ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
VACUUM APPARATUS FOR TESTING ELECTRIC ROCKET ENGINES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к вакуумной технике, в частности, к вакуумным камерам для проведения испытаний электрических ракетных двигателей (далее-ЭРД), таким как измерение ключевых характеристик двигателя - реактивной тяги, удельного импульса, коэффициента полезного действия двигателя, параметров питания двигателя, проведения спектрального анализа плазмы, ресурсных испытаний и т.п.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время вакуумные установки являются неотъемлемой частью стендов для проведения испытаний ракетных двигателей и другого ракетного оборудования в условиях, близких к эксплуатационным.
Под вакуумной установкой для испытаний двигателей в данной заявке понимается вакуумная камера для проведения испытаний в совокупности со средствами для создания, поддержания, измерения и использования вакуума в научных, производственных и других целях.
В свою очередь под вакуумной камерой понимается ограниченный корпусом камеры объем, в котором создается вакуум.
В патенте RU 2279044 (Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского) описывается вакуумная установка для исследования работоспособности герметичных элементов конструкции систем космических аппаратов.
Установка включает испытательную вакуумную камеру, формирующее оптическое устройство, состоящее из охлаждаемой ограничительной диафрагмы и калейдоскопа, вакуумную систему и течеискатель с калибраторами. Данное изобретение может быть использовано при исследовании распространения поверхностных и сквозных трещин в образцах, моделирующих герметичные элементы конструкции систем космических аппаратов. Оно направлено на расширение функциональных возможностей установки за счет создания условий эксплуатации, близких к натурным.
В патенте RU 125965 (ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина») раскрывается вакуумная камера с электрическим разъемом для проведения испытаний космических аппаратов или их частей в условиях, приближенных к космическим с подачей электропитания и сигнала управления переменного тока внутрь камеры либо для приема электрических измерительных сигналов переменного тока из камеры. Вакуумная камера с электрическим разъемом содержит герметичный корпус со смотровым стеклом. Электрический разъем выполнен в виде двух индукционных катушек с сердечниками, симметрично установленных по разным сторонам смотрового стекла, при этом катушки с сердечниками закреплены на стекле с помощью магнитного крепления. Предлагаемая конструкция вакуумной камеры с электрическим разъемом позволяет обеспечить бесконтактную электрическую связь между внутренней и внешней электрической сетью камеры, что упрощает конструкцию камеры и позволяет минимизировать количество отверстий в герметичном корпусе камеры и, соответственно, обойтись без средств герметизации мест установки штепсельных разъемов, что позволяет повысить надежность.
В цитируемых документах мало внимания уделяется условиям создания вакуума в вакуумных камерах, что не позволяет однозначно решить вопрос о пригодности данных вакуумных испытаний для ЭРД.
Наиболее близкая вакуумная установка описана в патенте RU124664 на испытательный стенд для испытаний ЭРД (ФГБОУ "Московский авиационный институт").
В частности, в описании к патенту раскрывается одно из воплощений вакуумной установки, которая может применяться для отработки ЭРД и диагностики его рабочих характеристик. Для этого воплощения известного технического решения, из описанной в патенте вакуумной установки удаляется ее часть (герметичная камера), связанная с проведением испытаний для измерения электромагнитных полей, создаваемых ЭРД.
В этом случае вакуумная установка включает последовательно расположенные диагностический отсек с крышкой и размещенным в нем ЭРД и вакуумную горизонтально ориентированную камеру, соединенную с противоположной стороны с насосным отсеком. В боковых фланцах насосного отсека установлены вакуумные насосы. Диагностический отсек, вакуумная камера и насосный отсек выполнены в виде цилиндрических тел одного и того же диаметра.
Что касается технического результата, то, как полагают авторы заявки, исключается воздействие плазменных струй на диэлектрические стенки герметичной камеры при проведении исследований, не связанных с измерениями электромагнитных полей в силу того, что она в момент проведения испытаний находится вне вакуумной установки. За счет этого сохраняются ее электрофизические свойства.
