СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯГИ МИКРОДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01L5/13 G01M15/00 

Изобретение относится к космической и силоизмерительной технике и может быть использовано в системах замера тяги преимущественно однокомпонентного реактивного микродвигателя (МД), в частности электротермического МД, при его наземной отработке в атмосфере и в вакууме, перед установкой и применением на КА.

Известны способы определения тяги МД в составе двигательной установки (ДУ) на крутильных, либо маятниковых стендах (см. патент USA 5170662, НКИ 73/117.4, "Устройство для измерения тяги турбореактивного двигателя", опубликован 15.12.1992 г., а также патент RU 1689777 C1, F02K 9/68, "Стенд для измерения силы тяги двигателя", опубликован 1991 г.).

Вся ДУ, включая газовый тракт с агрегатами и емкость с рабочим телом, устанавливается на подвижную платформу крутильного или маятникового стенда, после чего определяется сила реакции истекающей струи рабочего тела. Платформа подвешена на стальной рояльной струне длиной 10 метров, и для определения силы тяги замеряются параметры колебаний системы "платформа - ДУ".

Учитывая, что тяга МД составляет единицы грамм, а масса ДУ для малогабаритных КА составляет 5-10 кг, резко встает проблема точности определения тяги МД. Кроме того, данные стенды очень дороги, требуют вакуумных камер большого объема и измерение многих параметров, каждый из которых имеет свою ошибку.

Известен способ определения тяги реактивного двигателя, основанный на измерении реакции струи МД, установленного на подвижных, динамических платформах, связанных с силоизмерительными датчиками и реализованный в устройстве (см. А.С. 608066, "Стенд для измерения силы тяги реактивного двигателя", МКИ G01L 5/14, опубликовано 25.05.1978 г., бюллетень №19).

Устройства, реализующие данный способ, являются самыми распространенными, но всех их объединяет общий недостаток: на платформе нельзя испытывать отдельно взятый МД, т.к. надо крепить к корпусу МД подающие трубопроводы, чтобы обеспечивать через сопло расход рабочего тела. Чтобы исключить влияние подающего трубопровода, приходится на платформу устанавливать емкость с рабочим телом, с топливной магистралью и со всеми сопутствующими агрегатами: клапанами, редукторами, манометрами и дозаторами, т.е. практически всю ДУ. В итоге, вместо МД массой 50-100 г приходится устанавливать на платформу 5-10 кг, что резко увеличивает погрешность замеров.

Известны способы определения тяги реактивного двигателя, основанные на измерении характеристик на срезе сопла и дальнейшем пересчете тяги по эмпирическим формулам.

Такими характеристиками являются либо распределение давления по срезу сопла (см. А.С. 759738, "Способ определения полной тяги реактивного двигателя", МКИ F02K 11/00, опубликован 30.08.1980 г., бюллетень №32), либо распределение импульса по срезу сопла (см. А.С. 542109, "Устройство для измерения силы тяги двигателя", М.Кл. G01L 5/13, опубликовано 5.01.1977 г., бюллетень №1).

Все эти способы не применимы по отношению к МД, диаметр среза сопла которого составляет 1-2 мм, а критики 0.3-0.7 мм. Любой измерительный инструмент, например микротрубка Пито, будет перекрывать значительную часть сечения среза сопла, искажая картину истечения.

Наиболее близким к заявленному является способ, реализованный в тягомерном устройстве патента RU 22219995 С2, "Способ измерения тяги реактивного двигателя и стенд для его осуществления», G01L 5/13, опубликован 20.01.2004 г., бюллетень №2, основанный на подаче рабочего тела предварительно в систему жестко скрепленных торсионной и рычажной труб, т.е. в своеобразную технологическую камеру, а затем в рабочую камеру двигателя, который закреплен на технологической камере соплом вверх. В данном способе обеспечиваются требуемые параметры (давление и температура) рабочего тела в технологической камере, перед входом в рабочую камеру. Для уменьшения влияния подводящих трубопроводов технологическая камера сама выполняет функцию трубопровода и выполнена в виде Т-образной трубы: основной, рычажной трубы и прикрепленной к ней перпендикулярно упругой торсионной трубы. Способ основан на том, что рабочее тело (газ) подают патрубком в торсионную трубу, а затем в рычажную трубу, на одном плече которой находится испытуемый двигатель, а затем пропускают через рабочую камеру МД и сопло и замеряют силу реакции истекающей струи, путем воздействия подвижной технологической камеры на датчик силы.

