаговым электродвигателем, пневмо- или гидроцилиндром.
Диффузор работает следующим образом. После установки ЖРД на стапеле на сопло монтируется узел стыковки 2, к которому герметично крепится выхлопной диффузор 3. Центральное тело 4 со штоком 9 с помощью стоек 7 выставляется на оси сопла и диффузора и выдвигается в сопло на расстояние L с помощью устройства выдвижения 5. После запуска ЖРД положение передней кромки штока в сопле двигателя по мере уноса материала штока поддерживается на расстоянии L за счет его выдвижения.
Проведенные расчеты показывают возможность и эффективность применения предложенного устройства для испытания двигателей высотных ступеней ракетоносителей.