ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД

Полезная модель относится к испытательному оборудованию, предназначенному для проведения стендовых испытаний систем и устройств космических аппаратов (КА), а более конкретно - к испытательным стендам для исследования характеристик электроракетных двигателей (ЭРД), входящих в состав двигательных установок КА.
При наземной отработке ЭРД, предназначенных для работы в составе двигательных установок КА, необходимо обеспечить следующие условия:
- давление среды при проведении испытаний должно быть максимально приближено к давлению космической среды;
- требуется высокая чистота окружающей среды при минимальном содержании паров масла и продуктов распыления, образуемых в результате воздействия на элементы конструкции стенда потоков заряженных частиц, генерируемых ЭРД.
Для обеспечения указанных условий испытания ЭРД проводят в вакуумных камерах, которые входят в состав испытательных стендов. При испытаниях ЭРД, при работе которых возникают потоки рабочего газа или испаряющегося рабочего вещества, вакуумная камера испытательного стенда должна постоянно откачиваться с помощью вакуумных насосов. Быстрота действия таких насосов предполагается достаточной для снижения остаточного давления в вакуумной камере до уровня давления космической среды.
-4
Требуемый уровень остаточного давления в вакуумной камере зависит от типа ЭРД. При проведении испытаний ионных ЭРД величина давления в вакуумной камере должна быть не выше 10 Па. Чистота рабочей среды вакуумной камере обеспечивается за счет использования безмасляных вакуумных насосов, в качестве которых применяются сухие форвакуумные насосы, турбомолекулярные и криогенные вакуумные насосы.
Необходимая чистота среды может быть достигнута путем увеличения размеров вакуумной камеры. В этом случае снижается вероятность попадания потоков заряженных частиц, генерируемых ЭРД, на стенки вакуумной камеры, расположенные в непосредственной близости от двигателя. Для обеспечения требуемой чистоты среды в вакуумной камере может использоваться система диверсификации генерируемого потока частиц, выполненная в виде одного или нескольких охлаждаемых экранов. Материалы, из которых изготавливаются такие экраны, обладают низкими значениями коэффициента распыления.
Наиболее близким аналогом полезной модели является испытательный стенд, содержащий горизонтально расположенную вакуумную камеру, в которой устанавливается ЭРД, и насосную систему вакуумной откачки (см. Яковлев Е.А. Испытания космических электроракетных двигательных установок: Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1981, стр.179, 180). Испытательный стенд включает в свой состав шлюз с вакуумной заслонкой, отделяющей, отсек, в котором устанавливается ЭРД, от полости вакуумной камеры. Применение шлюза позволяет производить замену ЭРД без нарушения вакуума в вакуумной камере. Шлюз закрепляется на съемной крышке вакуумной камеры. В противоположной части полости вакуумной камеры размещается мишень (тепловой экран), на которую направляется ионный пучок. С помощью мишени обеспечивается диверсификация энергии потока ионизованного газа.
-5
Для откачки полости вакуумной камеры до требуемого уровня вакуума (ниже 1,3·10 Па) используется комбинированная насосная система, в состав которой входит криогенный насос и два пароструйных высоковакуумных насоса с охлаждаемыми ловушками. В качестве криогенного насоса используется оребренный конденсатор, охлаждаемый жидким азотом, который устанавливается в полости вакуумной камеры
Поддержание в вакуумной камере испытательного стенда низкого уровня остаточного давления, максимально приближенного к давлению космической среды, обеспечивается за счет высокой быстроты откачки вакуумной камеры. Данная характеристика вакуумной системы определяет величину предельно достижимого вакуума. Требуемая быстрота откачки камеры, в свою очередь, достигается при высокой быстроте действия всех вакуумных насосов, входящих в состав комбинированной насосной системы. Высокая быстрота откачки вакуумной камеры в известном техническом решении обеспечивается при достаточно сложной конструкции вакуумной насосной системы откачки и испытательного стенда в целом. Кроме того, высокая быстрота откачки достигается за счет высокого энергопотребления стендового оборудования.
Полезная модель направлена на решение технической задачи, связанной с повышением энергетической эффективности вакуумной системы откачки путем использования для откачки вакуумной камеры энергии струи ионизованного газа, генерируемой ЭРД в процессе испытаний. Решение данной задачи позволяет упростить конструкцию и снизить энергопотребление испытательного стенда путем сокращения количества вакуумных насосов, входящих в состав системы вакуумной откачки, и/или снижения потребляемой насосами электроэнергии.
Указанный выше технический результат достигается в процессе проведения испытаний при использовании испытательного стенда, который содержит вакуумную камеру с насосными отсеками и отсеком для установки ЭРД. В состав испытательного стенда входит вакуумная насосная система, содержащая криогенные вакуумные насосы. В торцевой части вакуумной камеры установлен охлаждаемый экран-преобразователь кинетической энергии струи ионизованного газа.
