УСТРОЙСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЯГИ И СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРА ТЯГИ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01L5/00 G01M15/00 

Изобретение относится к области наземных испытаний космической техники и может быть использовано при испытаниях различных типов электрореактивных двигателей (ЭРД) и двигательных установок (ЭРДУ) на их основе.

Тяга является важнейшим показателем ЭРД. Электрореактивные двигатели развивают малые тяги, порядка 10^-2-10^-3 Н, поэтому измерение тяги является сложной технической задачей.

Кроме требования получения определенного значения тяги, для ЭРД, используемых в системах коррекции параметров орбиты космических аппаратов, предъявляется требование по ограничению угла отклонения вектора тяги от заданного направления. Это требование обусловлено тем, что при наличии отклонения вектора тяги от заданного направления при работе ЭРД коррекции неизбежно появление боковых составляющих вектора тяги и, как следствие, паразитных вращающих моментов, воздействующих на КА в целом. Требование к величине углов отклонения вектора тяги довольно жесткие: значения допускаемых отклонений вектора тяги от заданного направления для ЭРД не должны превышать одного градуса.

Условия эксплуатации ЭРД на КА требуют также подтверждения работоспособности и стабильности параметров двигателей в условиях изменяющегося теплового окружения.

Известно устройство для измерения тяги ЭРД, содержащее упругие элементы, деформирующиеся под действием тяги двигателя.

Известен способ измерения тяги в таких тягоизмерительных устройствах, который основан на регистрации величины деформации упругих элементов под действием тяги ЭРД [1].

Известно тягоизмерительное устройство типа крутильных весов, принятое за прототип, содержащее горизонтально расположенное и подвешенное на упругом стержне коромысло, на одном конце которого смонтирован испытуемый ЭРД, а на другом конце размещены уравновешивающая масса, отсчетное устройство, регистрирующее крутящий момент, гибкие кабели подвода электрической энергии и трубопроводы подвода рабочего тела к ЭРД.

Известен способ испытания с использованием этого устройства, принятый за прототип, включающий монтаж ЭРД на тягоизмерительное устройство, балансировку тягоизмерительного устройства с установленным на нем ЭРД и проведение испытаний с измерением тяги при рабочих параметрах ЭРД [2].

Известные аналог и прототип, как устройство, так и способ испытаний, имеют ряд недостатков. Использование этого устройства не позволяет измерять боковые составляющие вектора тяги из-за малых, по сравнению с основной тягой, значений боковых составляющих вектора тяги. Измерения составляющих вектора тяги требуется проводить с использованием дополнительного приборного оборудования, имеющего чувствительность к усилиям, примерно на два порядка меньшим, чем тяга ЭРД, то есть необходимо проводить отдельный вид испытаний. Кроме того, при испытаниях на этом устройстве отсутствует возможность воспроизведения теплового окружения двигателя, аналогичного тепловому окружению при его работе в составе КА, а также отсутствует возможность контроля теплового состояния. Вакуумные камеры стендов, на которых проводятся испытания ЭРД, могут иметь различные габариты и конфигурацию в пространстве, например состоять из двух отсеков, геометрические оси которых расположены под углом друг к другу. Горизонтально же расположенное коромысло для обеспечения достаточной чувствительности к моментам, создаваемым работающим ЭРД, должно иметь значительные габариты. Это сужает область возможного использования данного устройства для испытаний в вакуумных камерах с малыми размерами, так как во время испытаний из-за больших габаритов двигатель может находиться вблизи стенок вакуумной камеры, и взаимодействие струи плазмы со стенками вакуумной камеры может влиять на параметры ЭРД.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей тягоизмерительного устройства путем совмещения испытаний по измерению тяги и испытаний по определению отклонения вектора тяги ЭРД, а также создание возможности испытаний ЭРД в контролируемых условиях теплового окружения, аналогичных условиям теплового окружения на КА.

Указанная цель достигается тем, что в известном тягоизмерительном устройстве типа крутильных весов, содержащем горизонтально расположенное и подвешенное на упругом стержне коромысло, на одном конце которого смонтирован испытуемый ЭРД, а на другом конце коромысла размещены уравновешивающая масса и отсчетное устройство, регистрирующее крутящий момент, кабели подвода электрической энергии и трубопроводы подвода рабочего тела к ЭРД, согласно изобретению введены поворотный механизм вращения испытуемого ЭРД вокруг его продольной геометрической оси, состоящий из узла вращения, содержащего привод и отсчетное устройство контроля угла поворота испытуемого ЭРД, и монтажный узел, на котором размещен испытуемый ЭРД, причем продольная геометрическая ось поворотного механизма вращения ЭРД расположена под углом к геометрической оси коромысла.

