УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК B64G4/00 G01N25/00 

Изобретение относится к инструментам, специально предназначенным для использования в космосе.

Исследование горения в космосе связано с тем, что процессы эти существенно отличаются от таких же процессов на Земле ввиду наличия ряда воздействующих факторов, специфичных для космоса - невесомости, излучений и т.д.

Известно устройство - экспериментальная установка «Скорость», для изучения на станции «Мир» предельных условий горения полимерных материалов в невесомости (Андреева Т.В., Иванов А.В., Марков А.В., Мелихов А.С, Романов С.Ю., Семенов А. В. Экспериментальные исследования процессов горения неметаллических конструкционных материалов при микрогравитации//Известия РАН "Энергетика". 2003. №4, с. 32-41), включающую средства подачи в камеру горения азотно-кислородной газовой среды, обогащенной кислородом и экспериментальную камеру для горения, имеющую прямоугольное сечение для обеспечения возможности воздействия в невесомости на горящий образец полимерного материала одномерным потоком окислителя и фиксирования процесса горения образцов полимерных материалов видеокамерами с двух взаимно перпендикулярных позиций через взаимно перпендикулярные окна.

Недостатком устройства является ограниченная функциональность, связанная с отсутствием системы подачи в камеру горения горючей газовой смеси заданного состава и обеспечением исследования только твердотельных образцов.

Известно также устройство для определения пределов горения полимерных материалов по скорости потока для условий невесомости методом физического моделирования процесса горения материалов в невесомости при наличии силы тяжести - в наземных условиях (см. патент РФ № 2116093. МПК: А62С 3/08, B64G 9/00. Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости. Авторы: Мелихов А.С, Иванов А.В., Потякин В.И. Приоритет от 05.12.1995 г., опубликован 27.07.1998. Бюл. № 21), включающее камеру горения, выполненную в виде плоского горизонтально расположенного канала из двух плоских параллельно размещенных пластин, одна из которых подвижна, смеситель газов создающий заданные расход газовой смеси и концентрации в ней кислорода и запальник в виде электрической спирали для воспламенения образца из полимерного материала.

Недостатком устройства является ограниченная функциональность, связанная с обеспечением исследования только твердотельных образцов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является Устройство для определения концентрационных пределов распространения пламени по газовым смесям в условиях, соответствующих невесомости (см. патент РФ 2 702 422 С1, МПК: G01N 25/50, G01N 25/52, B64G 7/00), содержащее камеру горения выполненной в виде цилиндра с плоскопараллельными стенками, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения для изменения высоты камеры горения, и введенные в камеру горения электроды для зажигания газовой смеси высоковольтным разрядом, подключенной к системе подачи газовой смеси заданного состава в центральную зону камеры горения через один из ее торцов.

Недостатком устройства является ограниченная функциональность, связанная с обеспечением исследования только газов или твердотельных образцов, а также недостаточный срок службы устройства, обусловленный тем, что повышенное образование сажи при горении в условиях невесомости приводит к ускоренному выходу из строя электродов для зажигания газовой смеси.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функций, за счет возможности исследования нескольких агрегатных состояний горючих веществ - твердых, жидких и газообразных, в изменяемых атмосферных условиях (давление, процентный состав газов), в частности, на борту космического аппарата.

