Тягоизмерительное устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей малой тяги в импульсных режимах работы Российский патент 2020 года по МПК F02K9/96 G01L5/13 G01M15/14 

Изобретение относится к ракетно-космической технике (испытательным стендам для жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ)), используемых в качестве исполнительных органов систем управления космических аппаратов, разгонных блоков и других объектов.

Основную долю времени такие двигатели работают на орбите в импульсных режимах. Минимальная длительность импульса составляет τ_и~5⋅10^-2 с, максимальная частота включений f~20 Гц.

В настоящее время принято импульс тяги ЖРДМТ в импульсном режиме определять как произведение импульса давления, полученного в импульсном режиме работы, на тяговый комплекс, полученный в непрерывном режиме работы двигателя.

Для повышения точности определения основных параметров ЖРДМТ в импульсных режимах работы необходима оценка тягового комплекса в режимах одиночных включений, отличающегося от полученного в непрерывном режиме, на величину потерь в переходных процессах при запуске и останове двигателя. Чем меньше длительность импульса ЖРДМТ, тем большее влияние оказывают переходные процессы на значение тягового комплекса.

Известно устройство (Жуковский А.Е. Испытания жидкостных ракетных двигателей: Учебник для студентов авиационных специальностей ВУЗов [Текст] / А.Е. Жуковский, B.C. Кондрусев, В.В. Окорочков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 352 с. (стр. 291…298), реализующее активный метод измерения импульсной тяги, когда измеряется не реакция истекающих из сопла двигателя газов, а прямое силовое воздействие сверхзвуковой струи продуктов сгорания. При этом методе за соплом ЖРДМТ устанавливается газоприемная ловушка закрытого типа, обеспечивающая разворот газов строго на 90° по отношению к оси двигателя и их отвод в радиальном направлении. Ловушка выполняет роль мембраны, являющаяся упругим силовым элементом тягоизмерительного устройства. При малых перемещениях и использовании аппаратуры высокочастотного преобразователя давления индуктивного типа (ДД-10 со срезанной мембраной) получены результаты измерения импульсной тяги активным тягоизмерительным устройством удовлетворительно отражающие, в том числе, изменение давления в камере сгорания.

Недостатками данного технического решения являются:

- отсутствие достоверных методов расчета газодинамического тракта ловушки;

- необходимость использования экспериментальных методов выбора: размера, профиля отводных каналов ловушки и расстояния от среза сопла до плоскости входа в ловушку и др.;

- сравнительно невысокая точность;

- малый ресурс ловушки из-за ее взаимодействия с высокотемпературными продуктами сгорания и др.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является датчик тяги (патент ФРГ № DE 3238951 C2, МПК G01L 1/22, опубл. 1985-10-17), в котором достигается уменьшение влияния поперечных нагрузок и повышение чувствительности. Это обеспечивается применением двух одинаковых профилированных мембран, одна из которых препарирована тензодатчиками. Кроме того, конструкция имеет элемент защиты от перегрузок.

Наличие двух разнесенных по оси силопередачи звездообразных элементов повышает собственную частоту конструкции и снижает конструктивную погрешность при измерении силы. Предложенный упругий элемент с несколькими тензопреобразователями может быть использован для создания тензоустройства импульсных усилий.

Недостатками описанного технического решения являются:

- ограничения по величине тяги испытуемых изделий;

- ограничения по собственной частоте тягоизмерительного устройства (существенное влияние массы различных двигателей);

- влияние на показания тензодатчиков температуры окружающей среды при испытаниях двигателей (отсутствие температурной компенсации);

- необходимость строгого соблюдения технологии приклеивания тензодатчиков на рабочее место;

- сравнительно невысокая точность.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение являются: создание тягоизмерительного устройства для определения тяги жидкостного ракетного двигателя малой тяги, тягового комплекса в импульсных режимах работы с максимально возможной точностью.

Техническим результатом является расширение возможностей тягоизмерительного устройства по значениям тяги и собственной частоте, а также увеличение точности измерений импульсной тяги.

Технический результат достигается за счет того, что заявляемое тягоизмерительное устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей малой тяги в импульсных режимах работы, состоящее из корпуса и упругих элементов, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен в виде круговой балки, упругие элементы представляют собой радиально ориентированные лепестки прямоугольного сечения, скрепляющие корпус устройства и технологический фланец с испытуемым двигателем, а их количество, длина и параметры профиля обеспечивают собственную частоту конструкции, не меньше, чем в десять раз превышающую частоту измеряемых импульсов тяги, при этом в устройстве используются высокоточные лазерные датчики перемещения, которые в процессе работы двигателя располагаются либо в барокамере в герметичном корпусе, либо вне ее.

