СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ И СКОРОСТИ СУБЛИМАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ОБДУВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ГАЗОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано как стендовое оборудование для определения скорости горения твердых ракетных топлив (ТРТ) и скорости сублимации полимерных покрытий, например, теплозащитных покрытий, бронирующих составов твердотопливных ракетных двигателей, при обдуве высокотемпературным газом.

Из уровня техники известен способ определения скорости горения ТРТ при обдуве высокотемпературным газом путем прерывания горения образца с последующим его взвешиванием и обмером, и устройство для его реализации, содержащее газогенератор со сгораемой заглушкой, цилиндрический образец из твердого топлива и сопло [Скорость горения твердого ракетного топлива и методы ее экспериментального определения: учебное пособие / В.П. Белов; Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2008. - 42 с.]. При использовании данного способа в устройстве образец гасят в определенный момент времени после начала работы газогенератора. Измерив геометрические размеры погашенного образца, можно найти величину сгоревшего свода к моменту гашения. Появляется возможность вычислить среднюю скорость горения за время горения заряда до гашения, которое можно задавать перед экспериментом, поэтому усреднять скорость можно для весьма малых промежутков времени (до долей секунды). Гашение производят с помощью специального прерывателя.

Недостатком данного способа является необходимость проведения большого количества испытаний и низкая точность измерений.

Данный способ измерения скорости горения ТРТ реализуется с помощью специального устройства - прерывателя горения, состоящего из цилиндрической камеры сгорания, в которой располагается заряд, опирающийся на кольцевой упор нижнего днища. Со стороны сопла заряд подпирается диафрагмой, которая поджимается сопловым днищем, воспламенитель располагается в передней части камеры. Подробное описание устройства приведено в работе В.П. Белова «Скорость горения твердого ракетного топлива и методы ее экспериментального определения» [с. 9-11].

Недостатки устройства: усложнение конструкции за счет прерывателя горения и невозможность использования для всех типов твердого топлива.

Наиболее близким техническим решением является способ определения скорости горения ТРТ с регистрацией перемещения поверхности горения методами кино- или видеосъемки процесса горения топлива, где скорость горения определяется при обработке снимков скоростной видеокамеры, заснятых через специальное стекло [В.П. Белов «Скорость горения твердого ракетного топлива и методы ее экспериментального определения», с. 12-14]. На двигающуюся фотопленку фиксируется излучение от высокотемпературных продуктов сгорания, заполняющих внутренний объем камеры между пластинами топлива. На пленке наблюдается засвеченная полоса, соответствующая этому объему. Границы полосы отвечают границам поверхности горения заряда. Так как по мере сгорания топлива увеличивается размер канала h, то на непрерывно движущейся пленке видна расширяющаяся полоса. Если в какой-то момент времени размер канала h, а через некоторое время его величина стала равной h2, то скорость горения топлива будет равна: h2 - h1.

В данном способе используется модельный двигатель с прозрачными оптическими окнами и специальный заряд.

Данный способ реализуется устройством, состоящим из камеры двигателя прямоугольной формы, на двух боковых поверхностях которой располагаются прямоугольные вырезы, которые закрываются оптическими окнами. Окна изготовляют из кварца и плотно прижимают накладками. Камера герметизируется уплотнительными прокладками. Заряд состоит из двух плоских пластин. Ширина пластин соответствует расстоянию между окнами, а их толщина зависит от времени работы двигателя. Пластины топлива приклеиваются к корпусу камеры и с боков поджимаются окнами. Поэтому горение заряда происходит только по внутренним поверхностям пластин. Продукты сгорания протекают к соплу по прямоугольному каналу толщиной h. Подробное описание устройства приведено в работе В.П. Белова «Скорость горения твердого ракетного топлива и методы ее экспериментального определения» [с. 12-14].

Недостатком данного способа является образование мениска (искажения поверхности горения) на границе топливо-стекло, образование на поверхности образца ряби (продольных и поперечных волн), а также изменение параметров обдувающего потока в результате разгара канала, что приводит к снижению достоверности определения скорости горения.

Задача изобретения состоит в разработке способа и устройства, позволяющего обеспечить постоянство значений параметров высокотемпературного газового потока для обдува исследуемого образца (ТРТ или полимерного покрытия) на протяжении всего периода измерения скорости горения или сублимации образца.