Технический результат достигается тем, что в устройство для исследования процессов горения на борту космического аппарата, включающее исследовательскую камеру с системой подачи газовой смеси заданного состава и запальником, в отличие от прототипа, введены рама с газоотводным патрубком, блоком удаления отработанных газов и герметичным контейнером, в котором выполнены окна, снабженным гермовводами для шлангов и электрических кабелей и-поворотной дверью на кронштейне, закрепленном с наружной части контейнера, в который установлена исследовательская камера, выполненная сменной, с окнами, вводами для шлангов и электрических кабелей, сменная исследовательская камера выполнена в виде открытого с одной стороны полого цилиндра с наборами датчиков и емкостей для исследования веществ в различных агрегатных состояниях и рабочей площадкой, на которой размещены крепления для сменных стендов, сменные стенды оснащены устройствами реализации процесса горения веществ в исследуемых агрегатных состояниях, рабочая площадка снабжена механизмом перемещений стенда, с последовательно соединенными регулятором напряжения механизма перемещений стенда, электродвигателем механизма перемещений стенда и трансмиссией механизма перемещений стенда, рабочая площадка также снабжена блоком обдува и запальником, запальник снабжен механизмом перемещения запальника, выполненного в виде последовательно соединенных регулятора напряжения механизма перемещений запальника, электродвигателя механизма перемещений запальника, трансмиссии механизма перемещений запальника и рабочего элемента механизма перемещения запальника, при этом блок обдува выполнен в виде последовательно соединенных регулятора напряжения блока обдува, электродвигателя блока обдува, вентилятора и конвектора, направленного на стенд, блок удаления отработанных газов выполнен в виде последовательно соединенных камеры сбора отработанных газов, короба с поглотителем, поршневого насоса, электродвигателя блока удаления отработанных газов и регулятора напряжения блока удаления отработанных газов, вход камеры сбора отработанных газов является входом блока удаления отработанных газов и соединен с исследовательской камерой шлангом с электрически управляемым клапаном, блок удаления отработанных газов соединен последовательно с газоотводным патрубком, также введены площадки для установки баллонов, размещенные на раме вне герметичного контейнера, с закрепленными в них баллонами с горючими жидкостями, с горючими газами, с газообразными окислителями, разбавителями, вытеснителями, баллоны с горючими газами, с газообразными окислителями, разбавителями, вытеснителями подключены шлангами с электрически управляемыми клапанами к емкостям для подготовки газовых смесей, емкость для подготовки атмосферы камеры из набора емкостей подключена к объему исследовательской камеры, выключатель и блок управления, первые входы блока управления подключены к сети передачи данных космического объекта, вторые входы подключены к выходам датчиков, а выходы подключены к электрически управляемым клапанам и регуляторам напряжения, помимо этого, установленная на раме панель ручного управления и индикации, входами подключенная к выходам датчиков, а выходами подключенная к электрически управляемым клапанам и регуляторам напряжения.

При этом в устройстве для исследования процессов горения на борту космического аппарата сменная исследовательская камера для исследования газов снабжена наборами датчиков и емкостей для исследования газов, устройствами реализации процесса горения веществ являются горелки, при том емкость для подготовки горючей смеси из набора емкостей подключена к горелке сменного стенда на рабочей площадке, горелка сменного стенда выполнена дисковой, либо сферической, либо другой формы.

При этом в устройстве для исследования процессов горения на борту космического аппарата сменная исследовательская камера для исследования жидкостей снабжена наборами датчиков и емкостей для исследования жидкостей, устройством реализации процесса горения веществ является форсунка, которая выполнена трубчатой в виде пары трубок, изогнутых синусоидально, закрепленных на двух поворотных столах и установленных встречно выходными отверстиями, поворотные столы подключены к механизму вращения стенда, баллоны с горючими жидкостями подключены к форсункам сменного стенда на рабочей площадке.

При этом в устройстве для исследования процессов горения на борту космического аппарата сменная исследовательская камера для исследования твердых тел снабжена наборами датчиков и емкостей для исследования твердых тел, устройством реализации процесса горения веществ является держатель, выполненный в виде стержня с укрепленным на нем твердым телом.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где:

на фиг. 1 - приведен вид конструкции устройства для исследования горения в космосе;

на фиг. 2 - конструкция герметичного контейнера в разрезе, вид А;

на фиг. 3 - конструкция герметичного контейнера 2 в разрезе, вид Б;

на фиг. 4 - конструкция герметичного контейнера 2 в разрезе, вид В;

на фиг. 5 - конструкция экспериментальной камеры;

на фиг. 6 - приведена пневматическая схема устройства при исследовании горения газов;

на фиг. 7 - приведена пневмогидравлическая схема устройства при исследовании горения жидких и горючих веществ;

на фиг. 8 - приведена пневматическая схема устройства при исследовании горения твердых тел;

на фиг. 9 - приведена конструкция дисковой горелки, вид А;

на фиг. 10 - приведена конструкция дисковой горелки, вид Б;

на фиг. 11 - приведена конструкция сферической горелки, вид А;

на фиг. 12 - приведена конструкция сферической горелки, вид Б;

на фиг. 13 - приведена конструкция форсунки, вид А;

на фиг. 14 - приведена конструкция форсунки, вид Б;

на фиг. 15 - приведена конструкция твердого тела на держателе, вид А;

на фиг. 16 - приведена конструкция твердого тела на держателе, вид Б;

на фиг. 17 - приведена конструкция жидко-капельной форсунки;

на фиг. 17 - приведена конструкция запальника, вид А;

на фиг. 18 - приведена конструкция запальника, вид Б;

на фиг. 19 - приведена электрическая схема запальника;

на фиг. 20 - приведена конструкция держателя для баллонов, вид А;

на фиг. 21 - приведена конструкция держателя для баллонов, вид Б;

на фиг. 22 - приведена конструкция держателя для баллонов, вид В;

на фиг. 23 - приведена конструкция баллонов для газов;

на фиг. 24 - приведена конструкция баллонов для жидкого горючего.

