УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК F23N5/08 

Изобретение относится к технике контроля параметров ракетного дввигателя твердого топлива (РДТТ).

Известно устройство для измерения скорости горения образца твердого топлива, содержащее герметичную камеру сгорания, размещенный в ней в бронированном стакане образец твердого топлива с двумя сигнальными металлическими нитями, расположенными на известном контрольном расстоянии друг от друга в отверстиях просверленных в образце перпендикулярно его оси, многоканальный регистратор с отметчиком времени [1]. Данное устройство является малоэффективным, так как обеспечивает за один опыт получение только одного значения скорости горения U путем деления контрольного участка ΔL на время Δt между регистрируемыми многоканальным регистратором моментами перегорания металлических нитей при движении фронта горения: [1].

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для измерения скорости горения образца твердого топлива [4], принятое за прототип, содержащее герметичную камеру сгорания с размещенными в ней образцом твердого топлива торцевого горения, расположенного внутри бронированного стакана, и светопроводом с рядом отверстий, геометрические оси которых перпендикулярны геометрической оси светопровода и расположены на известных расстояниях друг от друга, выполненным из материала, прозрачного в видимой области спектра и сублимирующего в зоне горения со скоростью, равной скорости горения образца топлива, и установленным по оси стакана с расположением входа и выхода со стороны открытого и термоизолированного торцев образца топлива, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением, включают камеру сгорания с размещенным в ней бронированным зарядом твердого топлива торцевого горения, приемник излучения, фотоусилитель и многоканальный регистрирующий прибор с отметчиком времени. Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в невозможности размещения в разных точках каждого из нескольких поперечных сечений бронированного заряда твердого топлива торцевого горения РДТТ микродоз химических соединений разных добавочных элементов щелочной группы, что исключает получение информации о скорости и равномерности горения топлива в точках разных поперечных сечений, находящихся на одинаковых расстояниях от геометрической оси заряда.

Невозможность получения информации о скорости и равномерности горения топлива обусловлена малым диаметром светопровода, при котором в каждом поперечном сечении заряда может быть размещена только одна микродоза.

Сущность изобретения заключается в следующем. Изобретение направлено на решение задачи создания устройства, позволяющего осуществлять измерение скорости и равномерности горения твердого топлива в условиях РДТТ.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в выводе модулированного излучения из камеры сгорания РДТТ, благодаря чему достигается получение большого числа результатов измерения скорости горения за один опыт.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем камеру сгорания РДТТ, с расположенными в ней зарядом твердого ракетного топлива торцевого горения, приемником излучения, фотоусилителем и многоканальным регистрирующим прибором с отметчиком времени, в заряде выполнены отверстия, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси заряда, в отверстиях на разных радиусах от геометрической оси заряда размещают микродозы химических соединений разных добавочных элементов щелочной группы в объеме от 0,001 см³ до 0,01 см³, причем в разных отверстиях микродозу химического соединения одного и того же добавочного элемента размещают на одном радиусе от геометрической оси заряда, а свободное пространство между микродозами заполняют бронирующим составом, линию визирования приемника излучения совмещают с плоскостью среза сопла РДТТ, а перед приемником излучения устанавливают монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии одного из n используемых добавочных элементов щелочной группы, n-1-светоделительных пластинок и объектив, в отраженных от светоделительных пластинок лучах устанавливают по одному в каждом луче дополнительному приемнику излучения с монохроматическим фильтром, имеющим длину волны пропускания, равную длине волны насыщенной центральной части спектральной линии одного из n-используемых добавочных элементов щелочной группы, а выходы дополнительных приемников излучения подключают через дополнительные фотоусилители к раздельным входам многоканального регистрирующего прибора с отметчиком времени.

К числу элементов щелочной группы относятся металлы: цезий, калий, литий, натрий. Все эти элементы имеют низкий потенциал возбуждения и дают интенсивное излучение прежде всего в виде резонансной лини спектра. Наиболее сильно излучает центральная часть линии, достигается насыщение (т.е. излучающая как абсолютно черное тело с коэффициентом черноты излучения ε_λ= I) при достаточной концентрации добавочного элемента. При этом требуемые добавки щелочного элемента настолько малы, что они не влияют на кинетику процесса горения топлива [3]. Так, при использовании в качестве добавочного элемента натрия, насыщенное излучение центральной части резонансной линии натрия с длиной волны λ_рез= 0,5893 мкм достигается при концентрации атомов натрия в пламени 10¹³ - 10¹⁴ атомов в 1 см³ и температурах порядка 2000 К [2]. Температуры горения большинства современных топлив превышают указанное значение температуры ионизации атомов натрия. Поэтому все атомы натрия в зоне горения топлива будут находиться в ионизированном состоянии. Необходимая масса атомов натрия в микродозе химического соединения, например хлористого натрия, должна составлять 3,82•10^-10 - 3,82•10^-9 г. Это очень малые величины. Поэтому микродозы хлористого натрия объемом 0,0001 - 0,001 см³, размещаемые в каждом отверстии стержня, легко обеспечат требуемое содержание 10¹³ - 10¹⁴ атомов натрия в 1 см³ пламени. Очевидно, что в этом случае прохождение фронтом горения участка отверстия, в котором находится микродоза хлористого натрия, будет сопровождаться значительным скачкообразным увеличением спектрального потока Ф_рез, излучаемого пламенем на длине волны λ_рез.= 0,5893 мкм, поскольку спектральный коэффициент черноты излучения для насыщенной части резонансной линии ε_λ=0,5893 = I и во много раз превышает значения спектрального коэффициента излучения для других длин волн.

