СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕКТОРА ТЯГИ ДВИГАТЕЛЯ С КОСОСРЕЗАННЫМ СОПЛОМ Российский патент 2006 года по МПК F02K9/96 

Настоящее техническое решение относится к вопросу конструирования стенда для отработки двигателей с кососрезанными соплами, используемыми в ракетной технике (например, тормозные двигатели маршевых ступеней ракет, двигатели отделения головного обтекателя ракеты).

Расчетные параметры этих двигателей требуют опытного подтверждения характеристик для обеспечения заданного уровня надежности.

Предлагаемое техническое решение позволяет в каждом единичном испытании двигателя определять вектор тяги, т.е. его величину, направление и точку, через которую проходит этот вектор, закоординированную относительно плоскости крепления двигателя или относительно оси сопла. Это позволяет сократить количество испытаний, тем самым существенно экономить материальную часть с обеспечением заданного уровня надежности.

Известна конструкция стенда для определения составляющих силы тяги ракетного двигателя (см., например, пат. Российской Федерации №2135976, F 02 K 9/96), которая включает опору, элементы крепления ракетного двигателя и систему контроля с 3-компонентным датчиком силы, которая выполнена в виде стакана с размещенным внутри него и установленным соосно на дне стакана выступающим упором, а 3-компонентный датчик силы выполнен составным из установленных соосно друг другу и взаимодействующих между собой однокомпонентного датчика силы и мембраны с тензорезисторами, наклеенными на ней в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях и объединенными в мостовую схему в каждой плоскости, закрепленной соосно по периметру на стакане и опирающейся через сферический шарнир на выступающий упор, который совмещен с однокомпонентным датчиком силы.

Недостаток такой конструкции состоит в следующем. Особенность двигателей с кососрезанным соплом заключается в том, что вектор тяги может отклоняться от оси сопла на значительный угол (до 10°). В приведенной выше конструкции стенда, в которой тензодатчики связаны мостовой схемой, методика определения вектора тяги довольно сложная и точку прохождения вектора тяги относительно оси сопла или плоскости крепления двигателя определить проблематично, так как не замеряется действующая в шарнире сила, а взаимное влияние упругих связей на показания силоизмерителей искажает истинную картину действия сил.

Суть технического предложения заключается в повышении точности измерения вектора тяги двигателя - его величины, направления и определения координат точки прохождения вектора относительно оси сопла.

Указанная цель достигается тем, что в стенде для испытаний двигателей с кососрезанным соплом, содержащем раму-обойму для крепления испытываемого двигателя соплом вверх и силоизмерителем вертикальной и горизонтальной составляющих вектора тяги, согласно изобретению силоизмерители вертикальной и горизонтальной составляющих вектора тяги установлены параллельно плоскости симметрии сопла или в плоскости симметрии сопла, а один или несколько силоизмерителей вертикальной составляющей вектора тяги расположены на основании испытательного бокса с возможностью горизонтального перемещения и контактируют с основанием рамы-обоймы, а два или более силоизмерителей горизонтальной составляющей вектора тяги размещены на двух разных уровнях на вертикальной каретке, установленной на вертикальной стойке, закрепленной на основании испытательного бокса, и контактируют с рамой-обоймой, причем вертикальная каретка опирается на дополнительный силоизмеритель вертикальной составляющей вектора тяги, установленный на основании испытательного бокса, при этом силоизмерители горизонтальной составляющей вектора тяги поджимаются пружинами, установленными с противоположной стороны между рамой-обоймой.

Предложенная конструкция стенда имеет две степени свободы. Конструкция стенда поясняется следующими рисунками.

На фиг.1 изображен общий вид стенда (фронтальная проекция без боковых вертикальных стоек).

На фиг.2 изображен вид стенда сверху.

На фиг.3 показана расчетная схема действующих сил при работе двигателя с горизонтальным срезом сопла.

На фиг.4 показана расчетная схема действующих сил при работе двигателя с вертикальном срезом сопла.

Стенд состоит (см. фиг.1) из рамы-обоймы 1, в которой закреплен испытываемый двигатель 2 соплом вверх. Возможен вариант горизонтального положения среза сопла 3 и вертикального положения среза сопла 4. Рама-обойма 1 опирается на силоизмеритель 5 вертикальной составляющей вектора тяги, установленный на каретке 6 (силоизмерителей может быть пара, располагаемых по разные стороны от вертикальной плоскости симметрии сопла на линии, перпендикулярно и этой плоскости). Для обеспечения монтажа рамы-обоймы на каретке 6 имеются технологические регулируемые упоры 7, обеспечивающие горизонтальное положение основания 8 рамы-обоймы. (Во время работы двигателя упоры 7 с основанием 8 не соприкасаются). На вертикальной стойке 9,закрепленной на основании испытательного бокса 10, установлена вертикальная каретка 11 на колесно-подшипниковом ходу 12. На двух разных уровнях на вертикальной каретке 11 установлены силоизмерители 13 и 14, которые располагаются по разные стороны от вертикальной плоскости симметрии сопла. (Если устанавливаются по одному силоизмерителю, то их оси должны находиться в вертикальной плоскости симметрии сопла). Силоизмерители 13 и 14 используются для измерения горизонтальной составляющей вектора тяги двигателя. Каретка 11 нижним торцем опирается на дополнительный силоизмеритель 15 вертикальной составляющей вектора тяги, закрепленный на основании испытательного бокса 10. Для поджатия силоизмерителей 13 и 14 используются пружины 16 и 17, установленные на второй вертикальной стойке 18, закрепленной на основании испытательного бокса, и контактирующие с рамой-обоймой с противоположной стороны от силоизмерителей 13 и 14. Усилие пружин регулируется с помощью болта с гайкой 19. Рама-обойма 1 фиксируется от бокового перемещения с помощью шаровых опор 20 (см. фиг.2), размещенных на вертикальных дополнительных стойках 21, закрепленных на основании 10 испытательного бокса.