В соответствии с патентуемой полезной моделью испытательный стенд включает в свой состав, по меньшей мере, один дополнительный экран, выполненный в виде диафрагмы с центральным отверстием, размер которого меньше размера охлаждаемого экрана-преобразователя в любом выбранном направлении. Дополнительный экран размещен между отсеком вакуумной камеры, в котором устанавливается испытываемый ЭРД, и охлаждаемым экраном-преобразователем. Криогенные насосы соединены с отсеками вакуумной камеры, расположенными между отсеком, предназначенным для установки ЭРД, дополнительным экраном и экраном-преобразователем.
При работе испытательного стенда, содержащего перечисленные выше технические признаки, энергия струи ионизованного газового потока, который генерируется испытуемым ЭРД, используется для откачки вакуумной камеры. При этом требуемый уровень остаточного давления в вакуумной камере достигается при меньшей быстроте действия криогенных насосов. Данный эффект связан с применением дополнительного экрана, выполненного в виде диафрагмы с центральным отверстием.
Диафрагма разделяет вакуумную камеру на два насосных отсека. Первый насосный отсек располагается между отсеком, предназначенным для установки ЭРД, и диафрагмой, а второй - между диафрагмой и охлаждаемым экраном-преобразователем энергии. При таком конструктивном выполнении часть струи ионизованного газа рассеивается на диафрагме. Однако большая часть газового потока проходит через центральное отверстие дополнительного экрана (диафрагмы) и попадает во второй насосный отсек. После рассеивания газовой струи на поверхности охлаждаемого экрана-преобразователя энергии часть газового потока перетекает через центральное отверстие диафрагмы в обратном направлении: из второго в первый насосный отсек.
Прямой газовый поток поступает во второй отсек через центральное отверстие в виде сфокусированной струи ионизованного газа, а обратный поток формируется за счет статического давления газа в полости второго отсека. В этом случае дополнительный экран, разделяющий два насосных отсека, выполняет функцию газового сопротивления для обратного газового потока, перетекающего из второго в первый насосный отсек. Вследствие этого уменьшается расход газа в обратном направлении по сравнению с расходом газа в прямом направлении.
В результате возникновения дисбаланса расходов газа между насосными отсеками происходит повышение статического давления газовой среды во втором насосном отсеке относительно давления в первом насосном отсеке. Следствием этого является увеличение производительность криогенных насосов, соединенных со вторым насосным отсеком. Увеличение производительности насосов происходит пропорционально величине остаточного давления во втором насосном отсеке. Данное явление позволяет сократить количество криогенных насосов, соединенных со вторым насосным отсеком, и/или снизить энергопотребление насосов в целом.
Следует отметить, что попадание большей части сфокусированной струи ионизированного газа на поверхность охлаждаемого экрана-преобразователя энергии определяется выполнением условия, согласно которому размер центрального отверстия должен быть меньше размера охлаждаемого экрана-преобразователя в любом выбранном направлении. В зависимости от формы поперечного сечения струи ионизованного газа, генерируемой испытуемым ЭРД, выбираются форма и размеры охлаждаемого экрана-преобразователя энергии, на поверхности которого осаждаются ускоренные частицы.
Форма и размеры центрального отверстия в диафрагме выбираются из условия обеспечения пропускания через диафрагму (дополнительный экран) большей части струи ионизованного газа с максимально возможной величиной ионного тока. В случае испытаний ЭРД, генерирующего струю ионизованного газа с круглым поперечным сечением, центральное отверстие в дополнительном экране выполняется в форме круга.
С целью повышения газового сопротивления дополнительного экрана и, следовательно, увеличения производительности криогенных наосов, соединенных со вторым насосным отсеком, дополнительный экран снабжается кольцевой вставкой, образующей центральное отверстие дополнительного экрана. Протяженность кольцевой вставки вдоль направления истечения ионизованной газовой струи выбирается не менее радиуса центрального отверстия.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения испытательного стенда, предназначенного для испытания ионного ЭРД с высокочастотной разрядной камерой. На поясняющем чертеже (см. фиг.1) схематично изображен испытательный стенд с испытуемым ЭРД.
Испытательный стенд включает в свой состав вакуумную камеру с диагностическим отсеком 1, первым и вторым насосными отсеками 2 и 3. Вблизи от разъемного торцевого фланца 4 вакуумной камеры устанавливается ионный ЭРД 5 с высокочастотной разрядной камерой. В рассматриваемом примере осуществления полезной модели диагностический отсек служит отсеком для установки испытываемого ЭРД 5. Отсеки 1, 2 и 3 устанавливаются на мобильных платформах 6 и 7. В качестве рабочего газа ЭРД 5 используется ксенон. Внешний диаметр ионно-оптической системы ЭРД 5 равен 450 мм. Мощность испытываемого двигателя достигает 35 кВт при величине удельного импульса от 4000 с до 7000 с.