На фиг. 1…24 приняты следующие обозначения

1 - Рама;

2 - герметичный контейнер;

3 - дверь контейнера;

4 - окно контейнера;

5 - кронштейн;

6 - фотовидеорегистраторы;

7 - площадка для установки баллонов;

8 - баллоны;

8₁ - баллон горючего газа;

8₂ - баллон газообразного окислителя;

8₃ - баллон газообразного разбавителя;

8₄ - баллон газообразного вытеснителя;

8₅ - баллон горючей жидкости;

9 - подающие шланги;

10 - отбирающие шланги;

11 - блок удаления отработанных газов;

12 - источник питания;

13 - выключатель;

14 - блок управления;

15 - кабели питания и управления;

16 - датчики давления, температуры, состава газовой смеси и счетчики расхода компонентов топлива;

17 - панель индикации и органов ручного управления;

18 - панель вводов контейнера;

19 - патрубок для вывода отработанных газов;

20 - электромагнитные клапаны;

20₁ - электромагнитный клапан горючего;

20₂ - электромагнитный клапан окислителя;

20₃ - электромагнитный клапан разбавителя;

20₄ - электромагнитный клапан смеси для атмосферы камеры 18а;

20₅ - электромагнитный клапан смеси для горелки;

20₆ - электромагнитный клапан подачи смеси в горелку;

20₇ - электромагнитный клапан горючего подачи смеси в атмосферу камеры;

20₈ - электромагнитный клапан отбора отработанных газов;

20₉ - стравливающий электромагнитный клапан;

20₁₀ - электромагнитный клапан вытеснителя;

20₁₁ - электромагнитный клапан жидкого горючего;

21 - сменная исследовательская камера;

21₁ - сменная исследовательская камера для исследования горения газа;

21₂ - сменная исследовательская камера для исследования горения жидкости;

21₃ - сменная исследовательская камера для исследования горения твердого тела;

22 - рабочая площадка;

23 - блок обдува;

24 - окно исследовательской камеры;

25 - панель вводов исследовательской камеры;

26 - трубка форсунки;

27 - кожух запальника;

28 - сеть передачи данных космического аппарата;

29₁ - регулятор напряжения блока обдува;

29₂ - регулятор напряжения блока удаления отработанных газов;

29₃ - регулятор напряжения механизма перемещений стенда;

29₄ - регулятор напряжения механизма перемещений запальника;

30₁ - электродвигатель блока обдува;

30₂ - электродвигатель блока удаления отработанных газов;

30₃ - электродвигатель механизма перемещений стенда;

30₄ - электродвигатель механизма перемещений запальника;

31 - вентилятор блока обдува;

32 - конвектор блока обдува;

33 - емкость для подготовки горючей смеси;

34 - емкость для подготовки атмосферы камеры;

35 - емкость для отработанных газов;

36 - поглотитель;

37 - поршневой насос;

38 - горелка;

39 - трансмиссия механизма перемещений стенда;

40 - держатель образца твердого тела;

41 - дисковая пористая горелка;

42 - трубка подачи газа в горелку;

43 - резьбовой разъем;

44 - основание;

45 - поры;

46 - сферическая пористая горелка;

47 - разъем;

48 - крепление;

49 - подвижное основание;

50 - вращательное движение трубки 26 в креплении 48;

51 - вращательное движение крепления 48;

52 - поступательное движение подвижного основания 49;

53 - образец горючего твердого тела;

40 - штыревой держатель твердого тела;

54 - резьбовое соединение;

55 - основание;

56 - запальный элемент запальника

57 - корпус запальника;

58 - трансмиссия механизма перемещений запальника;

59 - рабочий элемент механизма перемещения запальника;

60 - источник питания;

61 - выключатель с дистанционным управлением;

62 - реостат;

63 - кронштейн;

64 - подвижная планка;

65 - ось вращения;

66 - запор;

67 - направления перемещения кронштейна по полозьям;

68 - полозья;

69 - выпускной клапан;

70 - обратный клапан;

71 - впускной клапан.