Задача решается тем, что способ измерения скорости горения твердых ракетных топлив и скорости сублимации полимерных покрытий при обдуве высокотемпературным газом, включающий регистрацию поверхности горения по времени, при этом что блок управления обеспечивает постоянство уровня поверхности горения за счет использования устройства линейного перемещения образца. Разгар канала, по которому течет высокотемпературный газ, компенсируется перемещением образца на величину сгоревшего свода. В этом случае, скорость горения определяется скоростью перемещения образца. Постоянство значений параметров высокотемпературного газового потока обеспечивается неизменностью площади проходного сечения канала. Поверхность горения образца в каждый момент времени регистрируется рентгеновским датчиком через узкое щелевое коллиматорное отверстие.

Устройство для реализации способа состоит из модельного двигателя с окнами, при этом окна выполнены в виде узких коллиматорных щелей, напротив них установлены источник и приемник рентгеновского излучения, а также линейный привод, блок управления линейным приводом, датчик перемещения образца, связанный с блоком регистрации его положения, карман прямоугольной формы для установки исследуемого образца, прочно скрепляемого с линейным приводом, при этом устройство имеет прямоугольный канал для движения высокотемпературного газового потока.

Исследуемый образец полимера, например, твердого ракетного топлива, забронирован с 4-х сторон бронирующим

Линейный привод может быть гидравлическим, имеющим гидроцилиндр, соединенный с перепускным клапаном, блоком управления, масляный насос и масляный бак, поршень гидроцилиндра, жестко скрепленный с исследуемым образцом.

Линейный привод может быть механическим осуществляющим перемещение образца сервоприводом с винтовой парой, электромотором и блоком управления, образец жестко связан с винтом.

Рентгеновское излучение беспрепятственно проходит через образец и плотный газовый поток. Интенсивность излучения, проходящего через образец, определяется зависимостью J=AJ⁰e^kx, где х - толщина образца, J⁰ - начальная интенсивность, А, k - эмпирические коэффициенты. Так как в процессе горения на поверхности образца образуется рябь (продольные и поперечные волны), с целью повышения точности измерения скорости горения образца при обдуве высокотемпературным газом, для определения осредненного положения границы поверхности горения образца в каждый момент времени используются данные рентгеновского датчика, которые сравниваются с его показаниями в начальный момент времени (при настройке датчика перед пуском установки) и по данным регистрации определяется среднеинтегральное значение уровня поверхности горения.

Способ и устройство для его реализации поясняются чертежами, представленными на:

фиг. 1 - схема устройства измерения скорости линейного перемещения образца, фиг. 2. - схема управления следящим приводом устройства, фиг. 3 - схема калибровки поверхности горения образца перед испытаниями, фиг. 4. - схема регистрации поверхности горения образца при обдуве во время испытаний.

Предлагаемый способ измерения скорости при обдуве высокотемпературным газом может быть применен как для определения скорости горения ТРТ, так и для определения скорости сублимации полимерных покрытий, например, теплозащитных покрытий, бронирующих составов твердотопливных ракетных двигателей. Сущность способа заключается в том что, компенсация выгоревшего слоя образца производится его линейным перемещением, что соответствует скорости его горения или сублимации, перемещение образца позволяет обеспечить постоянство значений параметров потока высокотемпературного газа.

Образец приводится в движение следящим приводом с регистрацией линейного перемещения. Следящий привод может быть выполнен механическим (винтовая пара и электродвигатель), или гидравлическим (схема приведена на фиг. 1, фиг. 2).

Данный способ может быть реализован устройством, схема которого приведена на фиг.1, фиг.2. Устройство состоит из газогенератора 1, канала 2 и кармана 3 прямоугольной формы, в боковых стенках канала и кармана, на их стыке изготовлены узкие коллиматорные щели из материала прозрачного для рентгеновского излучения 4, например из полиметил-метакрилата, источника 5 и приемника (детектора) рентгеновского излучения 6, твердотопливной шашки 7, воспламенительного устройства 8, соплового блока 9, исследуемого образца 10. Боковые поверхности образца 10 покрыты с четырех сторон слоем бронирующего состава 11, сам образец приклеен к металлической подложке 12, жестко скрепленной с поршнем 13 линейного привода, цилиндр поршня 13 соединен с перепускным клапаном 14, а перепускной клапан 14 соединен с масляным насосом 15 и масляным баком 16. Управление клапаном 14 осуществляется блоком управления 17. Образец в камере просвечивается рентгеновской установкой 5 через узкие коллиматорные щели 4, рентгеновское излучение попадает на приемник рентгеновского излучения 6, соединенный с блоком управления 17. Шток 18 поршня 13 соединен с датчиком перемещения 19, датчик перемещения 19 соединен с запоминающим устройством 20.