3
3
3
3
Вакуумная насосная система испытательного стенда включает в свой состав криогенные насосы 8 и 9, соединенные соответственно с насосными отсеками 2 и 3. В качестве насосов 8, соединенных с первым вакуумным отсеком 2, используются три криогенных наоса типа «Velco 1250 Xe», быстрота действия каждого из которых -65 м/с. В качестве насосов 9, соединенных со вторым вакуумным отсеком 3, применяются криогенные насосы типа «Velco 502 Хе», быстрота действия каждого из четырех насосов 9 составляет 10,5 м/с. Быстрота откачки первого насосного отсека 2 вакуумной камеры с помощью трех криогенных насосов 8 равна 195 м/с. Быстрота откачки второго насосного отсека 3 с помощью четырех криогенных наосов 9 составляет 42 м/с.
В полости вакуумной камеры установлены два экрана. В торцевой части вакуумной камеры расположен первый экран 10. Данный экран выполнен в виде охлаждаемого экрана-преобразователя энергии струи ионизованного газа, генерируемой ЭРД 5. В рассматриваемом варианте конструкции испытательного стенда экран 10 имеет форму круга диаметром 1700 мм. Экран 10 закреплен на съемном фланце 11 вакуумной камеры. Для охлаждения экрана 10 применяется циркуляционный охладитель замкнутого типа OC-3000R с номинальной охлаждающей способностью 88 кВт.
B
B
B
B
B
Э
Второй (дополнительный) экран выполнен в виде диафрагмы 12. с центральным отверстием 13 в форме круга. Центральное отверстие 13 образовано кольцевой вставкой 14, внутренний диаметр которой равен 1000 мм. Протяженность кольцевой вставки 14 вдоль направления истечения ионизованной газовой струи, генерируемой ЭРД 5, составляет 1000 мм, т.е. в рассматриваемом варианте выполнения испытательного стенда L=D (где L - протяженность кольцевой вставки 14, D - внутренний диаметр кольцевой вставки 14). Диаметр D=1000 мм (характерный размер) центрального отверстия 13 второго экрана меньше диаметра D=1700 мм первого экрана-преобразователя энергии.
Экран 10, диафрагма 12 и кольцевая вставка 14 с центральным круговым отверстием расположены соосно общей оси симметрии вакуумной камеры, вдоль которой ориентирована ионно-оптическая система ЭРД 5 и обеспечивается направленное истечение струи ионизованного газа. Угловое положение поверхностей элементов конструкции экранов выбираются таким образом, чтобы поток ионизованного газа попадал на их поверхность под углом α, близким к значениям α=0° и α=90°. Согласно экспериментальным данным при указанных угловых значениях направленный поток заряженных частиц (ионов) вызывает минимальное распыление поверхностей элементов экранов.
Испытания ЭРД с помощью испытательного стенда, схема которого изображена на фиг.1, осуществляются следующим образом.
-4
3
0
ЭРД 5 устанавливается в отсеке 1. Экран 10 закрепляется на съемном фланце 11. Отсеки 1, 2 и 3 стыкуются с помощью мобильных платформ 6 и 7. Затем проводится герметизация стыков между отсеками и разъемными фланцами вакуумной камеры. Перед включением ЭРД 5 и проведением измерений его характеристик производится откачка вакуумной камеры до уровня остаточного давления инертной среды не выше 7·10 Па. Для этого вакуумная камера предварительно откачивается с помощью сухих форвакуумных насосов: одного насоса типа DOC EDWARDS iH1000 и двух насосов типа Kashiyama MU 1200 (на чертеже не показаны). После этого включаются вакуумные криогенные насосы 8 и 9. Быстрота откачки вакуумной камеры S при одновременной работе трех криогенных насосов 8 в первом насосном отсеке 2 и четырех криогенных наосов 9 во втором отсеке 3 составляет 237 м/с.
-5
H
После достижения требуемого уровня остаточного давления инертной среды в вакуумной камере производят включение ЭРД 5. Расход рабочего газа (ксенона), поступающего из разрядной камеры работающего двигателя в полость вакуумной камеры составляет до 10 кг/с. При данных условиях требуемая быстрота откачки вакуумной камеры, величина которой определяется суммарной быстротой действия всех вакуумных криогенных насосов S, выражается следующим соотношением:
,
-4
где Р=7·10 Па - рабочее давление в вакуумной камере;
0
5
P=10 Па - нормальное атмосферное давление;
3
ρ=5,85 кг/м - плотность ксенона при нормальных условиях;
-5
G=10 кг/с - массовый расход рабочего газа - ксенона.
