СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕДИНИЧНОГО ИМПУЛЬСА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
METHOD OF SOLID FUEL UNIT PULSE DETERMINING

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к способам определения характеристик новых композиций твердого ракетного топлива, в частности для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).
Известен способ определения единичного импульса твердого топлива по патенту РФ №2494394 (опубл. 27.09.2013 г.), принятый за прототип и включающий сжигание бронированного образца исследуемого топлива в объеме газа, измерение реактивной силы истекающих продуктов сгорания.
Недостатком прототипа является невозможность моделирования условий горения твердого топлива в натурном двигателе в связи с отсутствием обдува образца исследуемого топлива (ОИТ) потоком газа, обеспечивающего его горение, что снижает достоверность определения величины единичного импульса (основной энергетической характеристики твердого топлива).
Задачей настоящего изобретения является разработка более эффективного способа определения единичного импульса твердого топлива, позволяющего повысить достоверность измерения основной энергетической характеристики исследуемого топлива за счет создания условий, моделирующих параметры горения заряда твердого топлива в реальном ПВРД, а также сократить длительность и количество дорогостоящих натурных испытаний.
Поставленная задача решается способом определения единичного импульса твердого топлива, включающим сжигание бронированного образца исследуемого топлива в объеме газа, измерение реактивной силы истекающих продуктов сгорания. Особенность заключается в том, что образец топлива размещают в модели камеры дожигания, газодинамически подобной камере дожигания натурного двигателя, и обдувают потоком газа с параметрами, соответствующими обдуву заряда твердого топлива натурного двигателя, при этом часть поверхности образца покрывают бронировкой, обеспечивающей задержку воспламенения бронированной поверхности в течение времени, составляющего 10-50% от длительности сгорания образца исследуемого топлива без бронировки.
В частности, после сгорания образца исследуемого топлива в модель камеры дожигания продолжают подавать газ в течение времени, составляющего 10-50% от длительности горения образца без бронировки.
Для повышения достоверности измерения параметры газа, обдувающего исследуемый образец топлива (давление, скорость, температура, содержание основных компонентов), соответствуют параметрам газа, обдувающего заряд твердого топлива натурного двигателя.
Предлагаемый способ отличается от известного способа моделированием процесса горения заряда твердого топлива в реальном двигателе: ОИТ обдувается газом, обеспечивающим его горение в модели камеры дожигания с параметрами, близкими к натурному двигателю (в прототипе процесс горения организуют в объеме инертного газа, предварительно закачанного под давлением в камеру постоянного объема).
При этом для отделения реактивной силы, создаваемой продуктами сгорания ОИТ от реактивной силы, создаваемой обдувающим газом, часть поверхности горения образца бронируют. В прототипе бронировку используют для обеспечения горения образца топлива по заданной поверхности.
Задержка воспламенения ОИТ позволяет на начальном этапе замерить реактивную силу, создаваемую истечением только обдувающего газа и продуктов сгорания бронировки и определить начало горения ОИТ. Подключение к горению ОИТ приведет к возрастанию реактивной силы.
После сгорания образца исследуемого топлива в модель камеры дожигания продолжают подавать газ в течение времени, составляющего 10-50% от длительности горения образца без бронировки, что позволяет более точно определить момент окончания горения ОИТ и значение реактивной силы, обусловленной истечением газа.
Подача газа в модель камеры дожигания в течение времени, составляющего менее 10% от длительности горения образца - это около 1 с, может совпадать с истечением догорающих остатков топлива, а в течение времени, составляющего более 50% от длительности горения образца - не имеет смысла, так как догорание топлива завершено и реактивная сила обусловлена истечением только обдувающего газа.
Повышенный уровень силы будет продолжаться до полного выгорания ОИТ. При этом не важно, какой вид будет иметь диаграмма реактивной силы за время горения образца топлива. Важно, что на диаграмме усилие-время появляется начало и конец отсчета времени горения образца. Начало соответствует началу повышения реактивной силы, конец - снижению реактивной силы до уровня, соответствующего истечению обдувающего газа.
Подсчитав интеграл превышения силы над начальным уровнем за время горения образца и разделив его на массу сгоревшего ОИТ, можно определить его единичный импульс тяги.
Задержка воспламенения в течение времени, составляющего менее 10% от длительности горения образца исследуемого топлива, слишком мала для стабилизации процесса горения, стабилизации тепловых потерь, измерения реактивной силы и выгорания бронировки. При этом на диаграмме усилие-время реактивная сила соответствует потоку обдувающего газа и продуктов сгорания бронировки.
