Стендовое устройство для определения суммарного импульса тяги твердотопливной газореактивной системы ориентации, снабженной газонакопительной емкостью, и способ определения суммарного импульса тяги твердотопливной газореактивной системы ориентации с газонакопительной емкостью Российский патент 2021 года по МПК F02K9/08 

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при отработке твердотопливных газореактивных систем ориентации (ТТ ГРСО), снабженных газонакопительной емкостью.

ТТ ГРСО обычно состоит из 1-го или нескольких твердотопливных газогенераторов (ТТ ГГ) с расходными соплами, включаемых последовательно по мере расходования газа на создание управляющих усилий, накопительной емкости для генерируемого газа, редуктора или стабилизатора давления и нескольких блоков управления, снабженных управляемыми клапанами с расходными соплами (см. Н.М. Беляев, Н.П. Белик, Е.И. Уваров «Реактивные системы управления космических аппаратов». Москва. Машиностроение. 1979 г.). Комбинация открытых и закрытых расходных сопел блоков управления создают необходимые управляющие усилия, а генерируемая масса газа обеспечивает требуемый суммарный импульс тяги, а расход газа - требуемую тягу, при этом суммарное время создания управляющих усилий меньше, чем заданное время работы системы ориентации.

Применение ТТ ГРСО с газонакопительнной емкостью приводит к затруднениям по определению суммарного импульса тяги системы (всех расходных сопел) из-за специфических термодинамических процессов, возникающих при накачке и опорожнении газонакопительной емкости. Характер процесса существенно зависит от расхода газа при накачке (опорожнении) и теплообмена между газом и корпусом ТТ ГРСО. При накачке газа в емкость растет не только давление, но и температура, соответственно при опорожнении происходит спад давления и температуры. В общем случае это политропический процесс, который при больших расходах газа при накачке (опорожнении) приближается к адиабатическому, а при малых расходах -изотермическому. Процесс накачки газа в емкость достаточно стабилен и может быть рассчитан по параметрам ТТ ГГ и характеристикам газонакопительной емкости, а вот процесс при опорожнении емкости (при расходе газа на создание управляющих тяговых усилий) зависит от многих факторов реального функционирования ТТ ГРСО при полете и не поддается однозначному описанию. Неопределенность расхода газа по времени работы ТТ ГРСО на создание управляющих тяговых усилий и, как следствие, изменения температуры газа по времени в газонакопительной емкости создает неопределенности при подтверждении заданного суммарного импульса тяги ТТ ГРСО. Тяга единичного сопла блоков управления при изменении температуры газа в газонакопительной емкости остается неизменной, так как является функцией параметров сопла и давления перед ним, а расход газа на создание управляющих тяговых усилий в единичном сопле увеличивается, при снижении температуры газа в емкости, и, как следствие, уменьшается удельный импульс тяги (работоспособность газа), что уменьшает суммарный импульс тяги и его время работы.

Температуру газа в газонакопительной емкости можно оценить исходя из максимально возможных расходов газа на расходных соплах блоков управления и минимальной расчетной температуры газа от газогенераторов и по ней оценить значение удельной тяги и суммарного импульса тяги ТТ ГРСО. Это приводит к тому, что запас газа, заряд и, как следствие, масса ТТ ГРСО в целом будут выполнены с ухудшенным коэффициентом массового совершенства. Если температура газа будет больше, чем средняя интегральная температура, то расход газа на создание импульсов тяговых усилий будет меньше, что обеспечивает экономию запаса газа. Если температура газа будет меньше, чем средняя интегральная температура, потребуется увеличение расхода газа за счет ранее «сэкономленной».

Тягу единичного расходного сопла блока управления и суммарный импульс тяги всех расходных сопел ТТ ГРСО можно определять на динамометрическом стенде, а затем расчетным путем определять, суммарный импульс тяги, как интеграл по времени тяги единичных расходных сопел и суммируя импульсы тяги каждого сопла. Известны стенды для измерения импульса тяги, например, стенд для измерения импульса силы и разноимпульсности сопел (см. И.М. Гладков, B.C. Мухамедов, Е.Л. Валуев, В.И. Черепов «Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения» Москва. НТЦ «Комплекс» 1993 г., рис. 63, лист 126). При числе расходных сопел ТТ ГРСО более двух требуется применение многокомпонентного силоизмерительного устройства для определения сил и моментов сил, действующих в трех плоскостях, что приводит к усложнению стендового устройства и увеличению погрешности определения составляющих компонентов, сил и моментов в уценке суммарного импульса тяги.