0
H
3
Недостающая часть величины откачки вакуумной камеры при использовании вакуумных криогенных насосов 8 и 9 составляет ΔS=S-S=23 м/с. Данная часть быстроты откачки вакуумной камеры восполняется за счет использования энергии струи ионизованного газа, генерируемой ЭРД 5. При этом значение коэффициента использования криогенных насосов 8 и 9, соединенных с насосными отсеками 2 и 3, достигает значения ~1,0.
B
B
B
Данный результат достигается следующим образом. Диаметр центрального отверстия 13 выбирается из условия прохождения большей части ионного тока в струе ионизованного газа из первого насосного отсека 2 во второй насосный отсек 3. Для рассматриваемого варианта конструкции испытательного стенда расстояние между выходной частью ионно-оптической системы ЭРД 5 и входной частью кольцевой вставки 14, образующей центральное отверстие диаметром D=1000 мм, равно 2000 мм. При выбранных размерах L и D кольцевой вставки 14 и соответствующих размерах диафрагмы 12 величина телесного угла, в котором заключена большая часть ионного тока, проходящего во второй насосный отсек 3 через центральное отверстие 14, составляет 22°.
Экспериментально установлено, что величина ионного тока, заключенного в телесном угле равном 22°, составляет 70% от общей величины ионного тока, генерируемого ЭРД 5. Таким образом, ~70% ионного тока попадает на поверхность охлаждаемый экран 10, установленный во втором насосном отсеке 3. С помощью охлаждаемого экрана 10 осуществляется преобразование кинетической энергии струи ионизованного газа в тепловую энергию. Рассеянный на поверхности экрана 10 газовый поток попадает на поверхность второго насосного отсека 3 и откачивается с помощью криогенных наосов 9.
Часть рассеянного на поверхности экрана 10 газового потока вытекает в обратном направлении через центральное отверстие 13 и попадает в первый насосный отсек 2. При откачке полости первого насосного отсека 2 с помощью криогенных наосов 8 происходит выравнивание прямого по величине расхода прямого газового потока, поступающего из разрядной камеры ЭРД 5, и обратного газового потока, поступающего через центральное отверстие 13 из второго насосного отсека 3.
Следует отметить, что обратный газовый поток испытывает газовое сопротивление, создаваемое диафрагмой 12 с кольцевой вставкой 14. Вследствие этого происходит повышение статического давления газа во втором насосном отсеке 3. Перераспределение давления газовой среды между насосными отсеками вакуумной камеры позволяет повысить эффективность использования криогенных наосов 9, соединенных со вторым насосным отсеком 3, пропорционально величине давления газа. В результате увеличения производительности системы вакуумной откачки становится возможным упрощение конструкции и снижения энергопотребления испытательного стенда за счет сокращения количества вакуумных насосов и уменьшения потребляемой наосами электроэнергии.
В процессе проведения испытаний при заданном уровне остаточного давления инертной среды в вакуумной камере на установившемся режиме проводятся измерения тяговых и электрических характеристик ЭРД 5 с помощью измерительного оборудования, установленного в отсеках вакуумной камеры.
Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной форме выполнения конструкции испытательного стенда, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации полезной модели. В частности, дополнительный экран может использоваться без кольцевой вставки. В этом случае центральное отверстие экрана может быть образовано непосредственно в самой диафрагме, разделяющей отсеки вакуумной камеры.
В зависимости от формы и размеров выходных отверстий ионно-оптической системы ЭРД выбирается форма и размеры центрального отверстия в дополнительном экране, а также форма и размеры охлаждаемого экрана-преобразователя энергии струи ионизованного газа. Так, например, при испытаниях ЭРД, разработанных на основе источника ионов с ленточным пучком, целесообразно использовать центральное отверстие в дополнительном экране овальной формы, повторяющей форму генерируемого ленточного ионного пучка ионов удаленном расстоянии от выходного отверстия ионно-оптической системы.
В вакуумной камере могут быть установлены несколько дополнительных экранов, выполненных в виде диафрагм с центральным отверстием. В этом случае криогенные насосы соединяются с отсеками вакуумной камеры, расположенными между отсеком, предназначенным для установки ЭРД, диафрагмами и охлаждаемым экраном-преобразователем энергии,
Испытательный стенд может применяться для проведения различного рода испытаний ЭРД, включая ресурсные испытания, и для измерения широкого диапазона характеристик ЭРД. В качестве испытуемых двигателей могут использоваться ЭРД различных типов, в том числе импульсные и стационарные плазменные двигатели, применяемые в составе двигательных установок КА для работы условиях глубокого космического вакуума.