СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСА СИЛЫ ТЯГИ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L5/13 

Изобретение относится к испытаниям ракетных двигателей, а конкретно, к способам и устройствам для измерения импульса силы тяги ракетного двигателя.

Известно устройство для измерения реактивной силы (силы тяги) и ее импульса [1] Измерение реактивной силы во времени регистрируется путем записи показаний пружинного динамометра на вращающемся барабане. Импульс реактивной силы (силы тяги) вычисляется графически интегрированием кривой R=R(τ). В данном устройстве реализован способ измерения импульса силы тяги, включающий измерение силы тяги с последующим интегрированием диаграммы. Вследствие низкой собственной частоты динамометра кривая записи силы тяги имеет волнообразный характер, что усложняет процесс обработки и уменьшает точность определения импульса. Кроме того, использование для измерения силы пружинного динамометра не обеспечивает автоматизации процесса измерения и обработки результатов испытаний, характерных для современного уровня техники, что также снижает точность определения импульса силы тяги и не обеспечивает современных требований оперативности обработки.

В последнее время широкое распространение для измерения силы тяги ракетных двигателей получили электрические первичные преобразователи усилия (датчики): тензометрические, вибрационно-частотные, пьезоэлектрические. Наибольшее распространение для измерения силы тяги ракетных двигателей и ее импульса получили тензометрические преобразователи. Известен тензометрический преобразователь усилия [2] в котором в качестве чувствительного элемента применено кольцо с наклеенными на него тензометрами. Использование этого первичного преобразователя усилия в вышерассмотренном устройстве для измерения импульса силы тяги [1] вместо пружинного динамоментра обеспечивает возможность автоматизации процессов измерений и обработки результатов измерений, что позволяет более точно определять импульс силы тяги ракетного двигателя.

Однако при проведении огневых стендовых испытаний в результате динамического изменения силы в момент запуска двигателя и выхода его на режим в системе первичный преобразователь элементы крепления испытуемый двигатель возбуждаются слабо затухающие собственные механические колебания. Инерционные перегрузки, возникающие при колебаниях, передаются на первичный преобразователь и воспринимаются им, складываясь с измеряемой силой тяги. Амплитуда колебаний нередко соизмерима со значением измеряемой силы тяги и время затухания колебаний достигает нескольких секунд. Колебания искажают картину процесса и оказывают влияние на работу испытуемого двигателя. Кроме того, срабатывание воспламенителя в ракетном двигателе с вкладным зарядом твердого топлива (вкладной шашкой) приводит к резким перемещениям шашки в камере двигателя, удару шашки по днищу двигателя, отскоку с последующим ударом по противоположному днищу. В результате этих ударов первичный преобразователь стенда воспринимает кратковременные усилия, величина которых может значительно (на порядок) превышать значения силы тяги на установившемся режиме работы двигателя. У ракетных двигателей артиллерийских активно-реактивных снарядов сила тяги на установившемся режиме составляет несколько десятков килограмм, а в момент вскрытия сопловой заглушки (достаточно массивной, так как она должна выдерживать значительные давления от метательного заряда в стволе орудия) возникает кратковременное усилие, величина которого может превышать на порядок значение силы тяги на установившемся режиме. Таким образом, в процессе выхода двигателя на режим (в моменты срабатывания воспламенителя и вскрытия сопловой заглушки) на первичный преобразователь стенда воздействует кратковременные всплески силы (удары), значительно превосходящие (иногда на порядок и выше) по величине значения силы тяги на установившемся режиме. Если номинальное значение первичного преобразователя выбрано по величине значения силы тяги на установившемся режиме, то в процессе выхода двигателя на режим от воздействия кратковременных ударов, существенно превосходящих номинальное значение преобразователя, последний выходит из строя и не позволяет измерить силу тяги на установившемся режиме и определить импульс тяги ракетного двигателя. Если же номинальное значение первичного преобразователя выбирается по величине всплесков силы в процессе выхода двигателя на режим, то необоснованно загрубляется точность измерения силы тяги на установившемся режиме, а следовательно, не обеспечивается требуемая точность определения импульса силы тяги.

Таким образом, вышерассмотренные стенд и реализованный в нем способ измерения импульса силы тяги ракетного двигателя, выбранные в качестве прототипа изобретения, не обеспечивают точности измерения, требуемой в настоящее время.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения импульса силы тяги ракетного двигателя.

Задача решается тем, что в способе измерения импульса силы тяги ракетного двигателя с помощью первичного преобразователя, включающем измерение воздействия двигателя на первичный преобразователь, воздействие на первичный преобразователь осуществляют через продольный фрикцион, а после окончания работы ракетного двигателя измеряют перемещение фрикциона относительно первоначального положения, соответствующее моменту превышения усилия воздействия ракетного двигателя номинального значения первичного преобразователя, а величину импульса силы тяги I_R ракетного двигателя определяют соотношением:

где I_пп интегральное значение импульса силы тяги, измеренное с помощью первичного преобразователя воздействие ракетного двигателя;
M масса подвижных частей, перемещающихся относительно неподвижной части фрикциона;
F_тр усилие трения фрикциона, соответствующее номинальному значению первичного преобразователя;
L величина продольного перемещения фрикциона относительно первоначального положения.