Увеличение задержки, а соответственно и толщины бронировки, в течение времени, составляющего более 50% длительности горения образца не имеет смысла, так как процесс истечения газа и параметры реактивной силы будут стабилизированы. Вклад продуктов сгорания бронировки в создание реактивной силы можно учесть продувкой инертных образцов, геометрически одинаковых с образцом исследуемого топлива с бронировкой и без нее.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид экспериментальной установки для реализации предложенного способа с использованием образца с бронировкой по внутреннему каналу (частный случай частичной бронировки).
Установка содержит корпус 1 с камерой 2 дожигания двигателя, газодинамически подобной натурной камере дожигания, в которой размещен образец 3 исследуемого топлива, внутренний канал которого покрыт бронировкой 4. В передней части корпуса 1 расположена камера смешения и сгорания газов 5, в которую посредством штуцера 6 подают кислородсодержащий газ (например, воздух), а посредством штуцера 7 - горючий газ (например, водород, метан, пропан, продукты сгорания безметального топлива и т.п.). Передний торец корпуса 1 контактирует с датчиком силы 8. Корпус 1 подвешен на лентах 9, выполненных, например, из углеродистой стали (ГОСТ 7419-90).
На фиг. 2 представлен график изменения реактивной силы R в процессе испытаний, где τ - время.
0
1
- участок 0-1 (от τ до τ) - реактивная сила, создаваемая обдувающим газом и продуктами сгорания бронировки;
1
2
- участок 1-2 (от τ до τ) - сила, создаваемая истечением обдувающего газа и продуктов сгорания образца исследуемого топлива;
2
3
- участок 2-3 (от τ до τ) - сила, создаваемая истечением газа после сгорания образца.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
0
1
1
2
В штуцер 6 подают горючий газ, а в штуцер 7 - кислородсодержащий газ. Затем с помощью автомобильной свечи (условно не показана) или любым другим способом, известным специалистам, в камере смешения и сгорания газов 5 производят воспламенение смеси подаваемых газов. При этом сначала происходит воспламенение бронировки 4 образца 3 исследуемого топлива, которая за время от τ до τ выгорает. На диаграмме R-τ показан участок 0-1. Затем, в течение времени от τ до τ выгорает образец исследуемого топлива. Этому процессу соответствует участок диаграммы 1-2. После выгорания образца исследуемого топлива датчиком силы регистрируется участок 2-3. Площадь S над пунктирной линией 1-2 - это суммарный интеграл реактивной силы, создаваемой образцом исследуемого топлива
, где
∑
J - суммарный интеграл тяги, создаваемый истечением ОИТ;
ΔR - текущее значение превышения силы над пунктирной линией 1-2 при интегрировании кривой силы над линией 1-2;
dτ - текущее значение времени при интегрировании.
Разделив этот интеграл на массу выгоревшего образца исследуемого топлива, получим единичный импульс тяги исследуемого топлива в условиях, близких к работе натурного двигателя.
, где
1
J - единичный импульс тяги ОИТ;
0
m - масса выгоревшего ОИТ.
Пример конкретного выполнения.
0
Использовали образец исследуемого топлива в виде цилиндрической канальной шашки со следующими размерами: наружный диаметр - 36 мм, внутренний диаметр - 10 мм, длина - 30 мм. Масса ОИТ (m) - 0,0426 кг.
Образец забронирован по каналу слоем резины толщиной 0,5 мм и вклеен в стальной корпус.
Образец обдували газом с содержанием кислорода 22-24% и температурой 1650-1680°К. Скорость обдува дозвуковая, порядка 330-350 м/с. Давление газа перед образцом - 0,5 МПа. В процессе эксперимента бронировка образца выгорела в течение 1,7 с, а сам образец горел 8,3 с.
Суммарный интеграл превышения реактивной силы от сгорания ОИТ над начальным участком (пунктирная линия 1-2 на диаграмме R-τ, фиг. 2) составил
Разделив суммарный интеграл превышения на массу образца получаем единичный импульс топлива, равный 2352 м/с.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет достаточно просто выделить из суммарного импульса реактивной силы импульс, создаваемый ОИТ и, в конечном итоге, определить реальный единичный импульс топлива в условиях моделирования параметров реального двигателя.
Причем, необходимо отметить, что этот единичный импульс соответствует этому двигателю, этой камере дожигания, этому соотношению расходов воздуха и ОИТ, этой степени расширения сопла и т.д.
Кроме того, предлагаемый способ может быть использован для оптимизации характеристик реального двигателя: расхода воздуха, длины камеры дожигания, композиции твердого горючего материала (ТГМ), конфигурации заряда ТГМ и др.
Использование предлагаемого способа определения единичного импульса твердого топлива при проектировании ПВРД позволит сократить длительность и количество дорогостоящих натурных испытаний.