Установка для гашения ракетного двигателя на твердом топливе при испытаниях Российский патент 2017 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), и предназначено для гашения РДТТ при наземной отработке, в том числе высотных РДТТ, подвергающихся эффектам последействия в период времени после окончания работы.

В процессе отработки РДТТ возникает необходимость оценки состояния материальной части РДТТ путем дефектации ее после огневых стендовых испытаний (ОСИ). По результатам дефектации элементов РДТТ (корпуса, сопла) определяются: состояние теплозащитных покрытий, степень уноса, деструкции и разрушения материалов. Однако за период от окончания работы РДТТ до проведения дефектации материалы конструкции подвергаются дополнительным воздействиям, которые обусловлены догоранием остатков твердого топлива в камере сгорания, выравниванием температуры по толщине стенок, взаимодействием с атмосферным кислородом, пиролизными газами. Выделяемая в этот период теплота вызывает дополнительное коксование теплозащитных материалов, тепловое повреждение силовых элементов конструкции - проявляются эффекты последействия.

Наиболее эффективным средством фиксации состояния материальной части РДТТ после ОСИ является гашение, когда происходит быстрое прекращение процессов горения в двигателе и устраняются или минимизируются эффекты последействия. При этом наибольший практический интерес представляет гашение, заключающееся в изоляции от окружающей атмосферы объема камеры сгорания и сопла, а также гашение активным воздействием на процесс горения с помощью хладагентов (см. Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М. Гладков, B.C. Мухаммедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепанов. - М.: НТЦ Информ-техника, 1993. Стр. 68).

Дополнительные требования к гашению могут накладываться в случае, когда РДТТ прекращает работу в высотных условиях и до отделения от ракеты в течение некоторого периода времени находится в разреженных слоях атмосфер, при этом себя проявляют эффекты последействия, характерные для высотных условий, в том числе тепловое повреждение силовых элементов конструкции. При ОСИ таких РДТТ для получения достоверной информации по состоянию материальной части гашение необходимо проводить комбинированно в два этапа:

- Первый этап гашения проводится изоляцией от окружающей атмосферы объема камеры сгорания и сопла с созданием давления разряжения для проявления характерных высотным условиям эффектов последействия в течение требуемого периода времени;

- Второй этап гашения проводится активным воздействием на процесс горения с помощью хладагентов.

Известны установки для гашения РДТТ при испытаниях (см. Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М. Гладков, B.C. Мухаммедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепанов. - М.: НТЦ Информ-техника, 1993. Стр. 69, рис. 28; Конструкция и отработка РДТТ / Под редакцией A.M. Винницкого. - М.: Машиностроение, 1980. Стр. 117), которые содержат устройства подачи хладагента (например, воды) компактной струей или распылением.

Недостатком установок является отсутствие изоляции объема камеры сгорания и сопла от окружающей среды, при этом в начальный момент начала гашения РДТТ падение давления в камере сгорания за счет снижения температуры продуктов сгорания опережает рост давления за счет прихода массы хладагента, вследствие чего наблюдается подсос окружающего воздуха в сопло и камеру сгорания РДТТ во время гашения. Процессы горения интенсифицируются вплоть до выхода пламени на наружную поверхность соплового блока, эффекты последействия возрастают.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является установка для гашения РДТТ при испытаниях (см. Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. И.М. Гладков, B.C. Мухаммедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепанов. - М.: НТЦ Информ-техника, 1993. Стр. 70). Установка содержит поворотную штангу-трубу, связанную с приводом ее перемещения, распылительный насадок, источник хладагента и герметизирующий экран. После срабатывания привода перемещения герметизирующий экран закрывает сопло с целью изоляции объема камеры сгорания и сопла от окружающей среды, а хладагент подается через распылительный насадок от источника хладагента в камеру сгорания. Герметизирующий экран обеспечивает периодическое стравливание парообразного хладагента.

Известная установка для гашения ракетного двигателя на твердом топливе при испытаниях на первом этапе комбинированного гашения не позволяет создавать в изолированном объеме камеры сгорания и сопла давление разрежения, соответствующее высотным условиям, когда проявляются характерные эффекты последействия, в том числе тепловое повреждение силовых элементов конструкции. Более того, в объеме камеры сгорания и сопла, изолированных от окружающей среды, вследствие догорания остатков твердого топлива и выделения пиролизных газов создается избыточное давление.