Способ реализуется стендом, включающим опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором, и элементы крепления испытуемого двигателя, в которой введены продольный фрикцион двухстороннего действия, установленный между опорой и испытуемым двигателем, и устройство измерения продольного перемещения фрикциона. Фрикцион может быть выполнен, например, в виде цанги, охватывающей шток и контактирующей с ним по наружной поверхности, установлен между испытуемым ракетным двигателем и первичным преобразователем, а устройство измерения продольного перемещения фрикциона выполнено в виде мерных делений, нанесенных на штоке. И кроме того, фрикцион может быть выполнен в виде поршня, контактирующего по наружной поверхности с цилиндрической направляющей, при этом зона контактирования выполнена из фрикционного материала.

На фиг. 1 представлена схема стенда; на фиг.2 конструктивное выполнение фрикциона в стенде, выполненном согласно п.3 формулы изобретения; на фиг.3 схематично представлена кривая R_тяги= R(τ), пунктиром показан заброс силы в момент вскрытия заглушки ракетного двигателя артиллерийского активно-реактивного снаряда.

Стенд включает опору 1, первичный преобразователь усилия 2 (датчик) и элементы крепления испытуемого двигателя 3, включающие, например, хвостовик 4 и опорные ролики 5. Продольный фрикцион двухстороннего действия 6 выполнен, например, в виде цанги 7, охватывающей шток 8 и контактирующей с ним по наружной поверхности 9. Усилие трения в фрикционе 6 регулируется с помощью пружины 10 и гайки 11. Передача усилия от гайки 11 на пружину 10 и от последней на цангу 7 осуществляется через втулку 12 и 13 соответственно. Крепление фрикциона к первичному преобразователю 2 осуществляется через переходную резьбовую втулку 14, а к испытуемому двигателю 3 с помощью резьбового хвостовика 15. Гайка 16 и буртик 17 хвостовика 15 выполняют роль упоров-ограничителей хода фрикциона. Фрикцион двухстороннего действия означает, что он выполняет свою функцию как в прямом направлении (в направлении действия силы тяги), так и в противоположном. Это обусловлено тем, что в момент срабатывания воспламенителя от перемещения вкладной топливной шашки и ударов ее о днище двигателя, на фрикцион воздействует знакопеременные удары.

Первичный преобразователь 2 электрически соединен с регистратором 20 через усилитель (тензомерическую станцию) 18 непосредственно либо через магнитограф 19. Если в конструкции первичного преобразователя 2 предусмотрен усилитель, то первичный преобразователь соединяется с регистром 20 напрямую. В качестве регистратора 20 используется измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) на базе компьютера IBM PC. Мерные деления на штоке обозначены цифрой 21.

Реализацию способа измерения импульса силы тяги ракетного двигателя рассмотрим на примере работы стенда.

Цангу 7 фрикциона 6 устанавливают в промежуточное положение на штоке 8, обеспечивая тем самым работу фрикциона в двух направлениях.

С помощью гайки 11, сжимая пружину 10, настраивают фрикцион 6 таким образом, чтобы усилие трения в нем не превышало номинального значения первичного преобразователя 2 и было бы не менее ожидаемого значения силы тяги на установившемся режиме работы двигателя. Наилучший результат настройки фрикциона, когда усилие трения в нем равно номинальному значению первичного преобразователя, так как в этом случае используется весь диапазон первичного преобразователя. Усилие трения в фрикционе проверяется, например, с помощью динамометра разрывной машины. При расчете и проектировании конструкции фрикциона длину его рабочей части определяют из условия гашения импульса силы, обусловленного вскрытием заглушки двигателя артиллерийского активно-реактивного снаряда (точки АВС пунктиром на кривой фиг.3), определяемого расчетом или экспериментально. На опоре 1 устанавливают первичный преобразователь 2, фрикцион 6 и испытуемый двигатель 3. Настраивает первичный преобразователь с регистрирующей аппаратурой. Подают импульс на инициатор ракетного двигателя через систему синхронизации с регистрирующей аппаратурой и осуществляют прожиг двигателя. В процессе работы двигателя он воздействует на первичный преобразователь 2, сигнал с которого поступает через тензостанцию 18 на регистратор 20 (измерительно-вычислительный комплекс на базе компьютера IBM PC), который регистрирует и интегрирует кривую R=R(τ), показанную на фиг.3 и проходящую через точки ОАСДЕ и определяют значение импульса. В моменты, когда усилие, воздействующее на первичный преобразователь через фрикцион 6, превышает усилие трения фрикциона (номинальное значение первичного преобразователя), цанга 7 проскальзывает по штоку 8 до тех пор, пока усилие, воздействующее на первичный преобразователь 2, не уменьшится до усилия, на которое настроен фрикцион. Усилия от ракетного двигателя, не превышающие номинального значения преобразователя 2, передаются через трение в фрикционе 6. Таким образом, на первичный преобразователь 2 в течение всего времени работы двигателя воздействуют усилия, не превышающие его номинального значения и, следовательно, первичный преобразователь не выходит из строя. После окончания работы двигателя по мерным делением на штоке 8 измеряют перемещение фрикциона 6 (цанги 7 относительно штока 8) и определяют величину импульса силы тяги ракетного двигателя по соотношению: . Выражение под корнем в этом соотношении характеризует импульс от кратковременной силы (площадь под кривой по точкам ABC), существенно превосходящей номинальное значение первичного преобразователя и действующей, например, в момент вскрытия сопловой заглушки двигателя активно-реактивного снаряда. Это выражение получено из условий равенства импульса кратковременной силы произведению массы подвижных частей, перемещающихся относительно неподвижной части фрикциона на скорость их перемещения и равенства кинетической энергии подвижных частей работе силы трения фрикциона на пути L.

