Способ огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники Российский патент 2023 года по МПК G01N25/58 G01N25/72 

Изобретение относится к аэрокосмической технике, а именно, к экспериментальным исследованиям теплозащитных материалов, формирующих огневой тракт ракетных двигателей твёрдого топлива (РДТТ) с проведением огневых испытаний этих материалов.

Известна “Установка для огневых испытаний” (полезная модель RU 41369 от 20.10.2004, МПК G01N25/24; G01N25/20). Полезная модель относится к проведению огневых испытаний металлических конструкций, покрытых огнезащитными материалами, и позволяет с минимальными затратами времени и материалов получать воспроизводимые и сравнимые результаты по определению огнезащитной эффективности. Данная полезная модель может рассматриваться как аналог.

Известен способ проведения огневых испытаний теплозащитных материалов (ТЗМ) в условиях, имитирующих натурные (Статья “Научно-исследовательская отраслевая лаборатория “Энергомашиностроение” при Пермском государственном техническом университете (ПГТУ, а ныне - ПНИПУ) и основные итоги её работы за период 1973 - 2005 годы” - сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции “Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2005”, ПГТУ, АКф, 2005 г.).

Суть способа состоит в том, что сравнительные огневые испытания образцов ТЗМ различных видов проводят на лабораторных стендовых установках типа жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при параметрах газового потока, имитирующих комплекс натурных параметров РДТТ. Это даёт возможность получать потоки продуктов сгорания практически с любым набором параметров, присущих всем существующим твёрдым ракетным топливам (ТРТ) и перспективным также. Параметры такие: температура (до 3500°C) в камере сгорания, химический состав (в широком диапазоне), скорость (до 3000 м/с) на срезе сопла, давление (до 200 кгс/см²) в камере сгорания, а эти же параметры по всему огневому тракту ЖРД определяются термодинамическими и газодинамическими расчётами.

Образец ТЗМ представляет собой уменьшенную модель огневого тракта РДТТ, например, камеры сгорания. Образец обмеряют, взвешивают, оснащают термопарами на разных глубинах залегания от огневой поверхности и ставят в соответствующую часть огневого тракта лабораторной стендовой установки типа ЖРД, например, камеры сгорания.

Производят запуск установки. Газовый поток, формирующийся в установке воздействует на рабочие (огневые) поверхности образцов ТЗМ, происходит их прогрев, деструкция, вынос массы с огневой поверхности. По истечении заданного времени работу установки останавливают, модельный образец ТЗМ извлекают из установки, его обмеряют, взвешивают, расшифровывают показания термопар и датчиков, характеризующих параметры газового потока установки.

Затем по такой же схеме готовят и проводят следующее испытание, но уже с другим образцом из другого испытуемого ТЗМ.

И так далее, пока не испытают образцы всех видов ТЗМ, поступивших на сравнительные испытания по данной испытательной программе, после чего производят сравнение всех видов ТЗМ по огневой стойкости, показанной их образцами в условиях, которые номинально считаются одинаковыми, соответствующими заданным расчётным параметрам (температура, давление, хим.состав, скорость) во всех проведённых испытаниях по данной испытательной программе. А огневая стойкость оценивается по количеству унесённого материала в геометрическом (размерном) и массовом измерениях и по темпу прогрева образца ТЗМ.

Описанный выше способ огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники принимаем за прототип.

Названный способ включает в себя подготовку образца теплозащитного материала (ТЗМ), состоящую в обмере, взвешивании и оснащении его термопарами, размещение его в одной из частей огневого тракта лабораторной испытательной установки типа ЖРД, воздействие на этот образец потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, извлечение этого образца из лабораторной испытательной установки типа ЖРД, фиксацию результата испытания путём обмера, взвешивания и расшифровки показаний термопар, затем - проведение всех названных операций со вторым образцом, представляющим другой ТЗМ, и далее проведение всех названных операций с остальными образцами данной исследовательской программы, каждый из которых представляет свой ТЗМ, после чего производят сравнение испытанных образцов между собой по результатам этого воздействия по величине их размерного и массового уноса и по темпу их прогрева.

