СПОСОБ ОГНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD OF FIRE TEST OF LIQUID PROPELLANT ROCKET ENGINES

Область техники
Изобретение относится к технике испытаний жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в наземных условиях при проведении огневых приемосдаточных испытаний летных образцов двигателей.
Предшествующий уровень техники
Для подтверждения работоспособности и получения характеристик работы ЖРД на различных режимах проводят контрольно-технологические и квалификационные приемо-сдаточные испытания двигателей на наземной стендовой базе. Одним из видов испытаний для контроля качества изготовления ЖРД являются огневые контрольно-технологические испытания (КТИ) (патент РФ №2193681, опубл. 21.11.2002). КТИ являются кратковременными огневыми испытаниями, которым подвергается каждый изготовленный двигатель. Задача проведения КТИ - контроль качества изготовления и сборки конкретного двигателя путем проверки его функционирования и определения фактических значений контролируемых параметров.
Известен способ проведения контрольно-технологических огневых испытаний ЖРД, работающих на любых компонентах топлива, заключающийся в том, что каждый изготовленный двигатель подвергают кратковременным огневым испытаниям без последующей переборки (А.Е. Жуковский, B.C. Кондрусев и др. Испытания жидкостных ракетных двигателей. Учеб. пособие для авиац. специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1981. С. 26). После испытаний двигателя данным способом требуется сложная и дорогостоящая технологии его обработки для удаления остатков керосина из магистралей и агрегатов двигателей.
-4
2
Для этих целей применяют глубокое вакуумирование внутренних полостей двигателя на дорогостоящем оборудовании, обеспечивающем вакуум до 1⋅10 кгс/см. Кроме того, данный способ не обеспечивает удаление остатков в виде тяжелых фракций керосина. Эти остатки могут оказать вредное влияние на конструкционные материалы и на функционирование агрегатов после длительного хранения двигателя.
Известен способ испытания жидкостных ракетных двигателей (патент РФ №2050459, опубл. 20.12.1995), основанный на одновременном прожиге двигателей и создании вокруг них и на срезе сопел натурных условий разрежения, которое проводят в одной барокамере по общей для двигателей программе, при этом двигатели выбирают идентичные, а топливо подают из общего источника питания.
Известен способ отбраковки жидкостных ракетных двигателей малой тяги и устройство для его осуществления (патент РФ №2002973, опубл. 15.11.1993), заключающийся в проведении огневых стендовых испытаний с измерением давления в камере одного выбранного из партии работающего двигателя, где, с целью расширения области применения способа для двигателей, не допускающих нарушения целостности камеры, одновременно измеряют давление торможения истекающих из сопла продуктов сгорания, определяют по измеренным значениям коэффициент корреляции измерителей давления и по полученному значению коэффициента корреляции и по давлению торможения, измеренному при работе остальных двигателей партии, определяют давление в камере остальных двигателей.
Указанные способы испытаний ЖРД дают возможность провести выборку из партии двигателей, подходящих по заявленным характеристикам для использования в качестве летных образцов, однако не позволяют получить подробные характеристики их работы на различных режимах.
Известен способ проведения огневых приемо-сдаточных испытаний (см., например, ОКБ «Факел»: Электрореактивные системы ОКБ «Факел»: Сборник статей и докладов к 55-летию ОКБ «Факел» / Ред. В.М. Мурашко. - Калининград: Калининградская правда. 2010. Стр. 84-85), при котором из партии изготовленных ЖРД выбираются несколько образцов. Каждый образец испытывается при различных значениях входного давления (минимальном, среднем и максимальном из диапазона допустимых значений) и длительности подачи гидразина, поступающего в камеру сгорания и вступающего в химическую реакцию с твердым катализатором. По результатам испытаний определяются тяга и удельный импульс двигателя в установившемся режиме работы в зависимости от входного давления топлива в камеру сгорания. Кроме того, определяются характеристики выхода на режим (длительность достижения 90% от максимальной тяги двигателя) и спада тяги двигателя (длительность достижения 10% от максимальной тяги), а также импульс последействия.
Данный способ огневых испытаний ЖРД является наиболее близким к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа.
Одним из недостатков прототипа является проведение испытаний на малом наборе входных давлений, включая минимально и максимально допустимые, что не позволяет получить достаточный объем данных для рабочего диапазона давлений, при которых данный двигатель будет использоваться в дальнейшем, а отработка на дополнительных входных давлениях приводит к существенному увеличению расхода топлива.