К сожалению, в описании к патенту не поясняется, каким образом закрепляется ЭРД в диагностическом отсеке, как и куда будут направлены плазменные струи при проведении, например, ресурсных испытаний, требующих относительно длительного срока, а также не исследуется, каким будет влияние плазменного потока на установленное в насосном отсеке вакуумное оборудование. Выполнение вакуумной камеры и насосного отсека в виде цилиндрических тел одного и того же диаметра позволяет практически всей вырабатываемой плазме проникать в насосный отсек, а насосы очень чувствительны к действию частиц плазмы, вызывающему сильный нагрев элементов насосов, а также заметную эрозию внутри насосного отсека и самих установленных насосов.
Кроме того, в патенте не раскрывается, как происходит установка крышки при демонтаже безэховой камеры - если проводить установку вручную без поддерживающих приспособлений, то установка крышки и ее центрирование могут потребовать много времени, несмотря на то, что в патенте указывается на удобство и функциональность крепления посредством резьбовых шпилек.
Поэтому, хотя известная установка и обладает расширенными функциональными возможностями, тем не менее, она достаточно сложна в эксплуатации.
Все вышеперечисленное представляет определенные технические проблемы при эксплуатации установки.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложенное техническое решение позволяет устранить все выявленные технические проблемы и раскрывает простую в эксплуатации и постэксплуатационном обслуживании установку, которая легко, быстро и удобно перенастраивается для проведения различных испытаний ЭРД.
Поставленная задача решается вакуумной установкой для испытаний электрических ракетных двигателей, содержащей:
горизонтально ориентированную вакуумную цилиндрическую камеру с торцевыми и боковыми фланцами, где в одном из торцевых фланцев установлена крышка, выполненная с возможностью закрепления на ней электрического ракетного двигателя;
связанный с вакуумной камерой горизонтально ориентированный насосный цилиндрический отсек, диаметр которого меньше диаметра вакуумной камеры, выполненный с торцевыми и боковыми фланцами, где в упомянутых боковых фланцах размещены вакуумные насосы, при этом, насосный отсек связан с упомянутой вакуумной камерой через соответствующие торцевые фланцы камеры и насосного отсека;
рельс с кареткой, установленный на цилиндрической части вакуумной камеры в направлении, параллельном направлению продольной оси камеры, где каретка жестко связана с упомянутой крышкой вакуумной камеры;
средства контроля давления.
В частных воплощениях вакуумной установки боковые фланцы насосного отсека могут быть расположены перпендикулярно насосному отсеку и размещены по одной оси.
В других частных воплощениях вакуумной установки в боковых фланцах упомянутого насосного отсека могут быть размещены турбомолекулярные насосы.
В частных воплощениях вакуумной установки она дополнительно содержит форвакуумный насос, установленный вне насосного отсека и связанный с насосным отсеком посредством системы трубопроводов и переходных элементов.
В частных воплощениях вакуумной установки боковые фланцы вакуумной камеры и торцевой фланец насосного отсека могут быть выполнены с возможностью закрепления в них измерительных приборов.
В частных воплощениях вакуумной установки боковые фланцы вакуумной камеры могут быть выполнены с возможностью закрепления в них средств контроля давления.
В частных воплощениях вакуумной установки боковые фланцы вакуумной камеры и торцевой фланец насосного отсека могут быть выполнены с возможностью закрепления в них иллюминаторов.
В частных воплощениях вакуумной установки торцевой фланец насосного отсека может быть снабжен заглушкой.
В этом случае заглушка может быть прикреплена к торцевому фланцу насосного отсека посредством струбцин.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведен общий вид вакуумной установки.
На фиг. 2 приведен вид вакуумной камеры в разрезе.
На фиг. 3 приведен вид вакуумной установки со стороны насосного отсека.