Признаки известного способа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, состоят в подготовке образцов теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов, включающей в себя обмер, взвешивание и оснащение термопарами каждого образца до испытания, в воздействии на эти образцы потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива во время испытания, в обмере, взвешивании и расшифровке показаний термопар этих образцов после испытания, в сравнении испытанных образцов между собой по результатам этого воздействия по величине их размерного и массового уноса и по темпу их прогрева, проводимом в интересах исследовательской программы.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в недостаточной эффективности проводимых исследовательских огневых испытаний, выражающихся в большой трудоёмкости подготовки и проведения испытаний и в недостаточной кондиционности получаемых результатов испытаний.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение состоит в повышении эффективности проводимых исследовательских огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, заключается в разработке технических средств, обеспечивающих снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят в том, что в заявляемом способе огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники, состоящем в подготовке образцов теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов, включающей в себя обмер, взвешивание и оснащение термопарами каждого образца до испытания, в воздействии на эти образцы потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива во время испытания, в обмере, взвешивании и расшифровке показаний термопар этих образцов после испытания, в сравнении испытанных образцов между собой по результатам этого воздействия по величине их размерного и массового уноса и по темпу их прогрева, проводимом в интересах исследовательской программы, в отличие от известного способа, во-первых, воздействию потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива образцы теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов подвергают одновременно одним общим для них потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем в течение одного его штатного испытания, причём для одновременного воздействия потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива на все образцы ТЗМ различных видов их комплектуют в единый сборный блок и устанавливают в поток продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным, двигателем, за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя на время исследования в циклическом режиме “ввод - вывод” из потока продуктов сгорания жидкого ракетного топлива.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, во-вторых, в заявляемом способе все образцы ТЗМ различных видов устанавливают за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя непосредственно у плоскости среза его сопла.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-третьих, в заявляемом способе все образцы ТЗМ различных видов устанавливают от среза сопла полномасштабного серийного ракетного двигателя на расстоянии, ограниченном диапазоном L = (1 - 2) х D, где L - расстояние от среза сопла, D - диаметр среза сопла.

Описанные выше созданные технические средства в заявляемом способе огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники, позволяют достичь технического результата, заключающегося в разработке технических средств, обеспечивающих снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний, за счёт того, что

- во-первых, воздействию образцы теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов подвергают одновременно одним общим для них потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем в течение одного его штатного испытания, совмещая это штатное испытание, проводимое в интересах производственной программы, с интересами исследовательской программы, что обеспечивает снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний, заключающихся в том, что образцы испытываются все вместе за одно, а не за несколько испытаний, и при этом все образцы испытываются воздействием единого потока продуктов сгорании жидкого ракетного топлива, то есть, нет необходимости делать поправки на различие параметров одного испытания от другого; - при этом для одновременного воздействия потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива все образцы ТЗМ различных видов комплектуют в единый сборный блок и устанавливают в поток продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем, за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя, что обеспечивает снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний, заключающиеся в том, что в принципе создаётся возможность использовать большое пространство, занимаемое потоком, определяемое и большим диаметром среза сопла и большой протяжённостью потока и гарантируется возможность размещения в нём, в этом пространстве практически неограниченного количества образцов, находящихся под одинаковым воздействием продуктов сгорания жидкого ракетного топлива; -- и ещё при этом все образцы ТЗМ различных видов, скомплектованные в единый сборный блок, устанавливают за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя в циклическом режиме “ввод - вывод” из потока продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем - в соответствии с исследовательской программой, что также обеспечивает снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний, заключающиеся в том, что добавляется ещё одно средство воздействия на образец - цикличность, что в работе ряда реальных двигателей имеет место быть.

