ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2014 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к экспериментальным ракетным двигателям твердого топлива (далее ЭД), для прогнозирования характеристик натурного крупногабаритного ракетного двигателя на перспективном твердом топливе (РДТТ).

В настоящее время в большинстве случаев для прогнозирования скорости горения твердого ракетного топлива (ТРТ), удельного импульса тяги РДТТ (далее УИТ) или других характеристик применяют различные установки определения параметров с использованием таких регистраторов, как проводники электрического тока, киносъемка, емкости, регистраторы микроволнового излучения и другие /1, 2, 3/. Однако определенные в этих установках параметры недостаточно полно соответствуют характеристикам натурного РДТТ. Например, скорость горения определяется в этих установках без учета напряженно-деформированного состояния (НДС) заряда ТРТ и отличается от данных в натурном РДТТ. УИТ невозможно определить из-за незнания величины потерь тяги в РДТТ с перспективным ТРТ.

Известен модельный двигатель (МД) /4/, предназначенный для определения скорости горения ТРТ в условиях НДС. Он представляет собой цилиндрическую камеру сгорания с соплом, воспламенителем и датчиком измерения давления. Между бронированным по боковой поверхности зарядом и корпусом МД существует зазор, обеспечивающий деформацию заряда ТРТ. Скорость горения ТРТ определяется по результатам испытаний МД и ставится в соответствие с заданной деформацией 8 заряда ТРТ. Недостатком МД является невозможность моделирования деформации заряда ТРТ во времени при проведении испытания и, так же как и в аналогах, невозможность прогнозирования импульса тяги РДТТ. Иногда для прогнозирования параметров РДТТ используют существующие РДТТ, но меньших размеров. Эти РДТТ также обладают вышеперечисленными недостатками.

Наиболее близким по конструкции является РДТТ, описанный в /5/ и принятый за прототип. Его недостатками является наличие глухого канала, а также ограничения на длину цилиндрического участка корпуса, что не позволяет моделировать давление в РДТТ, т.к необходимо выдерживать пропорциональное соотношение радиусов канала заряда и критического сечения сопла.

Технической задачей изобретения является создание ЭД, позволяющего определять УИТ и скорость горения ТРТ в условиях НДС, а также прогнозировать указанные параметры в условиях, приближенных к условиям работы натурного РДТТ. Кроме того, ЭД позволяет многократно использовать донный глухой фланец и корпус воспламенительного устройства (ВУ).

Поставленная задача решается тем, что в экспериментальном двигателе (ЭД) для прогнозирования параметров процесса горения перспективного твердого ракетного топлива в натурном крупногабаритном двигателе, содержащем корпус из композитного материала в виде переднего и соплового днищ, соединенных между собой посредством цилиндрического участка произвольной длины, скрепленный с корпусом заряд твердого топлива и утопленное сопло, выполнены следующие отличия. На переднем днище установлен глухой фланец многократного использования. В центре его с внешней стороны установлено ВУ. Наружный радиус b заряда удовлетворяет условию

где L_U - контрольная длина свода горения образца ТРТ, используемого при определении скорости горения стандартным методом,

B - наружный радиус заряда РДТТ,

K - радиус канала заряда РДТТ,

Co - коэффициент оптимизации.

Радиус канала заряда равен

Радиус критического сечения сопла ЭД пропорционален радиусу R критического сечения сопла РДТТ и равен

Толщина цилиндрического участка силовой оболочки корпуса h задается в зависимости от средней деформации заряда ε в окружном направлении, возникающей при работе натурного РДТТ

где E - модуль упругости корпуса ЭД в окружном направлении,

τ - полное время работы ЭД,

P(t) - расчетное изменение давления от времени при работе ЭД.

Цилиндрический участок корпуса изготавливается произвольной длины, что позволяет обеспечить необходимое давление в испытаниях ЭД при заданном по формуле (3) радиусе r критического сечения сопла ЭД. ВУ установлено с внешней стороны теплоизолированного глухого фланца, что позволяет многократно использовать этот фланец и корпус ВУ.