Установка монохроматического фильтра с длиной волны пропускания λ_рез.= 0,5893 мкм обеспечивает прохождение на приемник излучения преимущественно спектрального потока Ф_рез, соответствующего длине волны λ_рез.= 0,5893 мкм, и сильное подавление спектральных потоков излучения, соответствующих другим длинам волн.

Таким образом, размещение в каждом отверстии в заряде на разных радиусах от геометрической оси камеры сгорания микродоз химических соединений разных добавочных элементов щелочной группы, визирование приемника илучения через монохроматический фильтр, n-1-светоделительных пластинок и объектив на срез сопла РДТТ, установка в отраженных от светоделительных пластинок лучах n-1-дополнительных приемников излучения с монохроматическими фильтрами, подключенными через дополнительные фотоусилители к раздельным входам многоканального регистрирующего прибора с отметчиком времени позволяет получить информацию о скорости горения твердого топлива для разных точек поперечного сечения заряда по излучению резонансных спектральных линий используемых добавочных элементов щелочной группы. Знание скоростей горения для разных точек поперечных сечений заряда позволяет оценить неравномерность горения топлива в условиях РДТТ.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения скорости горения топлива в РДТТ. На фиг. 2 показана осциллограмма сигналов приемника излучения (кривая 1), фиксирующего скорость горения в точке поперечных сечений заряда, отстоящей на расстоянии (радиусе) R₁ от геометрической оси камеры сгорания, и отметчика времени (кривая 2). Осциллограммы сигналов дополнительных приемников излучения, фиксирующих скорость горения в точках поперечных сечений с другими расстояниями (R₂, R₃ ...), имеют вид, подобный кривой 1. При этом каждая осциллограмма сигналов соответствует определенному значению R = const.

Устройство (фиг. 1) содержит бронированный заряд твердого топлива торцевого горения 1 с отверстиями 3, корпус 2, монохроматический фильтр 4, приемник излучения 5, систему из n-1-светоделительных пластинок 6, объектив 7, дополнительные приемники излучения 8, дополнительные монохроматические фильтры 9, фотоусилитель 10, дополнительные фотоусилители 11, многоканальный регистрирующий прибор с отметчиком времени 12, микродозы добавочных элементов щелочной группы 12, 13, 14, 15, датчик давления 16, тензостанция 17.

В качестве приемниковв излучения 5, 8 может использоваться фотоприемник типа Д-9Э111, сигнал которого усиливается фотоусилителем, выполненным на основе известной схемы, приведенной на стр. 35 [3]. В качестве тензостанции может использоваться тензостанция типа ЛХ-7000, в качестве датчика давления - датчик типа ЛХ-410, а в качестве многоканального регистрирующего прибора - светолучевой осцилллограф Н-700.