Вторым недостатком является определение характеристик по тяге двигателя и удельному импульсу в установившемся режиме работы, использование которых для режима, близкого к импульсному, а также при тактовой работе двигателя, приводит к существенным ошибкам при расчете тяги и удельного импульса.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков известного способа огневых испытаний ЖРД и получение достоверных характеристик работы каждого двигателя в рабочем диапазоне входных давлений топлива.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе огневых испытаний ЖРД, заключающемся в том, что каждый изготовленный двигатель подвергают огневым испытаниям для определения зависимостей тяги и удельного импульса от входного давления топлива, а также спада тяги и импульса последействия, согласно изобретению испытания проводят на входных давлениях топлива из рабочего диапазона, в котором используется двигатель, а для каждого значения входного давления топлива осуществляют серию из N кратковременных включений одинаковой длительности с паузой между ними для фиксации спада тяги и импульса последействия.
Указанная совокупность отличительных признаков, отраженных в первом независимом пункте формулы, позволяет достичь следующего технического результата. Благодаря тому, что огневые испытания ЖРД проводятся на входных давлениях из рабочего диапазона, в котором будет использоваться данный двигатель, в дальнейшем, устраняется первый недостаток прототипа. Проведение огневых испытаний в тактовом режиме с серией из N одинаковых кратковременных (длительностью до 10 с) включений двигателя с малыми паузами между ними для фиксации участка спада тяги и импульса последействия позволяет устранить второй недостаток прототипа. В результате, полученные характеристики можно использовать как при длительном режиме работы двигателя, так и близком к импульсному. Дополнительным техническим эффектом является снижение количества топлива, расходуемого при испытаниях, и возможность получения достоверных характеристик работы каждого ЖРД в рабочем диапазоне входных давлений топлива.
В случае применения предлагаемого способа огневых испытаний для однокомпонентных ЖРД, использующих катализатор, перед серией из N кратковременных включений одинаковой длительности, проводят прогревочное включение для нагрева катализатора и камеры сгорания.
В частном случае, осуществляют подогрев компонентов топлива для повышения входного давления перед началом проведения огневых испытаний. Это позволяет провести испытания на повышенном уровне тяги двигателя.
Краткое описание чертежей.
РД
ПД
На фиг. 1 изображен общий вид циклограммы при проведении одной серии включений двигателя для фиксированного значения входного давления топлива. Верхний график показывает зависимость подачи напряжения (U) на электроклапаны от времени, а нижний - характер изменения тяги двигателя (Р) с учетом этапов выхода на режим и спада тяги. t и t - длительность работы и паузы между включениями двигателя соответственно.
вх
На фиг. 2 изображен типовой характер зависимости тяги (Р) от входного давления топлива (р) для однокомпонентного ЖРД.
О
Г
На фиг. 3 изображена сетка с расчетными значениями тяги (Р) от сочетания входных давлений окислителя (р) и горючего (р) для двухкомпонентного ЖРД. Жирными точками выделены углы квадранта, соответствующие крайним значениям из рабочего диапазона (точки №1, 2, 3, 4). Мелкой черной заливкой показаны дополнительные точки на ребрах и диагонали полученной сетки (точки №5, 6, 7, 8, 9). Белой заливкой показаны дополнительные точки (без номеров) на ребрах и диагонали для построения более подробной сетки.
Осуществление изобретения
Способ огневых испытаний ЖРД заключается в том, что каждый изготовленный двигатель подвергают огневым испытаниям для определения зависимостей тяги и удельного импульса от входного давления топлива, а также спада тяги и импульса последействия. При этом испытания проводят на входных давлениях топлива из рабочего диапазона, в котором используется двигатель, а для каждого значения входного давления топлива осуществляют серию из N кратковременных включений одинаковой длительности с паузой между ними для фиксации спада тяги и импульса последействия.
Перед началом серии включений, при необходимости, происходит нагрев камеры сгорания для обеспечения требуемой полноты протекания химической реакции компонентов топлива. Проводится замер давления в камере сгорания и расход топлива через трубопровод для расчета тяги и удельного импульса двигателя. Полученные данные со всех режимов включения двигателя аппроксимируются функциями, по которым в дальнейшем рассчитывается средняя тяга двигателя (Р) и удельный импульс (Iu). Степень подробности сетки давлений определяется характером зависимости изменения тяги от давления (линейная, нелинейная) и требуемой точностью самой аппроксимации.