Между коромыслом и поворотным механизмом испытуемого ЭРД может быть введена консоль под углом к геометрической оси коромысла.

Монтажный узел может быть снабжен блоком подачи и регулирования расхода рабочего тела в ЭРД, системой тепловых экранов, нагревателями и датчиками температуры контроля теплового режима ЭРД.

Участки кабелей подвода электрической энергии и участки трубопроводов подвода рабочего тела к ЭРД в месте размещения поворотного механизма выполнены гибкими.

Снабжение тягоизмерительного устройства расположенным под углом к геометрической оси коромысла поворотным механизмом вращения испытуемого ЭРД вокруг его продольной геометрической оси позволяет "усилить" разницу в показаниях отсчетного устройства, регистрирующего крутящий момент, в процессе поворота ЭРД при наличии у двигателя отклонения вектора тяги от его геометрической оси.

Снабжение тягоизмерительного устройства дополнительной консолью, расположенной под углом к геометрической оси коромысла позволяет расширить область применения тягоизмерительных устройств коромыслового типа.

Введение в состав монтажного узла блока подачи и регулирования расхода рабочего тела в ЭРД, системы тепловых экранов, нагревателей и датчиков температуры позволяет проводить испытания ЭРД в условиях контролируемого теплового окружения, аналогичного тепловому окружению ЭРД при его работе в составе КА.

Выполнение участков электрических кабелей и пневматических трубопроводов гибкими позволяет выполнять вращение ЭРД во время испытаний без выключения для его переустановки в другое положение.

Цель изобретения также достигается тем, что в способе испытаний ЭРД, включающем монтаж ЭРД на тягоизмерительное устройство, балансировку тягоизмерительного устройства с установленным на нем ЭРД и проведение испытаний с измерением тяги при рабочих параметрах ЭРД, согласно изобретению после включения ЭРД и достижения рабочих параметров ЭРД вращают вокруг его геометрической оси, при этом одновременно с измерением тяги регистрируют угол поворота ЭРД, определяют тягу как среднее арифметическое результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг от друга на 180^o, определяют боковую составляющую вектора тяги как полуразность результатов измерений тяги в этих же положениях, а по соотношению между тягой и боковой составляющей определяют угол отклонения вектора тяги ЭРД.

Измерения тяги при испытаниях ЭРД можно проводить в четырех взаимно перпендикулярных положениях ЭРД, после чего определяют тягу как среднее арифметическое результатов измерений тяги в четырех положениях, а боковую составляющую вектора тяги - как среднее квадратическое из суммы квадратов полуразностей результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг от друга на 180^o.

Непрерывное вращение ЭРД при испытаниях позволяет определить величину боковой составляющей вектора тяги в любой плоскости, проходящей через ось ЭРД.

Проведение испытаний ЭРД, в процессе которых определяют значения тяги в четырех взаимно перпендикулярных положениях ЭРД, и последующего вычисления тяги как среднего арифметического результатов измерений тяги в четырех положениях и вычисления боковой составляющей вектора тяги как среднего квадратического из суммы квадратов полуразностей результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг от друга на 180^o, позволяет узнать величину векторов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, по которым можно определить отклонение вектора тяги ЭРД в пространстве.

Таким образом, тягоизмерительное устройство по определению тяги и составляющих вектора тяги ЭРД и способ испытаний, предлагаемые согласно изобретению, позволяют испытывать ЭРД в требуемых тепловых условиях на одном и том же устройстве, которое позволяет выполнять не только измерения его тяги, но и боковых составляющих вектора тяги, по которым определяется угол отклонения вектора тяги ЭРД от его продольной геометрической оси - одного из основных эксплуатационных параметров ЭРД.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство с устройством вращения ЭРД вокруг его геометрической оси и монтажным узлом, на котором установлен испытуемый ЭРД.

На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства с консолью, на конце которой закреплено устройство вращения ЭРД вокруг его геометрической оси, и монтажным узлом, на котором установлен испытуемый ЭРД.

На фиг.3 изображен общий вид монтажного узла ЭРД.

На фиг.4 и 5 изображены схемы, иллюстрирующие изменения моментов сил при повороте ЭРД вокруг его геометрической оси во время работы ЭРД для основного варианта конструкции предлагаемого устройства.

На фиг.6 и 7 изображены схемы, иллюстрирующие изменения моментов сил при повороте ЭРД вокруг его геометрической оси во время работы ЭРД для варианта конструкции предлагаемого устройства с консолью, закрепленной на конце коромысла.