Включение установки производится кнопкой 21, соединенной с питанием запоминающего устройства 20 и воспламенительным устройством 8.

Устройство работает следующим образом. Перед запуском установки выполняется настройка интенсивности принимаемого излучения рентгеновского датчика б так, чтобы уровень поверхности горения образца 10 находился по центру коллиматорного отверстия 4 (показано на фиг. 3). При нажатии кнопки 21 включается запоминающее устройство 20 и запускается воспламенительное устройство 8, загорается твердотопливная шашка 7, продукты сгорания шашки поступают в канал 2 прямоугольного сечения и обдувают образец 10, располагающийся в кармане 3 канала 2, через коллиматорные отверстия 4, выполненные в форме узких щелей на стыке карман-канал, проходит рентгеновское излучение с источника на приемник, скорость потока и давление в камере газогенератора 1 обеспечиваются величиной площади критического сечения соплового блока 9 и поверхности шашки 7, поверхность горения шашки 7 постоянна на протяжении всего периода измерения скорости горения образца 10 и определяется выбором геометрии шашки 7. При выгорании образца 10 интенсивность рентгеновского излучения увеличивается, рентгеновский датчик 6 подает сигнал на блок управления 17, который переключает перепускной клапан 14 и поршень 13 с образцом 10 начинают перемещаться до тех пор, пока интенсивность излучения не достигнет величины, установленной при начальной калибровке (фиг. 3). Аналогичным образом перемещение образца может осуществляться включением сервопривода с винтовой парой. Такая система управления позволяет найти среднеинтегральное значение интенсивности излучения при образовании на поверхности горения ряби (продольных и поперечных волн) и пристеночного мениска (показано на фиг. 4). Полученное среднеинтегральное значение интенсивности рентгеновского излучения должно быть равно установленному при начальной калибровке. Таким образом обеспечивается постоянство площади проходного сечения канала (путем компенсации сгоревшего свода перемещением образца) и, как следствие, постоянство основных параметров обдувающего потока высокотемпературного газа: давления, скорости, температуры.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано как стендовое оборудование для определения скорости горения твердых ракетных топлив (ТРТ) и скорости сублимации полимерных покрытий, например теплозащитных покрытий, бронирующих составов твердотопливных ракетных двигателей, при обдуве высокотемпературным газом. Техническая задача решается тем, что компенсация выгоревшего слоя образца производится его линейным перемещением, что соответствует скорости его горения или сублимации, перемещение образца позволяет обеспечить постоянство значений параметров обдувающего потока высокотемпературного газа. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения скорости горения твердых ракетных топлив и скорости сублимации полимерных покрытий при обдуве высокотемпературным газом, включающий регистрацию поверхности горения по времени, отличающийся тем, что блок управления обеспечивает постоянство уровня поверхности горения за счет использования устройства линейного перемещения образца.

2. Устройство для реализации способа, состоящее из модельного двигателя с окнами, отличающееся тем, что окна выполненны в виде узких коллиматорных щелей, напротив них установлены источник и приемник рентгеновского излучения, а также линейный привод, блок управления линейным приводом, датчик перемещения образца, связанный с блоком регистрации его положения, карман прямоугольной формы для установки исследуемого образца, прочно скрепляемого с линейным приводом, при этом устройство имеет прямоугольный канал для движения высокотемпературного газового потока.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что исследуемый образец полимера, например твердого ракетного топлива, забронирован с 4-х сторон бронирующим составом.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что линейный привод может быть гидравлическим, имеющим гидроцилиндр, соединенный с перепускным клапаном, блоком управления, масляный насос и масляный бак, поршень гидроцилиндра, жестко скрепленный с исследуемым образцом.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что линейный привод может быть механическим осуществляющим перемещение образца сервоприводом с винтовой парой, электромотором и блоком управления, образец жестко связан с винтом.