Кроме того, введение фрикциона в стенд обеспечивает быстрое затухание и уменьшение амплитуды колебаний в системе опора-первичный преобразователь-фрикцион-испытуемый двигатель, обусловленных динамическим изменением силы в процессе выхода двигателя на режим, что также повышает точность измерения импульса силы тяги.

Таким образом, данные способ и стенд для его реализации позволяют повысить точность измерения силы тяги и ее импульса за счет возможности использования более чувствительного первичного преобразователя и сохранения его в моменты, когда усилие воздействия испытуемого двигателя превышает номинальное значение первичного преобразователя.

Сущность изобретения: при определении импульса силы тяги ракетного двигателя на первичный преобразователь воздействуют через продольный фрикцион, после окончания работы ракетного двигателя измеряют перемещение фрикциона относительно первоначального положения, соответствующего моменту превышения усилия воздействия ракетного двигателя номинального значения первичного преобразователя. Величину импульса силы тяги I_R ракетного двигателя определяют по формуле: , где I_пп - интегральное значение импульса силы тяги, измеренное первичным преобразователем, M - масса подвижных частей, перемещающихся относительно неподвижной части фрикциона; F_тр - усилие трения фрикциона, соответствующее номинальному значению первичного преобразователя, L - величина продольного перемещения фрикциона относительно первоначального положения. Стенд содержит опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором, элементы крепления испытуемого двигателя, продольный фрикцион двухстороннего действия, установленный между опорой и испытуемым ракетным двигателем, и измеритель продольного перемещения фрикциона. Фрикцион может быть выполнен в виде цанги, охватывающей шток и контактирующей с ним по наружной поверхности, а измеритель продольного перемещения фрикциона - в виде мерных делений, нанесенных на штоке. И кроме того, фрикцион может быть выполнен в виде поршня, контактирующего по наружной поверхности с цилиндрической направляющей, при этом зона контактирования выполнена из фрикционного материала. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения импульса силы тяги ракетного двигателя с помощью первичного преобразователя, заключающийся в измерении воздействия ракетного двигателя на первичный преобразователь, отличающийся тем, что воздействие на первичный преобразователь осуществляют через продольный фрикцион, а после окончания работы ракетного двигателя измеряют перемещение фрикциона относительно первоначального положения, соответствующее моменту превышения усилия воздействия ракетного двигателя номинального значения первичного преобразователя, а величину импульса силы тяги I_R ракетного двигателя определяют из соотношения

где I_п п измеренное с помощью первичного преобразователя воздействие ракетного двигателя, соответствующее интегральному значению импульса силы тяги;
M масса подвижных частей, перемещающихся относительно неподвижной части фрикциона;
F_т р усилие трения фрикциона, соответствующее номинальному значению первичного преобразователя;
L величина продольного перемещения фрикциона относительно первоначального положения. 2. Стенд для определения импульса силы тяги ракетного двигателя, содержащий опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором, и элементы крепления испытуемого ракетного двигателя, отличающийся тем, что в него введены продольный фрикцион двустороннего действия, установленный между опорой и испытуемым ракетным двигателем, и устройство измерения продольного перемещения фрикциона. 3. Стенд по п.2, отличающийся тем, что продольный фрикцион установлен между испытуемым ракетным двигателем и первичным преобразователем и выполнен в виде цанги, внутри которой установлен с возможностью контакта по наружной поверхности шток, а устройство измерения продольного перемещения фрикциона выполнено в виде нанесенных на штоке мерных делений. 4. Стенд по п.2, отличающийся тем, что продольный фрикцион выполнен в виде поршня, установленного с возможностью контакта по наружной поверхности с цилиндрической направляющей, а зона контактирования выполнена из фрикционного материала.