Выбор наружного радиуса заряда b по формуле (1) позволяет оптимизировать размеры ЭД из технико-экономических соображений. Значение

подбирается как можно меньше, т.к. для удешевления конструкции желательно сделать ЭД меньших габаритов. В то же время свод горения заряда ТРТ должен удовлетворять условию

Это условие позволяет определять скорость горения в ЭД с погрешностью, которая не выше погрешности стандартного метода определения. Поэтому, исходя из (6)

и учитывая (5), значение b выбирается в соответствии (1).

Толщина силовой оболочки цилиндрического участка корпуса выбрана по формуле (4) исходя из заданной средней деформации s заряда ТРТ в окружном направлении, реализуемой при работе натурного РДТТ. Эта толщина не должна быть меньше предельно допустимой толщины, при которой возможно разрушение корпуса ЭД от воздействия максимального давления. Такой выбор позволяет проводить кондиционные испытания ЭД с обеспечением моделирования напряженно-деформированного состояния заряда.

Значения радиуса канала заряда k и величины радиуса критического сечения сопла r для ЭД рассчитываются по формулам (2) и (3). Это позволяет соблюдать геометрическое подобие ЭД натурному РДТТ, моделировать в нем газодинамические процессы течения газов, соответствующие процессам в натурном РДТТ, и обеспечить точный прогноз импульса тяги перспективного ТРТ.

Внешний вид ЭД показан на фиг.1. Корпус из композитного материала представляет собой переднее 1 и сопловое 2 днища, соединенные между собой цилиндрическим участком силовой оболочки корпуса 3. В этом корпусе расположен скрепленный канальный заряд ТРТ 4, а к сопловому днищу прикреплено утопленное сопло 5. На переднем днище 2, установлен теплоизолированный глухой фланец 6 многократного использования, на котором с внешней стороны установлено ВУ 7. В данном ЭД значение отношения С=b/B принято равным 0,3. Цилиндрический участок корпуса изготовлен с толщиной силовой оболочки корпуса, рассчитанной по формуле (4) в соответствии с заданной средней деформацией заряда ТРТ ε в окружном направлении. Эта деформация определяется по средней деформации заряда ТРТ, возникающей при работе натурного РДТТ.

Для прогноза параметров процесса горения перспективного ТРТ в натурном крупногабаритном РДТТ изготавливаются ЭД с зарядами из штатного (i=1) и перспективного (i=2, для которого прогнозируются параметры) ТРТ.

По экспериментальным зависимостям давления P_i(t) в камере сгорания определяют средние давления Роп_i, при которых происходило горение заряда

где τ_i - время окончания горения зарядов.

При испытаниях ЭД заряды деформируются в окружном направлении. Внутренний и наружный диаметры зарядов увеличиваются и среднеинтегральная деформация заряда ЭД в i-том испытании равна

Скорости горения в условиях НДС, соответствующие давлениям Pоп_i и деформациям ε_i в испытаниях ЭД для штатного и перспективного ТРТ, определяются по формуле

В испытаниях ЭД регистрируется тяга и определяются значения УИТ: для штатного (i=1) и для перспективного ТРТ (i=2).

Прогноз УИТ перспективного ТРТ в натурном крупногабаритном РДТТ в соответствии с /6/ осуществляется при условии, что уже имеются опытные значения УИТ штатного ТРТ, полученные на натурном РДТТ, близком по габаритам и конструкции к двигателю, для которого прогнозируется удельный импульс. Расчетным путем определяют теоретические значения импульсов тяги , (для ЭД) и , (для натурного РДТТ) на штатном и перспективном ТРТ, соответственно. Эти значения рассчитывают по известным термодинамическим соотношениям /7/. По результатам испытаний натурного РДТТ рассчитывают потери импульса тяги на штатном топливе

По результатам испытаний ЭД на штатном и перспективном ТРТ получают значения практического УИТ - , соответственно, а также суммарные значения потерь

Расчетные значения основной доли потерь удельного импульса тяги определяют по формулам /6/

где φ_j расчетные составляющие потерь импульса.

