СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕДИНИЧНОГО ИМПУЛЬСА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2013 года по МПК G01N33/22 F02K9/62 

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к способам измерения характеристик твердых топлив для ракетных двигателей. Изобретение может быть использовано для определения единичного (удельного) импульса новых композиций твердых топлив.

Единичный импульс J₁ является основной энергетической характеристикой топлива. По определению, единичный импульс - это отношение тяги двигателя к секундному массовому расходу продуктов сгорания. Величина единичного импульса определяется зависимостью [1]:

$$J_1=u_a+\frac{S_a\left(p_a-p_{н}\right)}{G},\left(1\right)$$

где u_a, p_a - скорость истечения и давление продуктов сгорания в выходном сечении сопла площадью S_a;

p_н - давление окружающей среды (наружное давление);

G - массовый секундный расход продуктов сгорания.

Для "расчетного" сопла (p_a=p_н) из (1) следует

$$J_1=u_a=\sqrt{\frac{2kR{T}_{к}}{k-1}{\left(1-\frac{p_a}{p_{к}}\right)}^{\frac{k-1}{k}},\left(2\right)}$$

где R=c_p-c_υ, k=c_p/c_υ - газовая постоянная и показатель адиабаты продуктов сгорания;

c_p, c_υ - изобарическая и изохорическая теплоемкости продуктов сгорания;

p_к - давление в камере сгорания ракетного двигателя;

T_к - температура продуктов сгорания в камере двигателя (температура торможения), равная температуре горения топлива (T_к=T_g).

Известен расчетно-теоретический метод определения термодинамического единичного импульса с использованием уравнений (1, 2) и расчета T_g, c_p, c_υ, R, k по методике [1] с использованием, например, алгоритма "Астра-4" [2]. Под термодинамическим значением J₁ понимается значение единичного импульса при полном отсутствии потерь и условии завершения химических превращений. Для реализации этого способа необходимо знать компонентный состав твердого топлива или его эквивалентную химическую формулу [1], которые в ряде случаев неизвестны для новых твердотопливных композиций.

Известен способ определения единичного импульса, основанный на измерении диаграмм тяги P(t) и давления p_к(t) в камере сгорания модельного ракетного двигателя при сжигании исследуемого образца топлива. При этом величина J₁ находится по отношению полного импульса тяги за время τ работы двигателя к массе израсходованного за это время топлива [1]:

$$J_1=\frac{{\displaystyle \underset{0}{\overset{\tau }{\int }}P\left(t\right)dt}}{{\displaystyle \underset{0}{\overset{\tau }{\int }}G\left(t\right)dt}},$$

где G(t) - массовый секундный расход продуктов сгорания, определяемый по измеренной зависимости p_к(t) из уравнения

$$G\left(t\right)=\frac{\phi p_{к}\left(t\right)S_{кp}}{\sqrt{R{T}_{к}}}\sqrt{k}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{2\left(k-1\right)}},$$

где φ, S_кp - коэффициент расхода и площадь критического сечения сопла.

Известен также способ измерения единичного импульса при помощи баллистического маятника, являющегося "абсолютным" прибором [3-5]. Импульс силы, действующей на маятник при сжигании топлива в двигателе, пропорционален длине хорды отклонения центра масс маятника (считая от положения равновесия).

Для измерения единичного импульса в [3] предложен "импульсомер-вертушка", который представляет собой равноплечую балку, с малым трением вращающуюся вокруг вертикальной оси. На одном конце балки установлен модельный ракетный двигатель, а на другом - инертный груз эквивалентной массы. При известном моменте инерции системы величина импульса реактивной силы определяется по измеренной угловой скорости вращения балки.

Наиболее близким по технической сущности является способ, предложенный в [6]. Этот способ основан на измерении реактивной силы F оттекающих от поверхности горения топлива продуктов газификации. Величина F связана с энергетическими характеристиками топлива (в частности, с его массовой скоростью горения).