- во-вторых, все образцы ТЗМ различных видов устанавливают за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя непосредственно у плоскости среза его сопла, что также обеспечивает снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний, заключающиеся в том, что воздействие на испытуемые образцы происходит “свежим” потоком, то есть не потерявшим своих рабочих параметров (температуру, скорость и т.п.) за счёт перемешивания со стендовыми средствами (вода, воздух) охлаждения потока;

- в-третьих, все образцы ТЗМ различных видов устанавливают от среза сопла полномасштабного серийного ракетного двигателя на расстоянии, ограниченном диапазоном L = (1 - 2) х D, где L - расстояние от среза сопла, D - диаметр среза сопла, что также обеспечивает снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний, заключающиеся в том, что есть возможность оборудовать это локализованное место, ограниченное определённым объёмом, всеми устройствами и приспособлениями для удобного и быстрого монтажа испытательного оборудования и различных подключений с сохранением возможности воздействия на образы “свежим” потоком;

Новые признаки заявляемого изобретения заключаются в том, что в способе огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники, воздействию потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива образцы теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов подвергают одновременно одним общим для них потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем в течение одного его штатного испытания, причём для одновременного воздействия потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива на все образцы ТЗМ различных видов их комплектуют в единый сборный блок и устанавливают в поток продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным, двигателем, за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя на время исследования в циклическом режиме “ввод - вывод” из потока продуктов сгорания жидкого ракетного топлива.

При этом, в заявляемом способе огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники также:

- все образцы ТЗМ различных видов устанавливают за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя непосредственно у плоскости среза его сопла;

- все образцы ТЗМ различных видов устанавливают от среза сопла полномасштабного серийного ракетного двигателя на любом расстоянии от среза сопла, ограниченном диапазоном L = (1 - 2) х D, где L - расстояние от среза сопла, D - диаметр среза сопла.

Способ огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники согласно заявляемому изобретению осуществляется следующим образом.

Поясним это на одном из возможных примеров.

1. От разработчика теплозащитных материалов (ТЗМ) поступили образцы пяти новых ТЗМ: материал А, материал Б, материал В, материал Г, материал Д. Пять видов вновь разрабатываемых материалов, их первые модификации, отличающиеся друг от друга химическим составом (вариация количественных соотношений различных составляющих компонентов), резиноподобный материал.

2. Поступившие на испытания образцы выполнены в виде цилиндров с размерами:

- наружный диаметр D = 50,0 мм;

- внутренний диаметр d = 35,0 мм;

- длина L = 300,0 мм;

- масса М = 500,0 г.

3. Из срединной части каждого образца вырезали кольцевой фрагмент с размерами (D х d х L) = (50 х 35 х 15) мм. Каждую из трёх частей образца взвесили и обмерили.

4. Эти кольцевые фрагменты оснастили термопарами (препарировали термопарами типа “хромель - копель” по три штуки на разную глубину заделки в четырёх местах равномерно по окружности).

5. Каждый образец в собранном виде представлял собой цилиндр с исходными размерами D = 50,0 мм, d = 35,0 мм, L = 300,0 мм, причём кольцевой фрагмент занимал своё первоначальное место, откуда был вырезан, то есть срединное.

6. Образец помещали в стальной корпус, “хвосты” термопар вывели наружу и подсоединили к системе измерений.

7. Всего подготовлено 15 образцов (по 3 штуки на каждый из 5-ти материалов).

8. Все 15 образцов собрали в один каркасный короб, который закрепили на кронштейне у среза сопла жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), подготовленного к очередному серийному испытанию согласно своей производственной программе, при этом выверили соосность всех образцов с ЖРД, чтобы поток продуктов сгорания ЖРД входил в канал каждого образца без угловых отклонений.

9. Включили ЖРД, выдержали время согласно производственной программе, выключили ЖРД, демонтировали образцы.

10. Испытанные образы обмерили, обвесили, расшифровали показания термопар.

11. По каждому образцу вычислили массовый унос, линейный (размерный) унос, зафиксировали прогрев.