Устройство включает раму 1 (см. фиг. 1), установленный в нее герметичный контейнер 2, с дверью 3, в корпусе контейнера 2 и двери 3 выполнены взаимно ортогонально окна 4 из прозрачного материала, дверь 3 установлена подвижно на кронштейне 5, снаружи контейнера 2 у окон 4 расположены видео и фото регистраторы 6 с секторами обзора, в направлении окон 4. В раме 1 также установлены площадки 7 для установки баллонов 8 с компонентами топлива, в том числе горючего газа, либо горючей жидкости, газа-окислителя, газа-разбавителя и газа-вытеснителя. Баллоны 8 соединены шлангами 9 с контейнером 2 через его панель ввода 18 (см. фиг. 2). В раме 1 установлены также источник питания 12, соединенный через выключатель 13 с блоком управления 14, подключенный через кабели питания и управления 15 к контейнеру 2 и к панели индикации и органов ручного управления 17 с датчиками, счетчиками и органами управления. В раме 1 установлен также блок удаления отработанных газов 11, подключенный шлангом 10 к контейнеру 2 и к газоотводному патрубку 19, установленному в отверстии корпуса космического объекта вне рамы 1. Для управления током жидкостей и газов по шлангам 9 и 10, последние снабжены электромагнитными клапанами 20, управляемыми блоком 14.

Оптимальной является форма контейнера 2 в виде полого цилиндра, но для него может быть принята другая форма.

В контейнере 2 установлена исследовательская камера 21 (см. фиг. 2), во внутренней полости которой размещают рабочее место 22, камеру 24 размещаются так, чтобы рабочее место 22 находилось в поле обзора регистраторов 6 через окна 4 контейнера 2 и окна 24 камеры 21 при закрытой двери 3 контейнера 2, а также, чтобы шланги 9 и кабели питания и управления 15 через панель ввода 18 контейнера 2 и панель ввода 25 камеры 21 (см. фиг. 3) были введены во внутреннюю полость камеры 21 и, соответственно, подключены к рабочему месту 22, запальнику 23 или к стенду 26 (см. фиг. 5), а шланги 10 установлены так, чтобы отводить отработанные газы, образующиеся в результате горения в камере 21. На рабочем месте 22 установлен блок обдува 23 для обдува зоны горения в нужном направлении. Блок управления 14 кабелями 15 подключен рабочему месту 22, блоку обдува 23, к электромагнитным клапанам 20, к сети передачи данных космического объекта 28 и к датчикам 16 (например, температуры, давления и т.д.) и счетчикам (например, расхода газа, жидкости и т.д.) на раме 1, панели 17 и в камере 21.

В зависимости от того, что подлежит исследованию - газ, жидкость или твердое тело, для камеры 21 требуется соответствующий набор датчиков 16 и их размещение в камере 21, а также подводящих шлангов 9 и отводящих шлангов 10. Для этого, при исследовании горения газа, жидкости или твердого тела в контейнер 2 устанавливается всякий раз соответствующая исследовательская камера 21. Это камера 21₁ (см. фиг. 4), либо 21₂ (см. фиг. 5), либо 21₃ (см. фиг. 6).

Крепления контейнера 2 к раме 1 не показаны. Направляющие и крепления камеры 21 в контейнере 2 не показаны. Направляющие и крепления площадки 22 в камере 21 не показаны. Дверь 3 контейнера 2 в открытом состоянии на кронштейне 5 позволяет производить замену камеры 21, а в закрытом состоянии обеспечивает герметичность контейнера 2 с установленной в нем камерой 21.

Герметичный контейнер 2 предотвращает попадание продуктов горения и газов, используемых при исследованиях в атмосферу космического аппарата, а также обеспечивает исследования при различных давлениях газов в ней.

Исследовательская камера 21 защищает контейнер 2 от температурных воздействий и осаждения сажи, и комплектуется набором датчиков 16 в соответствии с агрегатным состоянием исследуемого горючего вещества - газообразным, жидким или твердым. Количество, типы датчиков 16 и их размещение зависят от варианта исполнения камеры 21 (21₁, 21₂, 21₃).

Вариант 21₁ предназначен для исследования горения газообразных веществ, вариант 21₂ - для жидких и вариант 21₃ - твердых тел из горючего материала.

Рабочая площадка 22 позволяет закреплять на ней сменные стенды с форсунками для жидкостей 26 (см. фиг. 8), горелками для газов 38 (см. фиг. 7), держателями твердых тел 40 для проведения исследований горючих веществ в различных агрегатных состояниях в условиях невесомости на борту космического аппарата. На рабочем месте 22 могут размещаться блоки 23, емкости 33 и 34 и клапаны 20.