Тягоизмерительное устройство для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы, отличающееся тем, что в качестве лепестковых элементов установлены сильфонные герметичные тензодатчики.

Тягоизмерительное устройство для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы, отличающееся тем, что в устройстве для расширения диапазона тяг испытуемых двигателей могут быть применены 2, 3, 4, 6 лепестковых упругих элементов.

Тягоизмерительное устройство для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы, отличающееся тем, что датчики передают измерительную информацию в стендовую компьютерную систему.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является возможность измерения тяги ЖРДМТ в импульсных режимах работы, поскольку тягоизмерительное устройство может обеспечить требуемую собственную частоту, а высокая эффективность измерения реализуется за счет точности определения перемещений лазерным датчиком, который механически развязан с конструкцией устройства.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

- на фиг. 1 схематично представлено тягоизмерительное устройство для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы (вид сверху);

- на фиг. 2 представлено сечение А-А тягоизмерительного устройства для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы.

Устройство состоит из рабочего стола вакуумной камеры 1, кольцевой балки 2, ЖРДМТ 3, крепежного фланца двигателя 4, технологического фланца 5, упругой балки (лепесткового типа) 6, крепежных элементов 7, лазерного датчика перемещения 8 и отражающей поверхности 9.

Работает тягоизмерительное устройство следующим образом. После сборки тягоизмерительного устройства с испытуемым двигателем и его установки на рабочее место, подключения всех систем, производится проверка собственной частоты конструкции путем ударного воздействия и записи в компьютер колебаний системы. При выполнении условия: собственная частота устройства превышает частоту следования импульсов тяги в десять и более раз, проводится градуировка устройства весовым методом посредством рычажного механизма с помощью поверенных грузов в стационарных условиях в требуемом диапазоне изменения импульсной тяги. В случае получения линейной зависимости сигнала лазерного датчика от тяги осуществляется подготовка вакуумной системы и проводятся испытания ЖРДМТ по программе работы. Затем следует экспресс анализ результатов и, в случае необходимости - повтор отдельных режимов. После чего, выполняется послепусковая градуировка тягоизмерительного устройства и отображаются результаты испытаний в электронном виде и на бумажном носителе.

Изобретение относится к испытательным стендам для жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ). Тягоизмерительное устройство состоит из корпуса, выполненного в виде круговой балки, упругих элементов, представляющих собой радиально ориентированные лепестки прямоугольного сечения, соединяющие корпус устройства и технологический фланец, на котором крепится испытуемый двигатель, а их количество, длина и параметры профиля обеспечивают требуемую собственную частоту конструкции, не менее чем в десять раз превышающую частоту измеряемых импульсов тяги, кроме того, в устройстве используются высокоточные лазерные датчики перемещения, которые в процессе работы двигателя могут быть установлены либо в барокамере в герметичном корпусе, либо вне ее. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений импульсной тяги. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тягоизмерительное устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей малой тяги в импульсных режимах работы, состоящее из корпуса и упругих элементов, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен в виде круговой балки, упругие элементы представляют собой радиально ориентированные лепестки прямоугольного сечения, скрепляющие корпус устройства и технологический фланец с испытуемым двигателем, а их количество, длина и параметры профиля обеспечивают собственную частоту конструкции, не меньше чем в десять раз превышающую частоту измеряемых импульсов тяги, при этом в устройстве используются высокоточные лазерные датчики перемещения, которые в процессе работы двигателя располагаются либо в барокамере в герметичном корпусе, либо вне ее.

2. Тягоизмерительное устройство для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы по п. 1, отличающееся тем, что в качестве лепестковых элементов установлены сильфонные герметичные тензодатчики.

3. Тягоизмерительное устройство для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы по п. 1, отличающееся тем, что в устройстве для расширения диапазона тяг испытуемых двигателей могут быть применены 2, 3, 4, 6 лепестковых упругих элементов.

4. Тягоизмерительное устройство для испытаний ЖРДМТ в импульсных режимах работы по п. 1, отличающееся тем, что датчики передают измерительную информацию в стендовую компьютерную систему.