Позиции означают следующее:
1. вакуумная цилиндрическая камера;
2. насосный отсек;
3. рельс;
4. каретка;
5. средства контроля давления;
6. торцевой фланец вакуумной камеры;
7. торцевой фланец вакуумной камеры;
8. боковой фланец вакуумной камеры;
9. крышка;
10. электрический ракетный двигатель;
11. торцевой фланец насосного отсека;
12. торцевой фланец насосного отсека;
13. боковой фланец насосного отсека;
14. вакуумный насос;
15. форвакуумный насос;
16. трубопровод;
17. переходный элемент;
18. торцевая заглушка;
19. опоры.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вакуумная установка (см. фиг. 1, фиг. 2) для испытаний ЭРД включает горизонтально ориентированную вакуумную цилиндрическую камеру (1), горизонтально ориентированный насосный отсек (2), рельс (3) с кареткой (4), установленные на верхней поверхности вакуумной камеры (1) и средства контроля давления (5).
Вакуумная камера (1) выполнена с торцевыми (6, 7) и боковыми (8) фланцами, где в одном из торцевых фланцев (6) установлена крышка (9), выполненная с возможностью закрепления на ней ЭРД (10).
Горизонтально ориентированный насосный цилиндрический отсек (2) также выполнен с торцевыми (11,12) и боковыми (13) фланцами. Боковые фланцы (13) насосного отсека (2) могут быть расположены перпендикулярно насосному отсеку и размещены по одной оси (см. фиг. 3).
В боковых фланцах (13) установлены высоковакуумные насосы (14), в частности, турбомолекулярные насосы. Форвакуумный насос (15), обеспечивающий первичную откачку, установлен вне насосного отсека, но связан с ним через трубопровод (16) и переходник (17), что позволяет защитить его от попадания в насос частиц плазмы и осуществить предотвращение вызываемого этим нагрева насоса.
Диаметр насосного отсека (2) меньше диаметра вакуумной камеры (1). Данные конструктивные особенности заявленной установки позволяют увеличить объем вакуумной камеры (1) по отношению к объему всей установки. Такая камера обладает большим объемом созданного вакуума и в момент поджига двигателя, а также первые мгновения работы ЭРД создаются условия для его работы, близкие к условиям космоса. Кроме того, при эксплуатации установки часть плазмы отсекается торцевой стенкой вакуумной камеры и не попадает в насосный отсек, тем самым уменьшается потенциальная возможность нагрева потоком заряженных частиц лопаток турбомолекулярных насосов, что может вывести их из строя, а также вызвать сильную эрозию внутренних поверхностей насосного отсека (2).
Насосный отсек (2) связан с вакуумной камерой через соответствующие торцевые фланцы (7, 11) камеры (1) и насосного отсека (2).
Сверху цилиндрической части вакуумной камеры (1) размещен рельс (3) с кареткой (4), установленный в направлении, параллельном направлению продольной оси камеры (1). В свою очередь каретка (4) жестко связана с крышкой (9) вакуумной камеры (1). Каретка (4) перемещается по рельсу (3) вдоль продольной оси камеры и перемещает крышку (9) от торцевого фланца (6) параллельно торцу камеры (1). Все это позволяет легко и быстро одному человеку за короткое время открыть или закрыть камеру, установить на крышке камеры двигатель (10) или снять его, произвести осмотр и проанализировать состояние двигателя, внутренней поверхности вакуумной камеры, а также мобильно внести коррективы в проводимые исследования.
Для еще более надежной и быстрой связи между фланцем (6) и крышкой (9), а также между фланцами (7,11) может быть установлено центрирующее кольцо (не показано). Центрирующие кольца являются элементами вакуумной арматуры, устанавливаемые для соблюдения соосности соединяемых фланцев, как правило, выполняются из нержавеющей стали с уплотнением, выполненным на основе фторопластов, и позволяют надежно, вакуум плотно зафиксировать фланцы в вакуумных соединениях. Фиксирование осуществляется посредством включения форвакуумного насоса - он образует герметичное соединение между уже прижатыми заранее крышкой (9) и фланцем (6) или фланцами (7, 11) друг к другу через центрирующее кольцо с установленным вакуумным уплотнительным кольцом. Это гораздо легче, быстрее и удобнее, чем скреплять фланцы посредством резьбовых шпилек, как делается в известной установке.