Клапаны 20, как и датчики 16 могут размещаться также в различных местах камеры 21. Емкости 33 и 34 могут, также, размещаться на раме 1.

При исследовании горения газообразных веществ устройство (см. фиг. 4) с установленной камерой 21₁ для исследования горения газообразных веществ в контейнере 2 работает следующим образом.

Горючее из баллона 8₁, окислитель из 8₂ и разбавитель из 8₃ через клапаны 35₁, 35₂, 35₃ по кодам команд от блока 14 поступают в нужных пропорциях через клапан 35₄ в емкость 33 для приготовления газовой смеси для атмосферы камеры 21₁. Давление во всех емкостях устройства определяется с помощью датчиков (например, манометров) 16, подключенных к блоку 14 по кабелю 15, который по полученным данным выдает коды команд на клапаны 35₁…35₄ для получения необходимых пропорций газовой смеси. Примерами горючего могут быть метан, этилен. Примером окислителя может быть кислород. Примером разбавителя может быть азот. Блок 14 определяет готовность смеси по показаниям датчиков 16, после чего выдает коды команд на закрытие клапанов 35₁…35₄ и открытие клапана 35₇. Подготовленная смесь через клапан 35₇ по управляющему сигналу от блока 14 через кабель 15, по шлангам 9 подается в камеру 18а, давление и состав газов в которой контролируется датчиками 16 камеры, а данные передаются в блок 14 через кабель 15.

Смесь, подаваемая в горелку 38, укрепленную на рабочей площадке 20, поступает от емкостей 8₁-8₃ через клапаны 20₁, 20₂, 20₃ и клапан 20₅ для смешивания в нужных пропорциях (по управляющим сигналам блока 11) в емкость 34, после чего клапаны 20₁, 20₂, 20₃ и клапан 20₅ закрываются, а клапан 20₆ открывается и смесь подается через клапан 35₆ в горелку 38. Поджиг смеси на выходе горелки осуществляется запальником в кожухе 27, который перемещается и осуществляет поджиг смеси под управлением блока 14 через кабель 15.

Процесс горения регистрируется регистраторами 6, подключенными к через блок 14 к сети данных 28 космического аппарата, что позволяет передавать на Землю исследовательской группе информацию в реальном масштабе времени.

Когда по условиям проведения исследований требуется обеспечить ток воздуха в камере 21, в блоке 23 по коду команды от блока 14 регулятор напряжения 29₁ изменяет напряжение, подаваемое на электродвигатель 30₁, который приводит во вращение вентилятор 31, после чего поток газовой смеси в атмосфере камеры 21 через конвектор 32, обеспечивающий равномерность потока, подается к рабочей площадке 22 и установленной на ней горелке 38.

Для завершения горения газовой смеси в горелке 38 по коду команды от блока 14 клапан 20₆ закрывается.

Для удаления отработанных газов из камеры 21 по коду команды от блока 14 открывается клапан 25₅, а также, через регулятор 29₂, приводится во вращение двигатель 30₂, который перемещает поршень 37 для заполнения емкости 35 отработанными газами. Поглотитель 36 предотвращает попадание загрязнений в полость поршня 32. Для удаления отработанных газов за пределы космического объекта по коду команды блока 14 клапан 20₈ закрывается, открывается клапан 20₉ и, за счет разности давлений, отработанный газ из емкости 35 через патрубок 16 в отверстии корпуса космического объекта удаляется за борт в космос. Для завершения стравливания отработанных газов клапан 209 закрывается по коду команды от блока 14.

Для исследования горения жидких веществ в контейнер 2 устанавливают камеру 21₂. Устройство в такой комплектации работает следующим образом.

Баллон 85 для хранения жидкого горючего вещества дополнительно снабжена вводом для подключения шланга 9, подающего газ-вытеснитель, поступающий от баллона 84 через клапан 35₁₀. Шланг 9 закреплен на трубке форсунки 26 разъемом 47 (см. фиг. 13). По кодам команд от блока 14 клапан 35₁₀ открывается, и газ-вытеснитель из емкости 8₄ вытесняет горючую жидкость из емкости 8₅ в направлении клапана 20₁₁, который дозирует жидкость по каплям в соответствии с кодами команд от блока 14. Горючая жидкость по шлангу 9 поступает в трубку форсунки 26, которая формирует каплю, поджигаемую запальником в кожухе 27.