Устройство по определению тяги и составляющих вектора тяги ЭРД содержит коромысло 1, которое подвешено на упругом стержне 2, на одном из концов коромысла 1 закреплена уравновешивающая масса 3, а на другом конце установлен поворотный механизм вращения двигателя вокруг его геометрической оси, состоящей из узла вращения, содержащего привод 4 и устройство контроля угла поворота ЭРД 5, и монтажный узел 6, на который устанавливается испытуемый ЭРД 7. Для измерения крутящих моментов при работе двигателя 7 на коромысле 1 установлено отсчетное устройство 8. К ЭРД 7 подсоединены гибкие электрические кабели 9 и 10 подвода электрической энергии и гибкие трубопроводы 11 и 12 подачи рабочего тела. ЭРД 7 с поворотным механизмом могут быть закреплены на конце дополнительной консоли 13. Для подачи и регулирования расхода рабочего тела в ЭРД и его перераспределения между анодом и по меньшей мере одним катодом на монтажном узле 6 может быть установлен блок распределения рабочего тела 14. Для поддержания требуемого теплового режима на монтажном узле 6 могут быть установлены нагреватели 15, радиаторы 16 и система тепловых экранов 17. Для контроля теплового состояния двигателя на монтажном узле 6 могут быть установлены датчики температуры (термопары) 18.

Способ испытаний осуществляется следующим образом.

Перед проведением испытаний ЭРД 7 монтируют на монтажный узел 6 поворотного механизма вращения двигателя вокруг его геометрической оси. После монтажа ЭРД выполняют балансировку тягоизмерительного устройства в целом при помощи уравновешивающей массы 3. После включения ЭРД и достижения рабочих параметров ЭРД вращают при помощи привода 4 вокруг его геометрической оси. При этом одновременно с измерением тяги регистрируют угол поворота ЭРД при помощи устройства 5. Это позволяет вычислить тягу как среднее арифметическое результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг друга на 180^o, а боковую составляющую вектора тяги вычислить как полуразность результатов измерений тяги в этих же положениях.

В другом случае измерения тяги проводят в четырех взаимно перпендикулярных положениях ЭРД. После чего вычисляют тягу как среднее арифметическое результатов измерений тяги в четырех положениях, а боковую составляющую вектора тяги вычисляют как среднее квадратическое из суммы квадратов полуразностей результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг от друга на 180^o.

Принцип работы предлагаемого устройства иллюстрируется следующими схемами на фиг.4, 5.

Если поворотный механизм вращения двигателя вокруг его геометрической оси устанавливают на коромысле 1 тягоизмерительного устройства под углом α_п, то, если двигатель имеет отклонение вектора тяги (Ft) от геометрической оси двигателя на угол α_д (фиг.4), при работе двигателя создается момент силы тяги с плечом, равным отрезку O_кМ₁ (О_к - место закрепления упругого стержня 2 на коромысле 1).

После поворота двигателя вокруг его геометрической оси на 180^o (фиг.5) момент, создаваемый вектором тяги двигателя Ft, будет определяться плечом О_кМ₂, который будет отличаться от первоначально измеренного момента, и величина этого различия будет зависеть от величины угла отклонения вектора тяги ЭРД.

Расчеты уравнений моментов показывают, что если угол установки оси устройства вращения двигателя α_п составляет величину порядка 25^o, при наличии у двигателя угла отклонения вектора тяги величиной в 1^o, разница в моментах, регистрируемых предлагаемым устройством при вращении двигателя, составит около 8%.

Принцип работы тягоизмерительного устройства с консолью поясняется схемами на фиг.6 и 7. На схеме дополнительная консоль 13 условно показана прямолинейной и перпендикулярной к коромыслу. Однако условие перпендикулярности и прямолинейности консоли, а также условие прямолинейности коромысла не являются обязательными.

Сравнение длины плеч для двух положений двигателя, отличающихся на угол 180^o, показывает наличие разницы в их величине, т.е. при вращении работающего двигателя на тягоизмерительном устройстве с консолью вокруг его геометрической оси также будет регистрироваться разница в моментах.

Разница в регистрируемых моментах при вращении работающего двигателя зависит от соотношения между длиной коромысла и консоли. Например, если длина консоли в два раза больше, чем длина конца коромысла от места закрепления упругого стержня до места закрепления консоли, то при испытаниях двигателя с углом отклонения вектора тяги, равным одному градусу, при вращении двигателя вокруг его геометрической оси разница в показаниях устройства регистрации крутящего момента составит более 8%. Такая величина разницы тяг уже вполне может быть зарегистрирована устройством, регистрирующим крутящий момент, которое ранее использовалось в прототипе.