Методика определения вектора тяги состоит в следующем.

1. Для варианта двигателя с горизонтальным расположением среза сопла 3 (см. схему на фиг.3).

По суммарным показаниям силоизмерителей F_Г1 и F_Г2 определяется горизонтальная составляющая вектора тяги R_Г. По показаниям силоизмерителей F_В1 и F_В2 (их сумме) определяется вертикальная составляющая вектора тяги R_В. Величина вектора находится из формулы

Координата "X" точки, через которую проходит вектор тяги R (расстояние от вертикальной оси силоизмерителя 5 (см. фиг.1) в горизонтальной плоскости контакта с основанием рамы-обоймы) определяется из уравнения равновесия моментов сил относительно силоизмерителя 5.

R_В·Х=F_В1·L_Г, где L_Г - расстояние между осями силоизмерителей 5 и 15. Тогда:

2. Для варианта двигателя с вертикальным расположением среза сопла 4 (см. схему на фиг.4).

По показаниям силоизмерителей аналогично определяется величина вектора тяги Р. Координата "У" точки, через которую проходит вектор тяги Р (расстояние от оси силоизмерителя 14 (см. фиг.1) в вертикальной плоскости контакта с рамой-обоймой), определяется из уравнения равновесия моментов сил относительно склоизмерителя 14 (см. фиг.1)

R_Г·y=F_Г2·L_В, , где L_В - расстояние между осями силоизмерителей 13 и 14.

Путем геометрических построений фактической схемы испытаний двигателя (наложения проекции двигателя на вычисленный вектор тяги) определяется положение вектора тяги относительно оси сопла (иле строятся на графике две линии: одна - ось сопла, другая - вектор тяги).

Для повышения точности определения вектора тяги необходимо использовать в расчетах вместо текущих значений показаний силоизмерителей - суммарную величину, т.е. импульс силы по каждому силоизмерителю.

Таким образом, схемное решение стенда, его конструктивное исполнение, использование стандартных первичных преобразователей (силоизмерителей) и несложность определения величины и положения вектора тяги ракетного двигателя с кососрезанным соплом позволяют значительно эффективнее проводить стендовую отработку двигателей, сократить количество испытаний и надежно подтверждать расчеты.

Предложенное техническое решение апробировано с положительным результатом.

Изобретение предназначено для определения параметров вектора тяги двигателей с кососрезанным соплом при наземных стендовых испытаниях. Такое выполнение стенда позволит повысить точность измерения вектора тяги двигателя, а именно его величину, направление и координату точки прохождения вектора относительно оси сопла. В стендовом устройстве обеспечивается при испытаниях фиксирование горизонтальной и вертикальной составляющих вектора тяги силоизмерителями с минимальным искажением за счет установки силоизмерителей на каретках, а также за счет использования пары силоизмерителей как в горизонтальном направлении, так и в вертикальном для определения точки пересечения вектора тяги с осью сопла. 4 ил.

Стенд для испытаний двигателей с кососрезанным соплом, содержащий раму-обойму для крепления испытываемого двигателя соплом вверх и силоизмерители вертикальной и горизонтальной составляющих вектора тяги, отличающийся тем, что силоизмерители вертикальной и горизонтальной составляющих вектора тяги установлены параллельно плоскости симметрии сопла или в плоскости симметрии сопла, а один или несколько силоизмерителей вертикальной составляющей вектора тяги расположены на основании испытательного бокса с возможностью горизонтального перемещения и контактирует с основанием рамы-обоймы, а два или более силоизмерителей горизонтальной составляющей вектора тяги размещены на двух разных уровнях на вертикальной каретке, установленной на вертикальной стойке, закрепленной на основании испытательного бокса, и контактируют с рамой-обоймой, причем вертикальная каретка опирается на дополнительный силоизмеритель вертикальной составляющей вектора тяги, установленный на основании испытательного бокса, при этом силоизмерители горизонтальной составляющей вектора тяги поджимаются пружинами, установленными с противоположной стороны между рамой-обоймой и второй вертикальной стойкой, закрепленной на основании бокса.