Для штатного отрыва капли от выходного отверстия трубки форсунки и компенсации спиралеобразного движения капли под действием сил, возникающих при движении космического объекта с устройством вокруг Земли, двигатель 30₃ (см. фиг. 13), вращение которого регулируется регулятором напряжения 29₃, управляемым кодами команд от блока 14, обеспечивает через трансмиссию 39 возвратно-поступательное и вращательное движение крепления 48 с закрепленными на нем трубками 26 на основании 49. Движение крепления 48 является комбинацией вращательных 50 и 51 и возвратно - поступательного 52. Вращательное движение 51 крепления 48 возможно за счет выбора слабины (запаса длины) шланга 9. Длина шланга 8 несколько больше, чем расстояние между емкостью 8₅ и разъемом 47, что обеспечивает слабину шланга 9, достаточную для перемещения трубки форсунки 26 при вращательном движении крепления 48.

Горение полученной из трубки форсунки 26 капли происходит в атмосфере камеры 21₂, газовый состав которой формируется следующим образом.

По кодам команд от блока 14 окислитель из емкости 8₂ через клапан 20₂ и разбавитель из емкости 83 через клапан 35 и поступают в нужных пропорциях через клапан 20₄ в емкость 33 для приготовления газовой смеси для атмосферы камеры 21. Блок 14 определяет готовность смеси по показаниям датчиков 16, после чего выдает коды команд на закрытие клапанов 20₂, 20₃ и 20₄. По кодам команд блока 14 они закрываются и открывается клапан 20₇. Газовая смесь поступает в камеру 21₂.

Капля парит в атмосфере камеры 21 в условиях невесомости. Процесс ее горения регистрируется регистраторами 6, подключенными к через блок 14 к сети данных 25. Горение капли, сформированной трубкой форсунки 26 прекращается после полного выгорания горючего в капле.

Когда по условиям проведения исследований требуется обеспечить струю газовой смеси в камере 21₂, то это производится аналогично тому, как описано выше для камеры 21₁.

Удаление отработанных газов из камеры 21₂ аналогично тому, как описано выше для камеры 21₁.

Для исследования горения твердых тел в контейнер 2 устанавливают камеру 21₃.

Устройство в такой комплектации (см. фиг. 6) работает следующим образом.

Твердое тело устанавливают в держатель 40 и поджигают запальником 23. Горение твердого тела происходит в атмосфере камеры 18₆, газовый состав которой формируется следующим образом.

По кодам команд от блока 11 окислитель из емкости 8₂ через клапан 20₂ и разбавитель из емкости 8₃ через клапан 20₃ поступают в нужных пропорциях через клапан 20₄ в емкость 33 для приготовления газовой смеси для атмосферы камеры 21. Блок 14 определяет готовность смеси по показаниям датчиков 16, после чего выдает коды команд на закрытие клапанов 20₂, 20₃ и 20₄. По кодам команд блока 14 они закрываются и открывается клапан 20₇. Газовая смесь поступает в камеру 21.

Когда по условиям проведения исследований требуется обеспечить ток газовой смеси в камере 21₃, то это производится аналогично тому, как описано выше для камеры 21₁.

Удаление отработанных газов из камеры 21з аналогично тому, как описано выше для камеры 21₁.

Отметим, что установку последующей камеры 21 (21₁, 21₂ или 21₃) в контейнер 2 производят после извлечения из него предыдущей камеры 21 (21₂, 21₃ или 21₁). Поглотитель 35 заменяют по мере его загрязнения. Баллоны 8 на панелях 7 заменяют по мере необходимости. Замену горелок 38, форсунок 26 или держателя 40 производят в соответствии с программой исследований.

При исследовании горения газов горелка 38 работает следующим образом. В варианте исследовании горения газов с дисковой пористой горелкой 41 (см. фиг. 9), основание 44 (см. фиг. 10) закрепляется на рабочем месте 22 креплениями (не показаны), шланг 9 вводится через основание 44 в трубку 42, которая ввинчивается в резьбовой разъем 43 основания 44. Газовая смесь по шлангу 9 от емкости 34 через клапан 20₆ поступает в горелку 41, проходит через поры 45, поджигается запальником в кожухе 27, подведенным на необходимое расстояние к горелке по коду команды от блока 14, после чего происходит зажигание и горение газовой смеси, выходящей из пор 45 в атмосфере камеры 21 до тех пор, пока по команде блока 14 клапан 20₆ не будет перекрыт.