Окончательно значение прогнозируемого УИТ натурного ДУ на перспективном ТРТ с учетом значений (11…14) рассчитывают по формуле

С использованием изготовленных и испытанных ЭД на штатном и перспективном топливах получены результаты по скорости горения ТРТ и удельному импульсу тяги, которые удовлетворительно соответствуют этим параметрам натурных РДТТ с перспективным ТРТ.

ЭД могут использоваться при прогнозировании параметров скорости горения в условиях напряженно-деформированного состояния ТРТ и удельного импульса тяги крупногабаритных РДТТ.

Использованные литературные источники

1. "Исследование РДТТ" под редакцией М. Саммерфилда. -М.:Иностранная литература, 1963, стр.120-136.

2. В.С.Игнатьев и др. "Устройство для измерения скорости горения композиционных материалов", Заявка РФ №98102477 от 10.02.1998 г.

3. Strand L.D., Schultz A.D., Reedy G.K. "Метод микроволнового эффекта Допплера для определения нестационарной скорости горения". Journal of Spacecraft and Rockets, 1974, vol. 11. N=2.

4. Ю.М.Милехин, H.В.Сало, В.И.Калашников и др. «Модельный двигатель для определения скорости горения ТРТ в НДС». Патент РФ №2201520 от 27.03.2003.

5. А.В.Алешин, В.Я.Буртовая и др. «Ракетный двигатель твердого топлива». Патент РФ №2088783 от 27.08.1997 г.

6. Ю.М.Милехин, Г.В.Бурский, Г.С.Лавров. Б.И.Ларионов. «Прогнозирование энергетических характеристик РДТТ», Известия РАРАН, №2, 2010 г. стр.17-21.

7. Соркин. Газотермодинамика РДТТ. -М.: Наука, 1967 г.

Экспериментальный ракетный двигатель твердого топлива содержит корпус из композитного материала с передним и сопловым днищами, соединенными между собой посредством цилиндрического участка, скрепленный с корпусом заряд твердого топлива и утопленное сопло. На переднем днище установлен глухой фланец многократного использования, в центре которого с внешней стороны установлено воспламенительное устройство. Наружный радиус заряда, радиус канала заряда, радиус критического сечения сопла и толщина цилиндрического участка силовой оболочки корпуса определены соотношениями, защищаемыми настоящим изобретением. Изобретение позволяет определять удельный импульс тяги и скорость горения твердого ракетного топлива в условиях напряженно-деформированного состояния. 1 ил.

Экспериментальный ракетный двигатель твердого топлива (далее ЭД) для прогнозирования параметров процесса горения перспективного твердого ракетного топлива (ТРТ) в натурном крупногабаритном двигателе (РДТТ), содержащий корпус из композитного материала в виде переднего и соплового днищ, соединенных между собой посредством цилиндрического участка произвольной длины, скрепленный с корпусом заряд твердого топлива и утопленное сопло, отличающийся тем, что на переднем днище установлен глухой фланец многократного использования, в центре которого с внешней стороны установлено воспламенительное устройство, причем наружный радиус b заряда удовлетворяет условию:
L_U·B/(B-K)<b<Co·B,
где L_U - контрольная длина свода горения образца ТРТ, используемого при определении скорости горения стандартным методом,
B - наружный радиус заряда РДТТ,
K - радиус канала заряда РДТТ,
Co - коэффициент оптимизации,
радиус канала заряда равен
k=K·b/B,
радиус критического сечения сопла ЭД пропорционален радиусу R критического сечения сопла РДТТ и равен
r=R·b/B,
а толщина цилиндрического участка силовой оболочки корпуса h задается в зависимости от средней деформации заряда ε в окружном направлении, возникающей при работе натурного РДТТ, и равна

где E - модуль упругости корпуса ЭД в окружном направлении,
τ - полное время работы ЭД,
P(t) - расчетное изменение давления от времени при работе ЭД.