Состояние вакуума в установке контролируется средствами контроля давления (5), в которые входят датчики измерения давления, позволяющие контролировать как давление в вакуумной камере в широком диапазоне значений, так и давление в рабочих режимах двигателя с высокой точностью.
Средства контроля давления (5) могут быть закреплены в боковых фланцах (8) вакуумной камеры (1).
В боковых фланцах также могут быть размещены иллюминаторы для наблюдения за испытаниями, установлены приспособления, необходимые для проведения испытаний или подведены кабели под информационные интерфейсы, а также через них может быть осуществлен подвод и отвод охлаждающей жидкости и многое другое.
В насосном отсеке (2) торцевой фланец (12) снабжен заглушкой (18), заглушка может быть закреплена на фланце с помощью струбцин.
Испытания двигателя осуществляют в вакуумной установке в соответствии со следующим.
Пример реализации изобретения.
Вакуумную установку собирают следующим образом.
Сначала монтируют вакуумную камеру (1) - на верхней поверхности цилиндрического корпуса камеры устанавливают рельс (3) с движущейся по нему кареткой (4). Каретку жестко соединяют с крышкой (9).
Вакуумную камеру устанавливают на опоры (19).
-9
-4
В некоторых боковых фланцах (8) камеры (1) устанавливают иллюминаторы для наблюдения за испытаниями, в других боковых фланцах устанавливают средства контроля давления (5), в качестве которых используют широкодиапазонный комбинированный магниторазрядный/терморезисторный (Пирани) активный датчик PKR251, позволяющий замерять давление в широком диапазоне значений от 5*10 до 1000 мбар и емкостной вакуумметр CCR364 с керамической мембраной, позволяющий с высокой точностью (±0,2%) контролировать давление в необходимой для работы двигателя области высоких давлений порядка 10 мбар.
В боковых фланцах (8) также закрепляют средства для проведения испытаний, например, такие, как измеритель силы тяги ЭРД, представляющий собой мишень с установленными через плечо тензодатчиками.
Также на опоры (19) устанавливают насосный отсек (2), в боковых фланцах которого монтируют турбомолекулярные насосы (14). Форвакуумный насос (15), в качестве которого в примере конкретного выполнения использован винтовой насос, устанавливают отдельно от насосного отсека и соединяют трубопроводом (16) через переходный элемент (17) с насосным отсеком (2).
Вакуумную камеру (1) и насосный отсек (2), установленные на опорах, совмещают со стороны торцевых фланцев (7, 11) через центрирующие кольца (не показаны). Крышку (9) также через центрирующее кольцо совмещают с фланцем (6) камеры (1). На торцевой фланец насосного отсека (12) устанавливают заглушку и закрепляют ее с помощью струбцин. Затем включают форвакуумный насос (15) и, тем самым, осуществляют вакуум плотную связь вакуумной камеры (1) и насосного отсека (2), а также крышки (9) и вакуумной камеры (1), после чего вакуумная установка готова для проведения испытаний.
После окончания испытаний насосы отключают, сбрасывают давление в вакуумной камере (1) и отводят крышку (9) от торцевого фланца (6) с помощью каретки (4), перемещающейся по рельсу (3), двигатель (10) и камера (1) становятся легкодоступны для проведения осмотра, а также смены положения ЭРД. Осмотр позволяет быстро оценить эрозию катода, целостность изолятора ЭРД, увидеть катодные осаждения на аноде ЭРД, внутри камеры, внутри насосного отсека и т.д., а также принять решение по постэксплуатационному обслуживанию установки либо по дальнейшему проведению испытаний.
Таким образом, предложенное техническое решение представляет собой простую в эксплуатации вакуумную установку, которая легко, быстро и удобно перенастраивается для проведения различных испытаний ЭРД-соединение и разъединение вакуумной камеры и насосного отсека или крышки и вакуумной камеры, а также установка ЭРД на внутренней стороне крышки, исследовательского оборудования и средств наблюдения во фланцах камеры и насосного отсека занимает не более нескольких минут. Также упрощается постэксплуатационное обслуживание вакуумной камеры за счет меньших затрат времени на удаление эрозионных повреждений насосного отсека и сохранения целостности вакуумных насосов.