Замер тяги основан на том, что плечо рычажной трубы при работающем МД повернется вниз, и рычаг, установленный около оси вращения (см. Фиг.1 Приложения 6), будет нажимать на тензодатчики. Все подвижные части технологической камеры подвешены на упругих растяжках и работают с минимальными величинами трения скольжения и качения. Уменьшение влияния подводящего трубопровода обеспечивается относительно значительной длиной торсионной трубы - более 50'' калибров (отношение длины L к диаметру, равному 6 мм). Так как рычажная труба при работе двигателя будет поворачиваться вокруг оси торсионной трубы, то место подвода газа к торсионной трубе будет фиксировать ее и препятствовать ее повороту.

Способ имеет следующие недостатки:

1. Естественно, чем больше торсионная труба, тем меньше влияние оказывает конструкция соединительного узла подводящего патрубка с торсионной трубой, но полностью избавиться от этого влияния невозможно, пока имеется жесткая механическая связь подающего трубопровода с рабочей камерой. В этом и состоит главный недостаток способа и тягомерного устройства, реализующего этот способ. Хотя проектанты устройства считают подвижной частью устройства только рычажную трубу, это весьма относительно, так как торсионная труба "работает" на скручивание и вместе с рычажной трубой является неразъемными, конструкционно жестко связанными элементами, влияющими друг на друга.

2. Перед испытаниями устройство тарируется грузами, установленными по оси действия измеряемой тяги. При движении плеча рычажной трубы вниз, под действием груза или работающего двигателя, груз движется по дуге окружности, а действие груза (или тяги) направлено по прямой, отвесно. Несовпадение направлений для большого радиуса и при малом угле незначительное, но оно вносит систематическую погрешность в измеряемую тягу:

(Fистинное = Fзамеренное×SINα, где α - угол расхождения дуги и отвеса, a F - сила тяги).

3. При тарировке устройства действует паразитное усилие, создаваемое подводящим патрубком на торсионную трубу, т.е. тарировка будет проведена с систематической погрешностью, которая отразится на замерах тяги.

Для устранения указанных недостатков, которые при замерах величины сверхмалой тяги (например, 1 грамм и менее), дадут соизмеримую погрешность, предлагается способ, позволяющий производить замеры тяги без привлечения громоздких, энергоемких и дорогих стендов.

Предлагаемый способ позволяет определять малую тягу однокомпонентного реактивного микродвигателя без влияния подводящего трубопровода, жестко присоединенного к корпусу рабочей камеры.

Способ заключается в том, что технологическая камера, в которую предварительно подается рабочее тело, выполнена составной, состоящей из неподвижной части камеры и подвижной, выполненной в виде штока, который имеет возможность вертикального перемещения в пазах неподвижной части технологической камеры, т.е. шток и неподвижная часть технологической камеры не имеют жесткой связи, а имеют только гидравлическую связь. На подвижную часть технологической камеры - верхний торец штока - устанавливают рабочую камеру соплом вверх, а нижний заглушенный торец штока опирается на датчик усилия, и рабочее тело подают в рабочую камеру через полость штока, гидравлически, через проточки в штоке, связанную с полостью технологической камеры, устанавливают в технологической камере требуемые параметры рабочего тела (давление и температура, для которых определяется тяга), закрывают сопло крышкой массой М_кр и замеряют суммарную силу P₁ действия на датчик силы веса штока с камерой и соплом с крышкой при отсутствии расхода рабочего тела через сопло, а затем снимают крышку и замеряют суммарную силу Р₂ воздействия штока с камерой и соплом при наличии расхода рабочего тела через сопло, и тягу R микродвигателя определяют по формуле:

При осуществлении такого способа из технологической камеры будет истекать 3 струи: вверх через сопло МД и вверх и вниз через кольцевые зазоры между штоком и пазом.

Осуществляя замер P₁, мы замеряем только вес системы "МД + шток + крышка".

Осуществляя замер Р₂, мы замеряем силу системы "МД + шток + тяга". Массу крышки, которая нужна только для закрытия сопла, можно либо учесть расчетом, предварительно взвесив, либо скомпенсировать ее шайбой равной массы, надетой на сопло при работающей камере МД.

