БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к средствам обучения и может быть использована в учебном процессе для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива с уточнением характеристик режимов.
Известно устройство для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива содержащее воспламенитель, заряд, камеру сгорания, сопловой блок, системы замера значения тяги и давления, оно снабжено сигнализатором давления, связанного с камерой сгорания, электрические контакты которого включены в цепь между электрическим источником питания и реле времени, включающим электромагнит, шток которого связан с одним из кулачков кулачкового вала, закрепленного на переднем днище камеры сгорания, причем кулачки фиксируют закрытое положение откидных шторок, состоящих из передней и задней стенок, между которыми с люфтом установлен стальной шар, поджимного винта, установленного на передней стенке, и закрывающих окна отсечки тяги, расположенные на переднем днище камеры сгорания (Патент РФ на полезную модель №55472, 2006 г).
Известна установка для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива, содержащая камеру сгорания, размещенную на стапеле, заряд, находящийся внутри камеры сгорания, воспламенитель, соединенный с передним торцом заряда, систему замера значений давления, подходящую к нижней части камеры сгорания, сопло, с возможностью шарнирного вращения вокруг оси, укрепленной в нижней части камеры сгорания, перпендикулярно оси симметрии камеры сгорания, и снабжена крюком, жестко укрепленным на поверхности сопла, диаметрально-перпендикулярно оси вращения сопла, входящим в защемление с рычагом, шарнирно закрепленным на скобе, соединенной с корпусом камеры сгорания, маятником, жестко закрепленным на кронштейне, установленным на стапеле, с возможностью удара по рычагу в нижней части траектории маятника, пультом управления, закрепленным с возможностью обеспечения контакта электромагнитных стопоров, пружинного стопора, подвижных контактов с маятником и ванной, с воспламенителем, с электропневмоклапаном в системе выброса заряда, размещенной на стапеле, состоящей из воздушного баллона, соединенного трубопроводом через редуктор с ресивером, который, в свою очередь, соединен трубопроводом с электропневмоклапаном, соединенным с обратным клапаном, который соединен трубопроводом с форсункой, размещенной герметично на переднем торце двигателя (Патент РФ на полезную модель №59825, 2006 г).
Наиболее близким по технической сущности решением является баллистический маятник, содержащий массивную платформу, к которой прикреплен испытуемый двигатель, тонкие тросы и закрепленную в подшипниках горизонтальную ось, относительно которой маятник может свободно вращаться, дорожку, металлический штифт, прикрепленный к платформе (Б.В. Орлов, Г.Ю. Мазинг Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе. Машиностроение Москва, 1964. - 346 с).
Недостатком прототипа является ограниченность количества демонстрируемых режимов работы ракетного двигателя твердого топлива и невозможностью точного определения их характеристик.
Задачей полезной модели является расширение наглядных возможностей при изучении процессов, протекающих внутри ракетного двигателя твердого топлива, за счет реализации такого режима, как выход двигателя с пульсацией давления, и возможностью определения характеристик режимов.
Техническим результатом является возможность экспериментального исследования законов выхода ракетного двигателя твердого топлива на основной режим работы с определением уточненной характеристики импульса тяги.
Сущность полезной модели заключается в том, что в баллистический маятник для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива, содержащий массивную платформу, к которой прикреплен испытуемый двигатель, тонкие тросы и закрепленную в подшипниках горизонтальную ось, относительно которой маятник укреплен с возможностью свободного вращения, на горизонтальную ось установлен датчик угла поворота, критическая часть сопла испытуемого двигателя выполнена съемной, на наружную часть твердотопливного заряда намотана нихромовая нить.
Новизна заключаются в том, что на горизонтальную ось установлен датчик утла поворота, критическая часть сопла испытуемого двигателя выполнена съемной, на наружную часть твердотопливного заряда намотана нихромовая нить.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 - законы выхода ракетного двигателя твердого топлива на основной режим: 1 - c забросом давления; 2 - расчетный режим; 3 - c провалом давления; 4 - пульсации давления "чихание".
Испытуемый двигатель 1, выполненный из корпуса 2, с размещенным внутри зарядом твердого топлива 3, у которого на наружной части намотана нихромовая нить 4, прикреплен к массивной платформе 5. Платформа 5 через тонкие тросы 6 укреплена с возможностью свободного вращения на горизонтальной оси 7, закрепленную в подшипниках с установленным датчиком угла поворота 8. К корпусу 2 испытуемого двигателя 1 крепятся сопло 9, критическая часть сопла которого выполнена съемной, и датчик давления 10. Датчики угла поворота 8 и давления 10 связаны с блоком регистрирующей аппаратуры (на фиг. не показана).
Устройство работает следующим образом.
Подают питание на нихромовую нить 4 и через некоторое время на воспламенительное устройство испытуемого двигателя 1. Воспламеняется заряд твердого топлива 3, возникающая тяга толкает массивную платформу 5, которая на тонких тросах 6 свободно вращается на горизонтальной оси 7, угол поворота которой фиксируется датчиком угла поворота 8. При этом происходит замер угла поворота и давления в испытуемом двигателе 1 и регистрация блоком аппаратуры.
При достаточно малом времени горения заряда угловое отклонение маятника пропорционально полному импульсу реактивной силы. Расчетная формула для определения I по замеренному отклонению маятника
τ
где Q - вес платформы; L - длина подвеса маятника; К - коэффициент, учитывающий продолжительность действия реактивной силы; g - ускорение свободного падения; ϕ - угол поворота.
Кроме уточненной характеристики импульса тяги при изучении процессов, протекающих внутри ракетного двигателя твердого топлива баллистический маятник дает возможность экспериментального исследования законов выхода ракетного двигателя твердого топлива на основной режим работы. Изменяя диаметр критической части сопла, а также подавая питание на нихромовую нить 4 или не подавая, реализуют различные законы выхода ракетного двигателя твердого топлива на основной режим, при этом определяя экспериментально величину давления в камере сгорания.
При выходе ракетного двигателя твердого топлива на основной режим работы с забросом давления (фиг. 2 кривая 1) образование нежелательного пика давления в начале работы двигателя обычно связывают с толщиной прогретого слоя в период горения воспламенителя. Если прогретый слой, образовавшийся в период задержки воспламенения, толще, чем при установившемся режиме, то сгорание этого слоя сразу после воспламенения дает более интенсивный газоприход, который может сопровождаться пиком давления при выходе на основной режим.
При выходе ракетного двигателя твердого топлива на основной режим работы с провалом давления (фиг. 2 кривая 3) возникает, если массовый расход продуктов сгорания воспламенительного устройства недостаточен, но количество тепла достаточно для обеспечения запуска.
Пульсация давления "чихание" (фиг. 2 кривая 4) возникает в том случае, если подводится количество тепла, достаточное для обеспечения начала рабочего процесса на поверхности топлива, но недостаточно для самоподдержания реакции горения (например, при низких, менее критических, давлениях в камере). Но так как поверхностный слой прогрет и реакции, протекающие в нем, носят экзотермический характер, может произойти самовоспламенение продуктов разложения и всплеск давления, но затем опять произойдет прекращение процесса и т.д.
Предлагаемый маятник существенно расширяет наглядные возможности при изучении процессов, протекающих внутри твердотопливных зарядов, обеспечивает наглядность и возможность наблюдать и экспериментально исследовать законы выхода ракетного двигателя твердого топлива на основной режим работы и при этом вычислить экспериментальное значение уточненной характеристики импульса тяги.