Устройство работает следующим образом. При воспламенении заряда твердого топлива с помощью электровоспламенителя начинается процесс горения топлива параллельными слоями (при равномерном горении). Фронт горения, оставаясь перпендикулярным к геометрической оси РДТТ, перемещается в сторону переднего днища камеры сгорания. При достижении фронтом первого отверстия с размещенными в нем микродозами химических соединений разных добавочных элементов щелочной группы 12, 13, 14 и 15 происходит мгновенная ионизация элементов щелочной группы. Атомы ионизированных элементов щелочной группы увлекаются продуктами сгорания топлива и перемещаются вдоль камеры сгорания в сторону соплового блока со скоростью ~10 м/с. При появлении атомов ионизированных элементов на срезе сопла поток суммарного излучения Ф_Σ продуктов сгорания проходит через объектив 7 и распределяется светоделительной системой 6, состоящей из n-1-светоделительных пластинок, в n-оптических каналов, число которых соответствует числу типов используемых микродоз. Монохроматические фильтры 4 и 9 выделяют из потока Ф_Σ монохроматические потоки излучения Длины волн этих потоков совпадают с длинами волн пропускания указанных фильтров. При этом, длина волны пропускания каждого фильтра равна длине волны насыщенной центральной части резонансной спектральной линии одного из элементов щелочной группы, входящих в состав микродоз 12, 13, 14, 15. Под действием монохроматических потоков приемник излучения 5 и дополнительные приемники излучения 11 формируют электрические сигналы, пропорциональные соответствующим монохроматическим потокам. Эти сигналы усиливаются фотоусилителями 10 и 11 и регистрируются многоканальным регистрирующим прибором с отметчиком времени 12. В результате регистрации получают осциллограмму с n-кривыми сигналов приемников излучения (на фиг. 1 приведено устройство для n = 4), подобных кривой 1 (фиг. 2). Если на осциллограмме пики n-кривых, соответствующие одному моменту времени, совпадают (находятся на одной вертикальной линии), то процесс горения топлива протекает равномерно. Для каждой кривой, подобной кривой 1, определяют временной интервал Δt_i между соседними пиками, а зная расстояние ΔL_i между отверстиями, находят значение скорости горения для разных участков длины сгоревшего заряда, соответствующих определенному радиусу (R₁, R₂, R₃, R₄).

При большом количестве отверстий в заряде число получаемых значений скорости M_i также значительно, что позволяет оценить как скорость, так и неравномерность горения топлива в условиях РДТТ.

Источники информации
1. Сигаевв К.И., Казбан Б.М. Лабораторные работы по внутренней баллистике. Издательство Казанского химико-технологического института, 1962 г.

2. Игнатьев Б.С., Игнатьев М.Б., Дадиомов Ю.Р., Стафейчук Б.С., Ямов А. И. Усовершенствованный фотоэлектрический метод измерения скорости горения полимерных композиционных материалов. Международная науяно-техническая конференция, Пермь, 1998 г.

3. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электрические схемы на операционных усилителях, Киев, Техника, 1983 г.

4. Патент РФ N 2122683, МКИ 6 23 N 5/08 "Устройство для измерения скорости горения образца топлива", Б.С.Игнатьев и др. "Бюллетень изобретений", 1998 г., N 33.

Изобретение относится к технике контроля параметров ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ). Устройство содержит камеру сгорания с размещенным в ней бронированным зарядом твердого топлива, приемник излучения, фотоусилитель и многоканальный регистрирующий прибор с отметчиком времени. В заряде выполнены отверстия, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси заряда. В отверстиях на разных радиусах от геометрической оси заряда размещены микродозы химических соединений разных добавочных элементов щелочной группы в объеме 0,001³ - 0,01 см³. Причем в разных отверстиях микродоза химического соединения одного и того же добавочного элемента размещена на одном радиусе от геометрической оси заряда, а свободное пространство между микродозами заполнено бронирующим составом. Линия визирования приемника излучения совмещена с плоскостью среза сопла РДТТ, а перед приемником излучения установлены монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии одного из n-используемых добавочных элементов щелочной группы, n-1-светоделительных пластинок и объектив. В отраженных от светоделительных пластинок лучах установлены по одному в каждом луче дополнительному приемнику излучения с монохроматическим фильтром, имеющим длину волны пропускания, равную длине волны насыщенной центральной части спектральной линии одного из n-используемых добавочных элементов щелочной группы. Данное устройство позволяет осуществлять измерение скорости и равномерности горения твердого топлива. 2 ил.

Устройство для измерения скорости горения топлива в ракетном двигателе твердого топлива, содержащее камеру сгорания с размещенным в ней бронированным зарядом твердого топлива торцевого горения, приемник излучения, фотоусилитель и многоканальный регистрирующий прибор с отметчиком времени, отличающееся тем, что в заряде выполнены отверстия, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси заряда, в отверстиях на разных радиусах от геометрической оси заряда размещены микродозы химических соединений разных добавочных элементов щелочной группы в объеме 0,001 - 0,01 см³, причем в разных отверстиях микродоза химического соединения одного и того же добавочного элемента размещена на одном радиусе от геометрической оси заряда, а свободное пространство между микродозами заполнено бронирующим составом, линия визирования приемника излучения совмещена с плоскостью среза сопла ракетного двигателя твердого топлива, а перед приемником излучения установлены монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии одного из n-используемых добавочных элементов щелочной группы, n-1-светоделительных пластинок и объектив, в отраженных от светоделительных пластинок лучах установлено по одному в каждом луче дополнительному приемнику излучения с монохроматическим фильтром, имеющим длину волны пропускания, равную длине волны насыщенной центральной части спектральной линии одного из n-используемых добавочных элементов щелочной группы, а выходы дополнительных приемников излучения подключены через дополнительные фотоусилители к раздельным входам многоканального регистрирующего прибора с отметчиком времени.