В варианте исследовании горения газов со сферической пористой горелкой 46 (см. фиг. 8), основание 44 закрепляется рабочем месте 22 креплениями (не показаны), шланг 9 вводится через основание 44 в трубку 42, которая ввинчивается в резьбовой разъем 43 основания 44. Газовая смесь по шлангу 9 от емкости 34 через клапан 20₆ поступает в горелку 46, после чего дальнейший процесс аналогичен процессу для горелки 41. Если программой исследований предусмотрено, то осуществляется обдув горелки газовой смесью камеры 21 от блока 23.

При исследовании горения жидкостей форсунка (см. фиг. 9) работает следующим образом.

Форсунка выполнена в виде двух трубок 26, изогнутых синусоидально, либо гиперболически, каждая из которых закреплена в креплении 48 на основании 49 и способна вращаться в направлениях 50 и 51 и перемещаться продольно-поперечно в направлениях 52 на рабочем месте 22. Указанная форма трубок позволяет обеспечить минимальное сопротивление движению жидкости, поступающей через шланг 9 и клапан 20₁₁ от емкости 8₅. Шланг 9 закреплен на трубке 26 с помощью резьбового соединения 47. Перемещения крепления 48 и основания 44 обеспечиваются двигателем 30₃ через трансмиссию 39, в соответствии с напряжением, выдаваемым регулятором 29₃ по коду команд от блока 14. Трубок в составе 26 две, каждая - на отдельном основании 48 и подаваемое в каждую из них жидкое горючее может различаться. Это осуществляется заменой емкости 85 или дублированием 8₅ аналогичной емкостью (не показана) и подключением к ней подводящего шланга 9 от другой трубки. Жидким горючим может являться, например, фарнезан (химическая формула (C₁₂H₂₆),2,6,10), пентаметилгептан (химическая формула (C₁₂H₂₆),2,2,4,6,6) или другой углеводород.

Горючую жидкость из емкости 8₅ вытесняемую газом-вытеснителем из емкости 8₄ после открывания клапана 20₁₀ командой от блока 14, дозирует клапан 20₁₁, управляемый также командой от блока 14. Капля жидкости, дозированная клапаном 20₁₁, поступает в зазор между двумя трубками 26, синхронно с этим крепление 48 и основание 49, под действием трансмиссии 39 и двигателя 30₃, совершает вращательное и продольно-поперечное движение, при этом трубки расходятся в противоположные стороны, а капля продолжает оставаться на этом же месте и парить в невесомости. Подведенный заранее к капле командой блока 14 запальник в кожухе 27 по команде блока 14, синхронно с предыдущими манипуляциями с каплей (вытеснением и дозированием), поджигает ее, после чего горение продолжается до полного выгорания горючего капли. Вращательное разнонаправленное движение трубок форсунки 26 необходимо для отрыва капли от трубки 26, а одновременное с этим продольно-поперечное движение трубок 26 необходимо для компенсации спирального движения капли под воздействием сил, возникающих в процессе движения космического объекта с устройством по орбите вокруг Земли.

Если программой исследований предусмотрено, то осуществляется обдув капли газовой смесью камеры 21 от блока 23.

При исследовании горения твердого тела 53 устройство (см. фиг. 15) работает следующим образом.

Штыревой держатель 40 (см. фиг. 16), на котором укреплен (например, навинчен, наплавлен, и т.д.) образец твердого тела 53 для горения, ввинчивается в винтовой разъем 54 основания 50, закрепленного на рабочей площадке 22. Для поджига образца 53 к нему по кодам команд от блока 14 подводится и осуществляет поджиг запальник в кожухе 27. Запальник может перемещаться по направлениям 54 в трех ортогональных плоскостях.

Если программой исследований предусмотрено, то обдув образца твердого тела 53 газовой смесью камеры 21 производится блоком 23.

Горение образца 53 завершается после выгорания образца 53, либо подачей в камеру 21 дополнительного объема газа - разбавителя от 8₃. Запальник работает следующим образом.

Запальник состоит (см. фиг. 11) из кожуха запальника 27, корпуса запальника 57 и запального элемента 56. Кожух запальника 27 (см. фиг. 12) перемещается в трех ортогональных плоскостях под воздействием трансмиссии 58, приводимой в движение электродвигателем 30₄, вращение которого регулируется регулятором напряжения 29₄ по командам от блока 14. Корпус запальника 51 в кожухе запальника 27 перемещается под воздействием устройства перемещения 57, которое работает под воздействием трансмиссии 58, приводимой в движение электродвигателем 30₄, вращение которого регулируется регулятором напряжения 29₄ по командам от блока 14. Запальный элемента 56, подключен через реостат 62 и выключатель 61 к источнику питания 60 (см. фиг. 13). Включение запального элемента 56 осуществляется выключателем 61, а режим работы элемента 56 задает реостат 62.