В этом случае, тяга определяется по формуле:

Естественно, вес крышки (шайбы) не должен превышать 20 - 30% от величины замеряемой тяги, для повышения точности замера.

Рассмотрим преимущества предлагаемого способа.

1. Если у прототипа основным возмущающим моментом является сила скручивания торсионной трубы, которую надо преодолеть, то у предлагаемого способа благодаря устранению жесткой связи между неподвижной и подвижной частями технологической камеры, т.е. между цилиндром и штоком, возмущающим моментом будет трение штока о стенки пазов. При высокотехничном исполнении, при зазоре 2-5 мкм, шток будет двигаться как на воздушном подшипнике. Реальная сила трения у действующей модели составила 0.04 г.

2. У предлагаемого способа направление силы тяги и направление движения штока совпадает и зависит от точности выставки вертикали и точности изготовления пазов и штока. Если шток опирается непосредственно на датчик силы, теоретического пересчета не требуется.

3. При тарировке устройства, которое как и у прототипа, состоит в тарировке устройства грузами, мы получаем "чистую" силу тяги, т.к. даже незначительное влияние силы трения штока в пазах будет одним и тем же при замере как P₁, так и P₂, взаимно уничтожаясь при вычитании P₂-P₁.

Известны устройства для измерения силы тяги реактивного двигателя, содержащие подвижную платформу для крепления испытуемого двигателя, шарнирно связанную со станиной, и с силоизмерительным устройством (см. вышеупомянутый А.С. 608066, МКИ G01L 5/14, опубликовано 25.05.1978 г., бюллетень №19).

Однако данные устройства не обеспечивают измерение тяги отдельно взятого микродвигателя, без влияния подводящих трубопроводов. На подвижную платформу приходится устанавливать всю двигательную установку (ДУ), что приводит к увеличению массы и потере точности измерений реактивной тяги.

Наиболее близким к заявленному является тягомерное устройство (см. "Техническое описание тягомерного устройства 07-21-0024", Предприятие КБ Южное, г.Днепропетровск, 1970 год), схема которого и описание принципа его работы приведены в Приложении 6 "Материалы прототипа". Устройство-прототип содержит технологическую камеру, гидравлически чвязанную с вертикально установленной рабочей камерой МД с соплом, трубопровод подачи рабочего тела, соединенный с технологической камерой, и средства измерения тяги, к которым относится преобразователь (тензодатчик) линейного перемещения рычажной трубы в момент силы.

Прототип обладает всеми недостатками, указанными выше для способа. Кроме того, прототип-устройство обладает дополнительными существенными недостаткоми:

А. имеет большие габариты - 800×450×180 мм и массу - 25 кг, что накладывает ограничения на вакуумную камеру, в которой необходимо испытывать МД, предназначенные для работы в космосе;

В. сложность и высокую стоимость изготовления тягомерного устройства;

С. накладывается требование на подводящую торсионную трубу, которая должна быть эластичной и длинной;

D. при большой длине эластичная труба будет провисать и вносить еще большую погрешность, а при малой длине - иметь большое сопротивление скручиванию.

Для устранения указанных недостатков, с целью получения измерения сверхмалых величин тяги (1 грамм и менее), предлагается устройство, реализующее предложенный способ.

Сущность предлагаемого устройства замера реактивной тяги МД заключается в том, что технологическая камера представляет собой вертикально установленный цилиндр, имеющий на торцах пазы, в которых размещен полый шток с выступающими торцами, нижний торец которого заглушен и опирается на датчик силы, а на верхнем торце штока установлена рабочая камера соплом вверх, причем полость штока гидравлически соединена с объемом рабочей камеры и, посредством проточек, с объемом технологической камеры, и шток имеет возможность вертикального перемещения в пазах цилиндра, диаметр которых превышает диаметр штока.

Таким образом, заявленное устройство устраняет влияние жесткой связи подающего трубопровода на камеру МД. Как у прототипа, так и у предлагаемого устройства осуществлена жесткая связь подающего трубопровода с технологической камерой, но у прототипа все части технологической камеры жестко закреплены между собой, и далее, по цепочке, до рабочей камеры МД. У предлагаемого способа и устройства эта жесткая связь разрывается при выполнении технологической камеры составной, части которой имеют гидравлическую и механическую связь, но исключают конструктивную жесткую связь. При этом влияние подающего трубопровода на движение штока с МД исключено. Данный способ позволяет взаимно компенсировать систематические погрешности, имеющиеся в нем:

- трение штока в пазах цилиндра;

- газодинамическое действие струй, истекающих в противоположные стороны через кольцевые зазоры в пазах.