Недостатками данных способов является необходимость использования модельных двигателей с зарядом твердого топлива не менее (0.2÷0.5) кг и специального стендового оборудования, размещенного во взрывозащитных боксах.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа определения единичного импульса твердого топлива в широком диапазоне давлений, основанного на непосредственном измерении комплекса его термодинамических характеристик при сжигании в лабораторных условиях образцов топлива массой (0.5÷10) г.

Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ определения единичного импульса твердого топлива, включающий измерение реактивной силы продуктов газификации при сжигании образца твердого топлива, бронированного по боковой поверхности, и времени его полного сгорания в бомбе постоянного объема при давлении в диапазоне (0.5÷15) МПа, создаваемом инертным газом, например, азотом или аргоном.

Объем бомбы V определяют из соотношения

$$V\ge 100\frac{R_0{T}_{н}{m}_m}{M{p}_{\min }},\left(3\right)$$

а величину единичного импульса определяют по формуле

$$J_1=\frac{\tau }{{\rho }_m{h}_m}\sqrt{\frac{F{p}_{к}}{S_m}\frac{2k}{k-1}{\left(1-\frac{p_{н}}{p_{к}}\right)}^{\frac{k-1}{k}}},\left(4\right)$$

где

R₀=8.31441 Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная;

T_н - температура окружающей среды;

m_m, ρ_m, h_m, S_m - масса, плотность, высота и площадь торцевой поверхности горения образца топлива;

М - молекулярная масса инертного газа;

p_min - минимальное давление из исследуемого диапазона;

τ - время сгорания образца;

F - реактивная сила оттекающих продуктов сгорания;

p_к - давление в бомбе постоянного объема.

Полученный положительный эффект изобретения достигается тем, что при сжигании образцов небольшого размера массой (0.5÷10) г в бомбе постоянного объема при заданном давлении p_к измеряется реактивная сила оттекающих от торцевой поверхности горящего образца продуктов газификации [6, 7]. В соответствии с третьим законом Ньютона, эта сила равна

$$F={\rho }_{к}{u}^2{S}_m,\left(5\right)$$

где ρ_k, u - плотность и скорость отекания продуктов газификации.

Из закона сохранения массы следует

$${\rho }_m{u}_m={\rho }_{к}u,\left(6\right)$$

где u_m - линейная скорость горения топлива.

Из (5) и (6) и уравнения состояния для идеального газа

$$p_{к}={\rho }_{к}R{T}_g\left(7\right)$$

можно получить выражение для реактивной силы в виде

$$F=\frac{{\left({\rho }_m{u}_m\right)}^2}{p_{к}}R{T}_g{S}_m,\left(8\right)$$

где R - газовая постоянная продуктов сгорания.

Из уравнения (8) можно определить комплекс (RT_g) - "силу пороха" [1], который входит в уравнение для расчета единичного импульса (2):

$$R{T}_g=\frac{F{p}_{к}}{S_m{\left({\rho }_m{u}_m\right)}^2}.\left(9\right)$$

Все входящие в (9) величины непосредственно измеряют в эксперименте (F, p_к, S_m, ρ_m). Линейная скорость горения также определяется экспериментально по времени сгорания τ образца заданной высоты h_m

$$u_m=h_m/\tau .\left(10\right)$$

Подставляя (9), (10) в (2) получим формулу для определения J₁ (4).

Значение показателя адиабаты k берется из термодинамического расчета или выбирается его среднее значение для близких по составу топлив. Эта величина слабо изменяется при широкой вариации исходного состава топлива.

Выбор диапазона давлений p_k=(0.5÷15) МПа, для которого проводят определение единичного импульса топлива, соответствует реальным условиям использования топлива в двигателях [1, 3].