12. Сравнили результаты замеров до и после испытания, проанализировали, сделали выводы, к примеру такие: образцы А и Б показали большой унос; образцы В и Г показали средний унос; образец Д показал минимальный унос, что даёт основание для разработчиков материалов продолжить совершенствовать материал Д, материалы Г и В оставить для дополнительного исследования, а работу по материалу А закрыть полностью.

Описанный способ испытания теплозащитных материалов позволяет проводить их испытания на первичной стадии разработки с существенной экономией времени и денежных средств, прежде всего за счёт того, что вместо 15-ти испытаний, мы провели всего лишь одно, и можно сказать, что почти бесплатно, потому что - попутно. А если учесть, что и свой лабораторный стенд не надо задействовать, да и строить его для этих задач уже не нужно - то экономия будет ещё выше. И технический результат и задача, решаемые заявляемым изобретением, выполнены.

На основе выше сказанного и проиллюстрированного следует вывод, что решение, составляющее предмет заявляемого изобретения “Способ огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники” обеспечивает решение задачи изобретения - повышение эффективности проводимых исследовательских испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники - за счёт получения технического результата, заключающегося в разработке технических средств, обеспечивающих снижение трудоёмкости подготовки и проведения исследовательских огневых испытаний и повышение кондиционности получаемых результатов этих испытаний.

Изобретение относится к аэрокосмической технике, а именно к экспериментальным исследованиям теплозащитных материалов, формирующих огневой тракт ракетных двигателей твёрдого топлива (РДТТ) с проведением огневых испытаний этих материалов. Заявлен способ огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники, состоящий в подготовке образцов теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов, включающей в себя обмер, взвешивание и оснащение термопарами каждого образца до испытания, в воздействии на эти образцы потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива во время испытания, в обмере, взвешивании и расшифровке показаний термопар этих образцов после испытания, в сравнении испытанных образцов между собой по результатам этого воздействия по величине их размерного и массового уноса и по темпу их прогрева, проводимом в интересах исследовательской программы. Причем воздействию потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива образцы теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов подвергают одновременно одним общим для них потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем в течение одного его штатного испытания. При этом для одновременного воздействия потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива на все образцы ТЗМ различных видов их комплектуют в единый сборный блок и устанавливают в поток продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем, за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя на время исследования в циклическом режиме “ввод - вывод” из потока продуктов сгорания жидкого ракетного топлива. Технический результат - повышение эффективности проводимых исследовательских огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ огневых испытаний теплозащитных материалов аэрокосмической техники, состоящий в подготовке образцов теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов, включающей в себя обмер, взвешивание и оснащение термопарами каждого образца до испытания, в воздействии на эти образцы потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива во время испытания, в обмере, взвешивании и расшифровке показаний термопар этих образцов после испытания, в сравнении испытанных образцов между собой по результатам этого воздействия по величине их размерного и массового уноса и по темпу их прогрева, проводимом в интересах исследовательской программы, отличающийся тем, что воздействию потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива образцы теплозащитных материалов (ТЗМ) различных видов подвергают одновременно одним общим для них потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем в течение одного его штатного испытания, причём для одновременного воздействия потоком продуктов сгорания жидкого ракетного топлива на все образцы ТЗМ различных видов их комплектуют в единый сборный блок и устанавливают в поток продуктов сгорания жидкого ракетного топлива, генерируемого полномасштабным серийным ракетным двигателем, за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя на время исследования в циклическом режиме “ввод-вывод” из потока продуктов сгорания жидкого ракетного топлива.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все образцы ТЗМ различных видов устанавливают за соплом полномасштабного серийного ракетного двигателя непосредственно у плоскости среза его сопла.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все образцы ТЗМ различных видов устанавливают от среза сопла полномасштабного серийного ракетного двигателя на расстоянии, ограниченном диапазоном L = (1 - 2) х D, где L - расстояние от среза сопла, D - диаметр среза сопла.