Устройство с кормовым диффузором для высотных испытаний ракетных двигателей малой тяги Российский патент 2019 года по МПК F02K9/96 G01M15/14 

Настоящее изобретение относится к области испытаний ракетных двигателей малой тяги с имитацией высотных условий.

При создании ракетных двигателей малой тяги, используемых в качестве исполнительных органов систем управления объектов ракетно-космической техники, предусмотрено проведение огневых испытаний на специализированных стендах с целью определения основных параметров двигателя (давления в камере сгорания, расходов компонентов топлива, тяги, удельного импульса тяги и других), а также параметров среды, имитирующей эксплуатационные условия. Как правило, при таких испытаниях продукты сгорания истекают в вакуумную камеру, что приводит к повышению давления в ней, и через короткое время нарушается режим безотрывного течения продуктов сгорания в сопле, что приводит к входу скачка уплотнения в сопло и недостоверному измерению тяги двигателя. Для решения этой проблемы можно использовать кормовые диффузоры (Исследование ракетных двигателей на жидком топливе. Перевод с английского. Под редакцией д.т.н. В.А. Ильинского. Издательство «МИР». Москва 1964 г., стр. 14, 37,44, 60, 73, 75, 78, 80, 82).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является стенд с дополнительной емкостью на выходе из диффузора (А.А. Шишков, Б.М. Силин. Высотные испытания реактивных двигателей. Москва, Машиностроение, 1985, стр. 20, рис. 1.9, d).

Недостатком этого технического решения при испытаниях ракетных двигателей малой тяги является то, что продукты сгорания в процессе работы двигателя поступают в дополнительную емкость, повышая в ней давление и при достижении давления, равного давлению окружающей среды, отбрасываемая заглушка срабатывает, и с этого момента давление в дополнительной емкости обеспечивается равным атмосферному. При этом давление на срезе сопла в этой схеме стенда не может быть ниже р_а<0,4p_h (сопла ракетных двигателей первых ступеней ракет-носителей).

Поскольку двигатели малой тяги имеют геометрическую степень расширения сопла Fa>45…50, то рассмотренная схема стенда является неприемлемой. Кроме этого, в случае реализации этой схемы продукты сгорания ракетного топлива поступают в окружающую среду, создавая экологические проблемы в зоне расположения стенда.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства с кормовым диффузором для обеспечения безотрывного течения продуктов сгорания в сопле ракетного двигателя при высотных испытаниях ракетных двигателей малой тяги, в том числе, с повышенной геометрической степенью расширения сопла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность определения основных параметров ракетного двигателя малой тяги (давления в камере сгорания, расходов компонентов топлива, тяги, удельного импульса тяги, и других), а также параметров среды, в которой проводятся испытания.

Данная задача решается за счет того, что заявляемое устройство для высотных испытаний ракетных двигателей малой тяги, состоящее из вакуумной камеры с кормовым диффузором и вакуумных задвижек дополнительно содержит еще одну вакуумную камеру, которая соединена газодинамически с кормовым диффузором через первую вакуумную задвижку, разделяющую первую и вторую вакуумные камеры, при этом вторая вакуумная камера соединена с системой вакуумных насосов через вторую вакуумную задвижку, причем вторая вакуумная камера установлена с возможностью поддержания в ней давления разрежения.

Кроме того, расположение выходного сечения сопла двигателя и входного сечения кормового диффузора обеспечено в пределах установочных размеров: отношение диаметров кормового диффузора и сопла dкд/dс<1,05…1,5, осевой зазор между срезом сопла и входным сечением кормового диффузора находится в пределах диапазона 0≤h≤6 мм, угол наклона плоскости среза сопла и кормового диффузора α≤5°.

Кроме того, во второй вакуумной камере расположены криопанели, количество которых обусловлено условием обеспечения давления бессрывной работы кормового диффузора р≈0,2 p_h, где p_h - давление окружающей среды, с учетом производительности вакуумных насосов и длительности испытаний.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично представлено устройство с кормовым диффузором для высотных испытаний ракетных двигателей малой тяги. На чертеже изображены: ракетный двигатель малой тяги 1, вакуумная камера 2, кормовой диффузор 3, вакуумная задвижка 4, вакуумная камера 5, вакуумная задвижка 6.

Работает устройство следующим образом.

В процессе испытаний продукты сгорания из сопла двигателя 1, расположенного в вакуумной камере 2, через кормовой диффузор 3, при открытой вакуумной задвижке 4 поступают в вакуумную камеру 5, где взаимодействуют с криопанелями, обеспечивая давление для бессрывной работы диффузора, далее через вакуумную задвижку 6 продукты сгорания поступают в вакуумные насосы (не показанные на чертеже), при этом кормовой диффузор 3 герметично соединен с вакуумной задвижкой 4, выполняя газодинамическое разъединение вакуумных камер 2 и 5 в процессе работы ракетного двигателя, создавая в вакуумной камере 2 условия для безотрывного течения продуктов сгорания в сопле двигателя 1.

Изобретение относится к области испытаний ракетных двигателей малой тяги. Устройство для высотных испытаний ракетных двигателей выполнено с кормовым диффузором для обеспечения безотрывного течения продуктов сгорания в сопле ракетного двигателя при испытаниях и включает две вакуумные камеры и две вакуумные задвижки. В процессе работы ракетного двигателя кормовой диффузор газодинамически разъединяет вакуумные камеры, обеспечивая в первой вакуумной камере начальные условия. Вакуумная камера, в которую через диффузор поступают продукты сгорания, соединена с системой вакуумных насосов, поддерживающих в ней давление разрежения, необходимое для бессрывной работы диффузора и безотрывного течения продуктов сгорания в сопле двигателя, в том числе с повышенной геометрической степенью расширения. Изобретение позволяет обеспечить возможность определения основных параметров ракетного двигателя малой тяги, а также параметров среды, в которой проводятся испытания. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для высотных испытаний ракетных двигателей малой тяги, состоящее из вакуумной камеры с кормовым диффузором и вакуумных задвижек, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит еще одну вакуумную камеру, которая соединена газодинамически с кормовым диффузором через первую вакуумную задвижку, разделяющую первую и вторую вакуумные камеры, при этом вторая вакуумная камера соединена с системой вакуумных насосов через вторую вакуумную задвижку, причем вторая вакуумная камера установлена с возможностью поддержания в ней давления разрежения.

2. Устройство для высотных испытаний ракетных двигателей малой тяги по п. 1, отличающееся тем, что расположение выходного сечения сопла двигателя и входного сечения кормового диффузора обеспечено в пределах установочных размеров: отношение диаметров кормового диффузора и сопла dкд/dc≤1,05…1,5, осевой зазор между срезом сопла и входным сечением кормового диффузора находится в пределах диапазона 0≤h≤6 мм, угол наклона плоскости среза сопла и кормового диффузора α≤5°.

3. Устройство для высотных испытаний ракетных двигателей малой тяги по п. 1, отличающееся тем, что во второй вакуумной камере расположены криопанели, количество которых обусловлено условием обеспечения давления бессрывной работы кормового диффузора р≈0,2 p_h, где p_h - давление окружающей среды с учетом производительности вакуумных насосов и длительности испытаний.