Последовательность замеров и вычислений, проведенных по формулам (1) или (2), позволяет определить тягу в "чистом" виде, при скомпенсированных погрешностях.

Предлагаемый способ реализует устройство, схема которого приведена на чертеже.

Устройство для замера тяги состоит из неподвижной цилиндрической части технологической камеры 1, закрепленной в вертикальном положении на основании 2, в пазах которой установлен полый шток 3, полость которого соединена с полостью технологической камеры боковым отверстием, выполненным в корпусе штока.

На верхнем конце штока 3 установлен микродвигатель 4 соплом вверх, а нижний конец опирается через подшипник 5 на рычаг 6 (коромысло) механической системы усиления тяги. Механическая система усиления тяги содержит рычаг 6, который поворачивается на призме 7, и на одно плечо рычага действует вес штока с камерой МД и соплом, а на другое - балансировочные грузы 8. Датчик силы 9 подключен к регистрирующему прибору и расположен под плечом рычага, воспринимающим давление штока, на некотором расстоянии Δl от призмы 7. Это расстояние, а точнее отношение длины плеча рычага l к Δl, определяет степень усиления действия тяги на датчик силы. Параметры газа, который подается по патрубку 11 в технологическую камеру 1 контролируется датчиком давления 10 и термопарой (на чертеже не показана).

Устройство работает следующим образом.

Перед работой устройства вес штока с камерой МД обезвешивают, т.е. с помощью балансировочых грузов 8 рычаг 6 приводят в нейтральное положение, при котором датчик силы 9 показывает отсутствие нагрузки (F=0).

Затем осуществляется через патрубок 11 ввод рабочего тела в технологическую камеру 1, где с помощью датчика давления 10 и термопары (не показана) обеспечиваются требуемые параметры газа на входе в двигатель, при которых необходимо произвести замер тяги. Рабочее тело подается через боковые дренажные отверстия в центре штока, а затем по осевому каналу штока - в газоводы рабочей камеры 4. Шток 3, с закрепленной на нем камерой 4, имеет возможность перемещения в вертикальном направлении в цилиндрических пазах корпуса неподвижной части технологической камеры 1.

Из технологической камеры 1 газообразное рабочее тело имеет возможность выхода по 3 направлениям: через верхний и нижний кольцевые зазоры, между корпусом штока и стенками пазов технологической камеры 1 и через боковые отверстия в штоке в камеру 4 МД. Между камерой 4 и штоком 3 герметично вклеена керамическая трубка, которая служит тепловой развязкой между горячей камерой (в случае электротермического МД) и штоком 3.

Если сопло закрыто крышкой, то газ идет только по 2-м кольцевым каналам технологической камеры в противоположных направлениях, уравновешивая газодинамическое влияние. В этом режиме показание датчика выводится на "0", т.е. балансировочными грузами компенсируется вес МД и все "паразитные" нагрузки.

Если сопло открыто, появляется 3-ий поток - через сопло, который также оказывает газодинамическое влияние - силу тяги, направленную вниз. В этом случае, на датчик действует сила тяги, которую он регистрирует за вычетом всех помех.

Так как датчик силы (типа 22/24/26 FC Series, FSL05N2C, фирмы Honeywell) обеспечивает точность прямого замера только 0.3 грамма, в состав стенда включена механическая система увеличения нагрузки, действующей на датчик. Благодаря этому многократно повышается точность определения усилия.

Механическая система представляет собой рычажную систему с регулируемым коэффициентом усиления. В конкретном устройстве рычаг с коэффициентом усиления, равным 14, передает увеличенное усилие от МД на датчик силы 9. Это значит, что тяга МД в 1 грамм будет восприниматься датчиком силы 9 как 14 грамм, что достаточно, чтобы снять вольт-амперную характеристику датчика силы 9.

Изменение коэффициента усилия рычага 6 осуществляется перемещением датчика 9 от призмы 7 вдоль рычага 6.