Задачей изобретения является разработка стендового устройства ТТ ГРСО, позволяющего определять более точно суммарный импульс тяги ТТ ГРСО, снабженной газонакопительной емкостью и способа определения суммарного импульса тяги ТТ ГРСО.

Поставленная задача решается тем, что разработано стендовое устройство для определения суммарного импульса тяги твердотопливной газореактивной системы ориентации (ТТ ГРСО) с газонакопительной емкостью, состоящее из стапеля с закрепленным на нем ТТ ГРСО, датчиков измерения температуры и давления, регистрирующей системы измерения и системы управления огневым испытанием, что в нем установлен имитатор блоков управления с дополнительным расходным соплом, обеспечивающий опорожнение газонакопительной емкости за расчетное суммарное время создания управляющих усилий, и управляющий клапан, расположенный за дополнительным расходным соплом, а газонакопительная емкость снабжена датчиками давления и температуры, а также способ определения суммарного импульса тяги твердотопливной газореактивной системы ориентации (ТТ ГРСО) с газонакопительной емкостью, заключающийся в проведении огневого стендового испытания, при котором производится монтаж ТТ ГРСО на испытательном стенде, запуск твердотопливного газогенератора (ТТ ГГ), генерация газа, накопление этого газа газонакопительной емкостью и создание расхода газа в течение заданного времени, работы ТТ ГРСО до полного опорожнения газонакопительной емкости, при этом производится регистрация давления и температуры на выходе из газонакопительной емкости и определение расчетного суммарного импульса тяги, отличающийся тем, что после накопления газа газонакопительной емкостью газ выдерживается в ней в течение максимального расчетного времени «ожидания потребных управляющих усилий», обеспечивающего максимальный теплообмен, между генерируемым газом и корпусом газонакопительной емкости и остальными элементами ТТ ГРСО, после чего производится опорожнение газонакопительной емкости и свободного объема ТТ ГГ через сопло-имитатор БУ, открываемое клапаном, обеспечивающее опорожнение газонакопительной емкости за время, равное расчетному «суммарному времени создания управляющих усилий», и после полного опорожнения газонакопительной емкости определяется масса отработавшего ТТ ГГ и производится определение суммарного импульса тяги по формуле 1:

а расчетные времена определяются:

- максимальное время «ожидания потребных управляющих усилий» по формуле 2:

- время создания управляющих усилий по формуле 3:

где

R_max - максимальнее значение тяги ТТ ГРСО, определяемое как сумма тяг одновременно работающих расходных сопел;

R_cp.уд. - средний удельный импульс тяги, определяемый по среднеинтегральной температуре газа в газонакопительной емкости на участке времени работы ТТ ГРСО при опорожнении газонакопительной емкости.

М_н, М_к - вес ТТ ГГ до и после испытания; n - количество ТТ ГГ в ТТ ГРСО;

τ_{ТТ ГРСО} - заданное время работы ТТ ГРСО, которое для ТТ ГРСО с несколькими ТТ ГГ определяется как

τ_ГГ - заданное время работы ТТ ГГ.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема стендового устройства для определения характеристик ТТ ГРСО с газонакопительной емкостью.

Стендовое устройство состоит из стапеля (1) с расположенным на нем ТТ ГГ (2) с пристыкованным к нему расходным соплом (3), которое соединено газовой магистралью (4) с газонакопительной емкостью (5), на которой установлены датчики давления (6) и температуры (7), и дополнительного расходного сопла (8), при этом за дополнительным расходным соплом (8) установлен управляющий клапан (9).

Стендовое устройство функционирует следующим образом:

- в исходном состоянии ТТ ГГ (2) не задействовано, газонакопительная емкость (5) не заполнена, управляющий клапан (9) закрыт;

- после подачи команды на запуск срабатывает ТТ ГГ (2) генерируемый газ через расходное сопло (3), которое обеспечивает расчетное давление в ТТ ГГ и, следовательно, расход газа и время работы ТТ ГГ, направляется в газонакопительную емкость (5), в которой по мере ее накопления растет давление и температура газа, что увеличивает удельный импульс тяги и после полного выгорания заряда ТТ ГГ газ выдерживается в ней расчетное время для обеспечения максимального теплообмена между газом и корпусом газонакопительной емкости (5), что снижает значение удельного импульса тяги, после чего подается команда на открытие управляющего клапана (9) и генерируемый газ истекает из газонакопительной емкости (5) через дополнительное расходное сопло (8), при этом температура газа и его удельный импульс снижаются и в момент полного опорожнения газонакопительной емкости (5) достигают своего минимального значения, при этом датчики давления (6) и температуры (7), установленные в газонакопительной емкости (5), регистрируют процесс накачки и опорожнения.