На втором этапе комбинированного гашения с использованием жидкого хладагента (например, воды) в известной установке хладагент подается с периодическим стравливанием парообразного хладагента. Причем, в каждом последующем периоде уменьшают количество подаваемого хладагента и увеличивают время выдержки после герметизации сопла, что усложняет циклограмму гашения и увеличивает время гашения.

Следует отметить, что при повышенных требованиях к степени осушения РДТТ после гашения установка не позволяет провести дополнительное осушение.

Задачей данного изобретения является получение достоверной информации о состоянии материальной части и работоспособности РДТТ, подвергающихся после окончания работы в высотных условиях эффектам последействия.

Технический результат заключается в том, что достоверность информации о состоянии материальной части и работоспособности РДТТ достигается созданием в изолированном объеме камеры сгорания и сопла давления разрежения, соответствующего высотным условиям на первом этапе гашения, и эффективным гашением с интенсивным испарением хладагента на втором этапе гашения, а также последующим осушением РДТТ.

Технический результат достигается тем, что в установке для гашения ракетного двигателя на твердом топливе при испытаниях, содержащей поворотную штангу-трубу, связанную с приводом ее перемещения, распылительный насадок, источник хладагента и герметизирующий экран, на герметизирующем экране соосно распылительному насадку размещен кольцевой эжектор, содержащий сопло эжектирующего газа, сопло эжектируемого газа и диффузор, при этом сопло эжектируемого газа образовано наружной поверхностью распылительного насадка и охватывающей распылительный насадок наружной поверхностью сопла эжектирующего газа, а на магистрали подвода эжектирующего газа установлен управляющий клапан, причем на герметизирующем экране установлен датчик давления.

Распылительный насадок может быть закреплен на пилонах внутри диффузора, а в пилонах выполнены каналы, соединяющие распылительный насадок с коллектором подачи хладагента, установленным с наружной стороны диффузора, причем полость коллектора соединяется с источником хладагента через штангу-трубу.

Размещение на герметизирующем экране соосно распылительному насадку кольцевого эжектора, содержащего сопло эжектирующего газа, сопло эжектируемого газа и диффузор, при этом сопло эжектируемого газа образовано наружной поверхностью распылительного насадка и охватывающей распылительный насадок наружной поверхностью сопла эжектирующего газа, а на магистрали подвода эжектирующего газа установлен управляющий клапан, причем на герметизирующем экране установлен датчик давления, позволяет на первом этапе гашения создавать в изолированном объеме камеры сгорания и сопла давление разрежения, соответствующее высотным условиям, а на втором этапе гашения обеспечивает эффективное гашение с организацией осесимметричного течения, характеризующегося интенсивным тепломассообменом, хладагент подается вдоль оси РДТТ, интенсивно испаряется при давлении разрежения в камере сгорания, а парообразный хладагент удаляется по периферии через сопло эжектируемого газа. При этом управляющий клапан, установленный на магистрали подвода эжектирующего газа, задает режим работы эжектора, а датчик давления, установленный на герметизирующем экране, регистрирует давление разрежения в полости сопла, что обеспечивает высотные условия.

Таким образом, создание в изолированном объеме камеры сгорания и сопла давления разрежения с проявлением эффектов последействия, соответствующих высотным условиям на первом этапе гашения, и эффективное гашение с интенсивным испарением хладагента на втором этапе в конечном итоге обеспечивают достоверность результатов по оценке состояния матчасти и работоспособности РДТТ, в том числе РДТТ, прекращающих работу в высотных условиях и до отделения от ракеты в течение некоторого периода времени, находящихся в разреженных слоях атмосфер, когда себя проявляют эффекты последействия, характерные для высотных условий, в том числе тепловое повреждение силовых элементов конструкции.

Закрепление распылительного насадка на пилонах внутри диффузора, когда в пилонах выполнены каналы, соединяющие распылительный насадок с коллектором подачи хладагента, установленным с наружной стороны диффузора, причем полость коллектора соединяется с источником хладагента через штангу-трубу, обеспечивает подачу хладагента к распылительному насадку без нарушения требуемой геометрии проточной газовой части диффузора эжектора.