Объем бомбы, в которой проводят сжигание образца твердого топлива, выбирают из условия p_k=const. Увеличение давления в бомбе постоянного объема за счет газоприхода от сгорания образца топлива должно быть незначительным. Используя уравнение состояния (7) и полагая, что прирост давления не превышает 1%, можно получить соотношение для определения требуемого объема бомбы (3).

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг.1 - схема экспериментальной установки для определения единичного импульса твердого топлива.

Фиг.2 - экспериментальные (точки) и расчетные (сплошная линия) значения единичного импульса в зависимости от давления.

Схема экспериментальной лабораторной установки приведена на Фиг.1 Цилиндрический образец исследуемого твердого топлива 1, забронированный по боковой поверхности 2 с помощью кварцевого (или углеродного) стакана, размещен в бомбе постоянного объема 3. На основании 4 бомбы 3 жестко закреплен емкостной датчик 5 для измерения реактивной силы оттекающих от горящей торцевой поверхности образца 1 продуктов сгорания. Электрический сигнал от датчика реактивной силы 5 через электронный преобразователь сигнала датчика в напряжение 6 и аналогово-цифровой преобразователь напряжения в цифровой код 7 поступает на регистрирующий компьютер 8. Перед проведением эксперимента бомба 3 заполняется инертным газом (азотом) из батареи баллонов 9 до заданного давления, которое регистрируется образцовым манометром 10. Выпуск продуктов сгорания образца после проведения эксперимента осуществляется через вентиль 11.

Перед проведением эксперимента образец взвешивают на аналитических весах с погрешностью ±0.01 г и измеряют его высоту h_m и диаметр d_m. По этим данным рассчитывают плотность топлива рот и площадь торцевой поверхности S_m. При заданном давлении p_k образец воспламеняется с помощью нагретой спирали и в процессе его горения измеряют реактивную силу F с помощью датчика 5 и время сгорания образца τ по диаграммам давления p_k(t), измеренным с помощью тензометрического датчика давления типа ЛХ-412 (спираль и датчик давления на схеме не показаны).

Измерение единичного импульса проведено для модельной композиции смесевого твердого топлива, содержащего 81 мас.% мелкодисперсного перхлората аммония, 14 мас.% горючего-связующего марки НТРВ, 1.5 мас.% нанопорошка алюминия марки ALEX [7], 1.5 мас.% Fe₂O₃ и 2 мас.% технологических добавок. Исследовали образцы топлива диаметром d_m=10 мм и высотой h_m=20 мм, масса каждого образца (без бронировки) составляла 2.5 г, плотность топлива ρ_m=1.60 г/см³.

Результаты определения единичного импульса для трех значений p_k, осредненные по пяти дублирующим опытам, представлены на Фиг.2. Здесь же приведены результаты термодинамического расчета J₁ по программе "Астра-4" (сплошная линия).

Анализ полученных данных показывает, что расчетные значения J₁ на (10÷15)% превышают измеренные. Это связано, по-видимому, с тем, что расчетные данные соответствуют полностью завершенным химическим реакциям. При проведении эксперимента время реагирования газофазных продуктов в бронирующей трубке ограничено, что является более близким приближением к условиям горения топлива в камере сгорания ракетного двигателя, чем в термодинамических расчетах.

Таким образом, экспериментально показано, что при реализации заявляемого способа достигнутый положительный эффект заключается в следующем.

1. Способ позволяет определять единичный импульс топлив, содержащих новые компоненты с неизученными свойствами. Для таких составов полный термодинамический расчет не обеспечивает приемлемой точности. Кроме того, при реализации заявляемого способа реакции в газовой фазе происходят в течение конечного промежутка времени (в отличие от термодинамического расчета), который соответствует времени пребывания газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе.

2. Определение единичного импульса проводится в условиях лабораторных испытаний с использованием минимальной массы образца топлива (0.5÷10 г), что особенно важно при исследовании компонентов топлива, имеющихся в ограниченном количестве (новые синтезированные вещества).