Используя полученные результаты измерения давления и температуры, определяется суммарный импульс тяги ТТ ГРСО.

Таким образом с достаточно высокой точностью определяется суммарный импульс тяги ТТ ГРСО, при этом величина массы генерируемого газа на ≈10% меньше, чем рассчитываемая по максимальному расходу и минимальной температуре.

Предлагаемый стенд и способ планируется внедрить для отработки перспективных ТТ ГРСО.

Изобретение предназначено для определения суммарного импульса тяги при наземных стендовых испытаниях твердотопливной газореактивной системы ориентации (ТТ ГРСО) с газонакопительной емкостью. Стендовое устройство снабжено датчиками измерения температуры и давления, регистрирующей системы измерения и системы управления огневым испытанием, установлен имитатор блоков управления с дополнительным расходным соплом, обеспечивающий опорожнение газонакопительной емкости за расчетное суммарное время создания управляющих усилий, и управляющий клапан, расположенный за дополнительным расходным соплом, а газонакопительная емкость снабжена датчиками давления и температуры. Такое выполнение стендового устройства позволит повысить точность определения суммарного импульса тяги в условиях изменяющейся температуры газа в газонакопительной емкости при ее заполнении и опорожнении. В стендовом устройстве обеспечивается выдержка газа в газонакопительной емкости и ее опорожнение через имитатор блоков управления с управляющим клапаном за определенное время. Способ определения суммарного импульса тяги заключается в том, что после накачки газа в газонакопительную емкость газ выдерживается в ней расчетное время, а затем емкость опорожняется с использованием имитатора блоков управления за определенное время, при этом давление и температура газа непрерывно регистрируются. Суммарный импульс тяги определяется расчетным путем по среднеинтегральной температуре газа во время опорожнения газонакопительной емкости. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стендовое устройство для определения суммарного импульса тяги твердотопливной газореактивной системы ориентации (ТТ ГРСО) с газонакопительной емкостью, состоящее из стапеля с закрепленным на нем ТТ ГРСО, датчиков измерения температуры и давления, регистрирующей системы измерения и системы управления огневым испытанием, отличающееся тем, что в нем установлен имитатор блоков управления с дополнительным расходным соплом, обеспечивающий опорожнение газонакопительной емкости за расчетное суммарное время создания управляющих усилий, и управляющий клапан, расположенный за дополнительным расходным соплом, а газонакопительная емкость снабжена датчиками давления и температуры.

2. Способ определения суммарного импульса тяги твердотопливной газореактивной системы ориентации (ТТ ГРСО) с газонакопительной емкостью, заключающийся в проведении огневого стендового испытания, при котором производится монтаж ТТ ГРСО на испытательном стенде, запуск твердотопливного газогенератора (ТТ ГГ), генерация газа, накопление этого газа газонакопительной емкостью и создание расхода газа в течение заданного времени работы ТТ ГРСО до полного опорожнения газонакопительной емкости, при этом производится регистрация давления и температуры на выходе из газонакопительной емкости и определение расчетного суммарного импульса тяги, отличающийся тем, что после накопления газа газонакопительной емкостью газ выдерживается в ней в течение максимального расчетного времени «ожидания потребных управляющих усилий», обеспечивающего максимальный теплообмен между генерируемым газом и корпусом газонакопительной емкости и остальными элементами ТТ ГРСО, после чего производится опорожнение газонакопительной емкости и свободного объема ТТ ГГ через сопло-имитатор БУ, открываемое клапаном, обеспечивающее опорожнение газонакопительной емкости за время, равное расчетному «суммарному времени создания управляющих усилий», и после полного опорожнения газонакопительной емкости определяется масса отработавшего ТТ ГГ и производится определение суммарного импульса тяги по формуле 1:

а расчетные времена определяются:

- максимальное время «ожидания потребных управляющих усилий» по формуле 2:

- время создания управляющих усилий по формуле 3:

где

R_max - максимальное значение тяги ТТ ГРСО, определяемое как сумма тяг одновременно работающих расходных сопел;

R_ср.уд - средний удельный импульс тяги, определяемый по среднеинтегральной температуре газа в газонакопительной емкости на участке времени работы ТТ ГРСО при опорожнении газонакопительной емкости.

М_н, М_к - вес ТТ ГГ до и после испытания;

n - количество ТТ ГГ в ТТ ГРСО;

τ_{ТТ ГРСО} - заданное время работы ТТ ГРСО, которое для ТТ ГРСО с несколькими ТТ ГГ определяется как

τ_ГГ - заданное время работы ТТ ГГ.