УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК F23N5/08 F02K9/96 

Изобретение относится к технике контроля параметров ракетного двигателя 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 Δ 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: U = ΔL/Δt.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для измерения скорости горения образца твердого топлива (2) (принято 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 торцов 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, стержень с рядом отверстий, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси стержня, установленного внутри заряда параллельно оси камеры сгорания, и укорачивающегося со скоростью, равной скорости перемещения фронта горения заряда, приемник излучения, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в недопустимости вывода светопровода через переднюю крышку корпуса РДТТ, что исключает возможность получения информации о скорости горения топлива в условиях двигателя. Невозможность получения информации о скорости горения обусловлена недопустимостью образования отверстия в передней крышке РДТТ для вывода светопровода наружу.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего осуществлять измерение скорости 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.

Задача решается за счет того, что в известном устройстве для измерения скорости горения твердого ракетного топлива в РДТТ, содержащем камеру сгорания РДТТ с размещенным в нем зарядом твердого ракетного топлива торцевого горения и стержнем с рядом отверстий, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси стержня, установленного внутри заряда параллельно оси камеры сгорания и укорачивающегося со скоростью, равной скорости перемещения фронта горения заряда, приемник излучения, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени, в каждом отверстии стержня размещена микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы, перед приемником излучения установлен монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии добавочного элемента щелочной группы, а линия визирования приемника излучения с монохроматическим фильтром проходит через плоскость среза сопла РДТТ.

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 линии спектра. Наиболее сильно излучает центральная часть линии, достигается насыщение (т.е. излучающая как абсолютно черное тело с коэффициентом черноты излучения ε_λ=1) 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. Масса атомов натрия в микродозе химического соединения, например хлористого натрия, помещенная в каждом отверстии стержня концентрацией 10¹³ - 10¹⁴ атомов натрия в 1 см³, при продвижении фронта горения в любое отверстие стержня составляет 3,82 • 10^-10 - 3,82 • 10^-9 г, а их объем - 9,94 • 10^-16 - 3,94 • 10^-9 см³. 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 фронта горения каждого из отверстий стержня будет сопровождаться значительным скачкообразным увеличением спектрального потока φ_рез излучаемого пламенем, соответствующего длине волны λ_рез = 0,5893 мкм, поскольку спектральный коэффициент черноты излучения для насыщенной центральной части резонансной линии ε_λ=0,5893 = 0,5893 = 1,0 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 φ_рез, соответствующего длине волны λ_рез = 0,5893 мкм, и сильное подавление спектральных потоков излучения, соответствующих другим длинам волн.

Таким образом, размещенная в отверстиях стержня, выполненного из материала заряда, оргстекла и т.п., микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы и установка приемника излучения, ось визирования которого перпендикулярна геометрической оси РДТТ и проходит через плоскость сечения среза сопла, позволяет получить информацию о скорости горения твердого топлива по излучению резонансной спектральной линии, равной, в случае использования натрийсодержащего химического соединения, длине волны λ_рез = 0,5893 мкм.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения скорости горения топлива в РДТТ. На фиг. 2 показаны осциллограммы сигналов приемника излучения (кривая 1) и отметчика времени (кривая 2).

Устройство (фиг. 1) содержит бронированный заряд топлива 1, корпус 2, стержень 3 с отверстиями 11, монохроматический фильтр 4, приемник излучения 10, фотоусилитель 5, регистрирующий прибор с отметчиком времени 6, датчик давления 8, тензометрическую станцию 9. В отверстиях стержня размещены микродозы химического соединения добавочного элемента щелочной группы 7, например в случае хлористого натрия микродоза составляет 0,0001 - 0,001 см³.

Давление в камере P_к контролируется датчиком 8 (например, ЛХ-410). В качестве приемника излучения может использоваться фотоприемник типа Д-9Э111, сигнал которого усиливается фотоусилителем, выполненным на основе известной схемы на стр. 35 (3). В качестве тензостанции может быть использована тензостанция типа ЛХ-7000, в качестве регистрирующего прибора с отметчиком времени может быть использован светолучевой осциллограф Н-700.

Устройство работает следующим образом.

При воспламенении с помощью электровоспламенителя заряда твердого топлива 1 начинается процесс горения топлива параллельными слоями. При этом фронт горения, оставаясь перпендикулярным геометрической оси РДТТ, перемещается влево. При достижении фронтом горения первого отверстия стержня 3 с микродозой добавочного элемента щелочной группы 7 происходит мгновенная ионизация щелочного элемента. Образующиеся при горении твердого топлива продукты сгорания вместе с атомами ионизированного элемента перемещаются вдоль камеры к срезу сопла со скоростью ~10 м/с. При появлении атомов ионизированного элемента на срезе сопла приемник излучения 10 формирует скачкообразный электрический сигнал, усиливаемый фотоусилителем 5 и регистрируемый регистрирующим прибором 6. Этот сигнал вызывает появление на кривой 1 (фиг. 2) остроконечного импульса (пика), причем число пиков соответствует числу отверстий в стержне.

Измерив на осциллографе интервалы времени Δt_i, соответствующие соседним пикам, и, зная расстояние Δl_i между соседними отверстиями, находят значения скорости горения: U_i = Δl_i/Δt_i для разных участков сгоревшего заряда.

При большом количестве отверстий в стержне число получаемых значений U_i также значительно, что обеспечивает получение значительного объема измерительной информации о скорости горения твердого топлива в условиях РДТТ.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Синаев К.И., Казбан Б.М. Лабораторные работы по внутренней баллистике. Издательство Казанского химико-технологического института. 1962.

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 научно-техническая конференция. Пермь, 1998 г.

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

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

Изобретение относится к технике контроля параметров РДТТ. Устройство содержит камеру сгорания РДТТ с размещенным в нем зарядом твердого ракетного топлива торцевого горения и стержнем с рядом отверстий, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси стержня, установленного внутри заряда параллельно оси камеры сгорания и укорачивающегося со скоростью, равной скорости перемещения фронта горения заряда, приемник излучения, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени. Кроме того, в каждом отверстии стержня размещена микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы. Перед приемником излучения установлен монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии добавочного элемента щелочной группы. Линия визирования приемника излучения с монохроматическим фильтром проходит через плоскость среза сопла РДТТ. Технический результат заключается в выводе модулированного излучения из камеры сгорания РДТТ, благодаря чему достигается получение большого числа результатов измерения скорости горения за один опыт. 2 ил.

Устройство для измерения скорости горения твердого ракетного топлива в ракетном двигателе твердого топлива (РДТТ), содержащее камеру сгорания РДТТ с размещенным в нем зарядом твердого ракетного топлива торцевого горения и стержнем с рядом отверстий, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси стержня, установленного внутри заряда параллельно оси камеры сгорания и укорачивающегося со скоростью, равной скорости перемещения фронта горения заряда, приемник излучения, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени, отличающееся тем, что в каждом отверстии стержня размещена микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы, перед приемником излучения установлен монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии добавочного элемента щелочной группы, а линия визирования приемника излучения с монохроматическим фильтром проходит через плоскость среза сопла РДТТ.