3. В отличие от известных способов экспериментального измерения J₁, данный способ не требует дорогостоящего громоздкого оборудования и специальных взрывозащитных стендов для испытания модельных ракетных двигателей массой (0.2÷0.5) кг и более.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соркин Р.Е. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Наука, 1967. - 368 с.

2. Синярев Г.Б., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г., Мисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. - М.: Наука, 1982. - 263 с.

3. Зельдович Я.Б., Ривин М.А., Франк-Каменецкий Д.А. Импульс реактивной силы пороховых ракет. - М.: Оборонгиз, 1963. - 191 с.

4. Рогулин В.В., Гергель В.Г., Лях Ю.А., Оглих В.В. О методах определения полного импульса тяги РДТТ специального назначения импульсного типа // Космическая техника. Ракетное вооружение: Сборник научно-технических статей. - Днепропетровск: ГП "КБ "Южное", 2009, Вып.2. - С.80-91.

5. Бескровный И.Б., Рогулин В.В., Микуляк М.В., Лях Ю.А., Льняной В.Н. Выбор стендовых устройств для испытаний импульсных РДТТ // Космическая техника. Ракетное вооружение: Сборник научно-технических статей. - Днепропетровск: ГП "КБ "Южное", 2010. - С.63-70.

6. Симоненко В.Н., Зарко В.Е. Реактивная сила продуктов сгорания как мера нестационарной скорости горения пороха // Физика горения и взрыва. 1981. Т.17, №3. - С.129-132.

7. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Лернер М.И. Технология получения и дисперсные характеристики нанопорошков алюминия // Горный журнал. Спец. выпуск. Цветные металлы. 2006, №4. - С.58-64.

Изобретение относится к измерению характеристик твердых топлив для ракетных двигателей. Способ включает измерение реактивной силы продуктов газификации при сжигании образца твердого топлива, бронированного по боковой поверхности, причем измеряют реактивную силу и время полного сгорания образца твердого топлива, помещенного в бомбу постоянного объема, при давлении в диапазоне (0.5÷15)МПа, создаваемом инертным газом, например азотом или аргоном, причем объем бомбы и масса образца находятся в заданном соотношении, а величину единичного импульса определяют по расчетной формуле. Достигается возможность определения единичного импульса при использовании малоразмерных образцов топлива в лабораторных условиях без использования крупногабаритного стендового оборудования и взрывозащищенных боксов. 2 ил.

Способ определения единичного импульса твердого топлива, включающий измерение реактивной силы продуктов газификации при сжигании образца твердого топлива, бронированного по боковой поверхности, отличающийся тем, что измеряют реактивную силу и время полного сгорания образца твердого топлива, помещенного в бомбу постоянного объема, при давлении в диапазоне (0,5÷15)МПа, создаваемом инертным газом, например азотом или аргоном, причем объем бомбы и масса образца находятся в соотношении
$$V\ge 100\frac{R_0{T}_{н}{m}_m}{M{p}_{\min }},$$
а величину единичного импульса определяют по формуле
$$J_1=\frac{\tau }{{\rho }_m{h}_m}\sqrt{\frac{F{p}_{к}}{S_m}\frac{2k}{k-1}{\left(1-\frac{p_{н}}{p_{к}}\right)}^{\frac{k-1}{k}}},$$
где V - объем бомбы;
R₀=8,31441 Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная;
Т_н - температура окружающей среды;
m_m, ρ_m, h_m, S_m - масса, плотность, высота и площадь торцевой поверхности горения образца топлива;
М - молекулярная масса инертного газа;
p_min - минимальное давление из исследуемого диапазона;
J₁ - единичный импульс твердого топлива;
τ - время сгорания образца;
F- реактивная сила оттекающих продуктов сгорания;
p_к - давление в бомбе постоянного объема;
k - показатель адиабаты продуктов сгорания топлива;
р_н - наружное (атмосферное) давление.