Следует отметить, что сила тяги, создаваемая эжектором, дополнительно поджимает герметизирующий экран к плоскости сопла и увеличивает контактное давление герметизации.

Кроме того, после окончания гашения с использованием жидкого хладагента (например, воды), разрежение, создаваемое эжектором, увеличивает скорость испарения остатков хладагента с поверхности материалов конструкции камеры сгорания, впитавших этот хладагент, и позволяет проводить дополнительное осушение с целью получения достоверной информации по количественной оценке степени уноса, деструкции и разрушения материалов.

Разработанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения является новой и позволяет получить требуемый технический результат.

На фиг. 1 показан общий вид установки гашения РДТТ при испытаниях в исходном положении вне зоны высокотемпературной газовой струи.

На фиг. 2 показан общий вид установки гашения РДТТ в рабочем положении после окончания работы РДТТ при гашении.

На фиг. 3 показан вид А фиг. 2. Установка гашения РДТТ в рабочем положении после окончания работы РДТТ при гашении изоляцией от окружающей атмосферы объема камеры сгорания и сопла с созданием давления разряжения.

На фиг. 4 показан вид А фиг. 2. Установка гашения РДТТ в рабочем положении после окончания работы РДТТ при гашении с использованием хладагента.

На фиг. 5 показан вид Б фиг. 2.

На фиг. 6 показано сечение В-В фиг. 4.

Установка для гашения РДТТ, в том числе камеры сгорания 1 и сопла 2, при ОСИ содержит поворотную штангу-трубу 3, связанную с приводом ее перемещения 4. На поворотной штанге-трубе 3 установлен герметизирующий экран 5. Источник хладагента 6 соединяется через штангу-трубу 3, клапан 7 и коллектор 8 с распылительным насадком 9. Давление в камере сгорания РДТТ контролируется датчиком давления 10. На герметизирующем экране 5 соосно распылительному насадку 9 размещен кольцевой эжектор 11 с соплом 12 эжектирующего газа и диффузором 13. Наружная поверхность распылительного насадка 9 и охватывающая распылительный насадок 9 наружная поверхность сопла 12 эжектирующего газа образуют сопло 14 эжектируемого газа. На магистрали 15 подвода эжектирующего газа установлен управляющий клапан 16, а на герметизирующем экране 5 датчик давления 17.

Распылительный насадок 9 может быть закреплен в диффузоре 13 эжектора на пилонах 18, в которых выполнены каналы подачи хладагента от коллектора 8 к распылительному насадку 9.

Работа установки гашения заключается в следующем.

При работе РДТТ установка для гашения РДТТ находится вне зоны высокотемпературной газовой струи. По окончании работы РДТТ в момент спада давления в камере сгорания 1 по датчику давления 10 до заданной величины начала гашения подается сигнал на включение привода перемещения 4 поворотной штанги-трубы 3. Одновременно подается сигнал на открытие управляющего клапана 16 для подачи эжектирующего газа (например, сжатого воздуха) по магистрали 15, включается кольцевой эжектор 11, сила тяги которого способствует уменьшению времени поворота. По окончании поворота герметизирующий экран 5 прижимается к плоскости торца сопла 2 и изолирует от окружающей среды объем сопла 2 и камеры сгорания 1.

На первом этапе гашения кольцевой эжектор 11 удаляет продукты догорания твердого топлива и создает давление разрежения, соответствующее высотным условиям. При этом степень разрежения контролируется датчиком давления 17, по сигналу которого формируются команды на управляющий клапан 16, задающий режим работы эжектора 11. Сила тяги, создаваемая эжектором 11, дополнительно поджимает герметизирующий экран 5 к торцевой поверхности среза сопла 2, увеличивая контактное давление герметизации. Эжектирующий газ (например, сжатый воздух) обтекает пилоны 18 и закрепленный на них распылительный насадок 9 и охлаждает их.