Таким образом, испытания двигателя на предлагаемом устройстве дают информацию о наличии у двигателя отклонения вектора тяги. В предельном случае, когда отклонения вектора тяги нет, то при вращении двигателя изменений в регистрируемых моментах не будет.

Источники информации
1. Яковлев В.А. Испытания космических электроракетных двигательных установок. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1981, с.171.

2. Яковлев В.А. Испытания космических электроракетных двигательных установок. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1981, с.172 - прототип.

Использование: при наземных испытаниях космической техники, а именно различных типов электрореактивных двигателей (ЭРД) и двигательных установок (ЭРДУ) на их основе. Устройство содержит тягоизмерительное устройство, содержащее горизонтально расположенное и подвешенное на упругом стержне (2) коромысло (1), на одном конце которого смонтирован испытуемый ЭРД (7). На другом конце коромысла размещены уравновешивающая масса (3) и отсчетное устройство (8), регистрирующее крутящий момент, кабели подвода электрической энергии (9 и 10) и трубопроводы подвода рабочего тела (11 и 12) к ЭРД. В устройство введен поворотный механизм вращения испытуемого ЭРД вокруг его продольной геометрической оси, состоящий из узла вращения, содержащего привод (4) и отсчетное устройство (5) контроля угла поворота испытуемого ЭРД. Устройство также содержит монтажный узел (6), на котором размещен испытуемый ЭРД, причем продольная геометрическая ось механизма вращения испытуемого ЭРД расположена под углом к геометрической оси коромысла. В способе испытаний ЭРД, включающем монтаж ЭРД на тягоизмерительное устройство, балансировку тягоизмерительного устройства с установленным на нем ЭРД и проведение испытаний с измерением тяги при рабочих параметрах ЭРД, после включения ЭРД и достижения рабочих параметров ЭРД вращают вокруг его геометрической оси. Одновременно с измерением тяги регистрируют угол поворота ЭРД, определяют тягу как среднее арифметическое результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг от друга на 180^o, определяют боковую составляющую вектора тяги как полуразность результатов измерений тяги в этих же положениях, а по соотношению между тягой и боковой составляющей определяют угол отклонения вектора тяги ЭРД. Технический результат: повышение точности измерений. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство по определению тяги и составляющих вектора тяги электрореактивного двигателя (ЭРД), содержащее горизонтально расположенное и подвешенное на упругом стержне коромысло, на одном конце которого смонтирован испытуемый ЭРД, а на другом конце коромысла размещены уравновешивающая масса и отсчетное устройство, регистрирующее крутящий момент, кабели подвода электрической энергии и трубопроводы подвода рабочего тела к ЭРД, отличающееся тем, что введены поворотный механизм вращения испытуемого ЭРД вокруг его продольной геометрической оси, состоящий из узла вращения, содержащего привод и отсчетное устройство контроля угла поворота испытуемого ЭРД, и монтажный узел, на котором размещен испытуемый ЭРД, причем продольная геометрическая ось механизма вращения испытуемого ЭРД расположена под углом к геометрической оси коромысла. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между коромыслом и поворотным механизмом испытуемого ЭРД введена консоль под углом к геометрической оси коромысла. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что монтажный узел снабжен блоком подачи и регулирования расхода рабочего тела в ЭРД, системой тепловых экранов, нагревателями и датчиками температуры контроля теплового режима ЭРД. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что участки кабелей подвода электрической энергии и участки трубопроводов подвода рабочего тела к ЭРД в месте размещения поворотного механизма выполнены гибкими. 5. Способ испытаний ЭРД, включающий монтаж ЭРД на тягоизмерительное устройство, балансировку тягоизмерительного устройства с установленным на нем ЭРД и проведение испытаний с измерением тяги при рабочих параметрах ЭРД, отличающийся тем, что после включения ЭРД и достижения рабочих параметров ЭРД вращают вокруг его геометрической оси, при этом одновременно с измерением тяги регистрируют угол поворота ЭРД, определяют тягу как среднее арифметическое результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг от друга на 180 град., определяют боковую составляющую вектора тяги как полуразность результатов измерений тяги в этих же положениях, а по соотношению между тягой и боковой составляющей определяют угол отклонения вектора тяги ЭРД. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что измерения тяги при испытаниях ЭРД проводят в четырех взаимно перпендикулярных положениях ЭРД, после чего определяют тягу как среднее арифметическое результатов измерений тяги в четырех положениях, а боковую составляющую вектора тяги - как среднее квадратическое из суммы квадратов полуразностей результатов измерений тяги в положениях ЭРД, повернутых относительно друг от друга на 180 град.