Пример 1. Огневые испытания однокомпонентного ЖРД
вх
РД
ПД
2
2
Предпочтительным вариантом изобретения, согласно фиг. 1 и фиг. 2, является проведение огневых испытаний однокомпонентного ЖРД, использующего для создания тяги химическую реакцию в камере сгорания топлива (например, гидразина), поступающего под давлением через трубопровод, и твердого катализатора, расположенного внутри камеры сгорания. Для электротермокаталитического двигателя К50-10.6 разработки ОКБ «Факел», порядок огневых испытаний строится следующим образом. Для каждого значения входного давления р из рабочего диапазона от 4 до 8 кгс/см с шагом 0.5 кгс/см проводится серия из 5 включений длительностью по t=10 с и паузой t=2.5 с для фиксации спада тяги и импульса последействия. Перед началом серии осуществляется включение двигателя на 5 с для выхода температуры камеры сгорания на установившейся уровень, обеспечивающий требуемую полноту протекания химической реакции топлива и катализатора. Проводится замер давления в камере сгорания и расход топлива через трубопровод для расчета тяги и удельного импульса двигателя. Полученные данные со всех режимов включения двигателя аппроксимируются функциями, по которым в дальнейшем рассчитывается средняя тяга двигателя (Р) и удельный импульс (Iu). В общем виде указанные зависимости можно записать как:
При этом сам вид аппроксимирующей зависимости подбирается под характер изменения параметров. Предпочтительными в данном случае являются зависимости, позволяющие вычислить аналитически интеграл от функции тяги для определения средней тяги на заданном интервале.
Пример 2. Огневые испытания двухкомпонентного ЖРД
РД
ПД
О
Г
Одним из вариантов осуществления изобретения, согласно фиг. 1 и фиг. 3, является проведение огневых испытаний двухкомпонентного ЖРД, работающего на окислителе и горючем. В этом случае, для достоверного определения характеристик работы, необходимо учитывать полноту протекания реакции окислителя и горючего, которая будет зависеть от входного давления каждого из указанных компонентов топлива, поступающих в камеру сгорания. Для каждого сочетания значений входного давления компонентов топлива, отражающего один режим работы, из рабочего диапазона с определенным шагом проводится серия из N включений длительностью t и паузой t для фиксации спада тяги и импульса последействия. Проводится замер давления в камере сгорания и расход топлива через трубопровод для расчета тяги и удельного импульса двигателя. Полученные данные со всех режимов включения двигателя аппроксимируются функциями, по которым в дальнейшем рассчитывается средняя тяга двигателя (Р) и удельный импульс (Iu). Здесь также проводится замер давления в камере сгорания и расход топлива через трубопровод для расчета тяги и удельного импульса двигателя, для каждого фиксированного сочетания давлений окислителя (р) и горючего (р). Полученные данные со всех режимов включения двигателя аппроксимируются функциями, по которым в дальнейшем рассчитывается средняя тяга двигателя (Р) и удельный импульс (Iu). В данном случае, указанные зависимости можно записать как:
При этом сам вид аппроксимирующей зависимости подбирается под характер изменения параметров. Предпочтительными в данном случае являются зависимости, позволяющие вычислить аналитически интеграл от функции тяги для определения средней тяги на заданном интервале.
Одним из вариантов применения изобретения является проведение огневых испытаний ЖРД, отражающих тактовый режим работы двигателя, используемый при управлении космическим аппаратом, снабженным многосопловой двигательной установкой (согласно патенту РФ на изобретение №2610793, опубл. 15.02.2017). Это позволяет повысить точность выдачи импульса и эффективность расхода топлива при решении задачи маневрирования космического аппарата.
Общие затраты топлива при проведении указанных огневых испытаний двигателей на всех режимах работы с кратковременной серией включений оказываются меньше, чем при длительных включениях с фиксацией установившегося уровня тяги. Таким образом, данные испытания могут проводиться на каждом летном образце двигателя, не превышая допустимые ресурсные характеристики по расходу топлива и количеству открытий клапана двигателя.