Кольцевой зазор между корпусом штока и направляющими пазами должен быть минимальным, чтобы повысить точность измерений и уменьшить непродуктивный расход рабочего тела через кольцевые зазоры. В конкретном устройстве для штока диаметром 5 мм зазор равен 3-5 мкм, шероховатость контактирующих поверхностей по 14 классу, разряд "в", по ГОСТу 24642-81, усилие трения (титановый шток по стали) составляет не более 0.002 г.

Эффективность предлагаемого способа и устройства заключается в устранении недостатков аналогов и прототипа (см. выше п.1, 2, 3 для способа и п. А, В, С, D для устройства).

Способ и устройство уменьшают погрешности определения тяги при одновременном уменьшении габаритов, стоимости и сложности изготовления устройства, что позволяет применить вакуумные камеры существенно меньшего размера.

Изобретения относятся к силоизмерительной технике и могут быть использованы для определения силы тяги микродвигателя, в частности для отработки сопел и конструкции МД и получения достоверных характеристик тяги, как в атмосфере, так и в вакууме. Способ заключается в следующем. В технологическую камеру, которую выполняют составной из несвязанных жестко неподвижной и подвижной частей, а затем в рабочую камеру микродвигателя подают рабочее тело с требуемыми параметрами. При этом устанавливают в технологической камере требуемые параметры рабочего тела. Далее закрывают сопло рабочей камеры микродвигателя крышкой массой М_кр и замеряют суммарную силу P₁ действия на датчик силы веса подвижной части технологической камеры с рабочей камерой и соплом микродвигателя при отсутствии расхода рабочего тела через сопло. Затем снимают крышку и замеряют суммарную силу P₂ при наличии расхода рабочего тела через сопло и силу тяги микродвигателя R. Устройство содержит технологическую камеру, гидравлически связанную рабочей камерой микродвигателя с соплом, трубопровод подачи рабочего тела, соединенный с технологической камерой, и средства измерения тяги. При этом технологическая камера представляет собой вертикально установленный цилиндр, имеющий на торцах пазы, в которых размещен полый шток с выступающими торцами. Нижний торец штока заглушен и опирается на датчик силы, а на верхнем торце установлена рабочая камера микродвигателя соплом вверх. Полость штока гидравлически соединена с объемом рабочей камеры и, посредством проточек, с объемом технологической камеры. При этом шток имеет возможность вертикального перемещения в пазах цилиндра, диаметр которых превышает диаметр штока. Технический результат заключается в повышении точности измерения тяги, упрощении конструкции и уменьшении габаритов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения тяги микродвигателя, работающего преимущественно на однокомпонентном рабочем теле, заключающийся в том, что в технологическую камеру, являющуюся частью трубопровода, которую выполняют составной из несвязанных жестко неподвижной и подвижной частей, гидравлически связанных друг с другом, причем на подвижной части вертикально установлена рабочая камера микродвигателя с соплом, с которой она гидравлически связана, при этом подвижная часть имеет возможность вертикального перемещения, жестко связана с рабочей камерой микродвигателя и механически связана с датчиком силы, в неподвижную часть, затем в подвижную часть технологической камеры, а затем в рабочую камеру микродвигателя, подают рабочее тело с требуемыми параметрами, при этом устанавливают в технологической камере требуемые параметры рабочего тела, закрывают сопло рабочей камеры микродвигателя крышкой массой М_кр и замеряют суммарную силу P₁ действия на датчик силы веса подвижной части технологической камеры с рабочей камерой и соплом микродвигателя при отсутствии расхода рабочего тела через сопло, а затем снимают крышку и замеряют суммарную силу Р₂ при наличии расхода рабочего тела через сопло и силу тяги микродвигателя R определяют по формуле R=P₂-P₁+M_кр.2. Устройство для определения тяги микродвигателя, содержащее технологическую камеру, гидравлически связанную рабочей камерой микродвигателя с соплом, трубопровод подачи рабочего тела, соединенный с технологической камерой, и средства измерения тяги, при этом технологическая камера представляет собой вертикально установленный цилиндр, имеющий на торцах пазы, в которых размещен полый шток с выступающими торцами, нижний торец которого заглушен и опирается на датчик силы, а на верхнем торце штока установлена рабочая камера микродвигателя соплом вверх, полость штока гидравлически соединена с объемом рабочей камеры и посредством проточек с объемом технологической камеры и шток имеет возможность вертикального перемещения в пазах цилиндра, диаметр которых превышает диаметр штока.