На втором этапе гашения поступает сигнал на открытие клапана 7 для гашения РДТТ с использованием хладагента. При открытом клапане 7 хладагент (например, вода) от источника хладагента 6 по поворотной штанге-трубе 3, коллектору 8 и каналам в пилонах 18 подается через распылительный насадок 9 в область камеры сгорания 1. Образующаяся в камере сгорания 1 парогазовая смесь через сопло 2 удаляется кольцевым эжектором 11, расположенным соосно относительно распылительного насадка 9. При этом давление парогазовой смеси контролируется датчиком давления 17, по сигналу которого формируются команды на управляющий клапан 16, задающий режим работы эжектора. Реализуется схема эффективного гашения с организацией осесимметричного течения, характеризующегося интенсивным тепломассообменом - хладагент подается вдоль оси РДТТ, а высокотеплоемкая парогазовая смесь удаляется по периферии с непрерывным циклом работы кольцевого эжектора. При этом разрежение, создаваемое кольцевым эжектором 11, способствует более полному испарению хладагента (например, воды) для исключения его скопления в нижней части корпуса РДТТ, что является одним из основных требований к условиям гашения РДТТ (см. Конструкция и отработка РДТТ. / Под редакцией A.M. Виницкого. - М.: Машиностроение, 1980. - Стр. 118).

В случае повышенных требований к степени осушения РДТТ кольцевой эжектор 11 продолжает работать до необходимой степени осушения РДТТ после прекращения подачи хладагента через распылительный насадок 9.

Таким образом, предлагаемая установка для гашения ракетного двигателя на твердом топливе при испытаниях позволяет на первом этапе гашения изолировать от окружающей среды объем камеры сгорания и сопла с созданием в нем давления разрежения, соответствующего высотным условиям, а на втором этапе гашения обеспечивает эффективное гашение с интенсивным испарением хладагента и последующим дополнительным осушением. В итоге удается получить достоверную информацию о состоянии материальной части и работоспособности РДТТ, подвергающихся после окончания работы в высотных условиях характерным эффектам последействия, в том числе тепловому повреждению силовых элементов конструкции.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к стендовому оборудованию, применяемому при огневых стендовых испытаниях ракетных двигателей на твердом топливе, и предназначено для гашения РДТТ при наземной отработке, в том числе высотных РДТТ. Установка для гашения ракетного двигателя на твердом топливе при испытаниях содержит поворотную штангу-трубу, связанную с приводом ее перемещения, распылительный насадок, источник хладагента и герметизирующий экран. На герметизирующем экране соосно распылительному насадку размещен кольцевой эжектор, содержащий сопло эжектирующего газа, сопло эжектируемого газа и диффузор. Сопло эжектируемого газа образовано наружной поверхностью распылительного насадка и охватывающей распылительный насадок наружной поверхностью сопла эжектирующего газа. На магистрали подвода эжектирующего газа установлен управляющий клапан, причем на герметизирующем экране установлен датчик давления. Распылительный насадок закреплен на пилонах внутри диффузора, а в пилонах выполнены каналы, соединяющие распылительный насадок с коллектором подачи хладагента, установленным с наружной стороны диффузора, причем полость коллектора соединяется с источником хладагента через штангу-трубу. Изобретение позволяет обеспечить получение достоверной информации о состоянии материальной части и работоспособности РДТТ, подвергающихся после окончания работы в высотных условиях эффектам последействия. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Установка для гашения ракетного двигателя на твердом топливе при испытаниях, содержащая поворотную штангу-трубу, связанную с приводом ее перемещения, распылительный насадок, источник хладагента и герметизирующий экран, отличающаяся тем, что на герметизирующем экране соосно распылительному насадку размещен кольцевой эжектор, содержащий сопло эжектирующего газа, сопло эжектируемого газа и диффузор, при этом сопло эжектируемого газа образовано наружной поверхностью распылительного насадка и охватывающей распылительный насадок наружной поверхностью сопла эжектирующего газа, а на магистрали подвода эжектирующего газа установлен управляющий клапан, причем на герметизирующем экране установлен датчик давления.

2. Установка для гашения ракетного двигателя на твердом топливе при испытаниях по п. 1, отличающаяся тем, что распылительный насадок закреплен на пилонах внутри диффузора, а в пилонах выполнены каналы, соединяющие распылительный насадок с коллектором подачи хладагента, установленным с наружной стороны диффузора, причем полость коллектора соединяется с источником хладагента через штангу-трубу.