Элемент 56 может выполняться в виде разрядника, аналогичного автомобильной свече.

Удаление запального элемента 56 в кожух 27 позволяет сократить воздействие сажи, образующейся при горении исследуемого горючего в камере 21, на элемент 56 и продлить срок эксплуатации последнего.

Размещение заменяемых емкостей 8 с горючим, окислителем, разбавителем и вытеснителем в устройстве осуществляется (см. фиг. 20) на площадках 7 в кронштейнах 63.

Для удержания емкостей 8 в кронштейнах 63 используются подвижные планки 64, одним концом подвижно закрепленные на осях вращения 65 на первом выступе кронштейна 63. Другим концом планки 64 закрепляются запорами 66, которые открывают при замене емкостей 8 и закрывают после установки емкостей 8 (см. фиг. 22). Кронштейны 63 с планками 64 перемещают по полозьям 68 (см. фиг. 21), закрепленным на площадках 7 (не показано), подгоняя места размещения кронштейнов под длину емкости 8. Емкости 8 устанавливаемые в кронштейнах 63 имеют одинаковый диаметр, но различаются по длине. На площадках 7 предусматриваются несколько вариантов кронштейнов 63 под различные диаметры емкостей 8. На фиг. 1 показаны два варианта диаметра емкостей 8 - на площадке 7 в верхней части рамы 1 и на площадке 7 в нижней части рамы 1.

Емкости 8₁, 8₂, 8₃ и 8₄ снабжены (см. фиг. 23) одним вводом с вентилем 69 для подключения шланга 9 для выхода газа. Емкость 8₅ снабжена двумя вводами, первым вводом с вентилем 71, снабженным обратным клапаном 70, для подключения шланга 9 для подачи в емкость 8₅ газа-вытеснителя из емкости 84, и вторым вводом с вентилем 69 для подключения шланга 9 для подачи жидкого горючего из емкости 8₅ к форсунке 26.

Управление всеми указанными выше процессами в устройстве может производиться в трех вариантах. По первому варианту - экипажем с панели индикации и органов ручного управления 17. По второму варианту - экипажем с компьютера, подключенному к блоку 14. По третьему варианту - по кодам управления для блока 14 через сеть данных 28 космического объекта, то есть удаленно, например, с Земли или с другого космического объекта.

Контроль параметров работы устройства по показаниям датчиков и счетчиков 16, также возможен в указанных трех вариантах.

Литература

1. Патент РФ №2249154, F23G 7/06, приоритет от 23.10.2003.

2. Патент РФ №2739 241, С04 В 18/10, приоритет от 11.06.2020.

3. Патент РФ №2686138, F22G 1/00, приоритет от 26.02.2017.

Изобретение относится к устройствам для исследования горения, предназначенное для использования в космосе. Устройство для исследования процессов горения на борту космического аппарата содержит сменную исследовательскую камеру. Камера выполнена в виде открытого с одной стороны полого цилиндра с наборами датчиков и емкостей для исследования веществ в различных агрегатных состояниях и рабочей площадкой, на которой размещены крепления для сменных стендов. Сменные стенды оснащены устройствами реализации процесса горения веществ в исследуемых агрегатных состояниях. Рабочая площадка снабжена механизмом перемещений стенда и блоком обдува и запальником, блоком удаления отработанных газов. Также введены площадки для установки баллонов, размещенные на раме вне герметичного контейнера, выключатель и блок управления, панель ручного управления и индикации. Достигается расширение функций устройства за счет возможности исследования нескольких агрегатных состояний горючих веществ на борту космического аппарата. 3 з.п. ф-лы, 24 ил.

1. Устройство для исследования процессов горения на борту космического аппарата, включающее исследовательскую камеру с системой подачи газовой смеси заданного состава и запальником, отличающееся тем, что в него введены рама с газоотводным патрубком, блоком удаления отработанных газов и герметичным контейнером, в котором выполнены окна, снабженным гермовводами для шлангов и электрических кабелей и поворотной дверью на кронштейне, закрепленном с наружной части контейнера, в который установлена исследовательская камера, выполненная сменной, с окнами, вводами для шлангов и электрических кабелей, сменная исследовательская камера выполнена в виде открытого с одной стороны полого цилиндра с наборами датчиков и емкостей для исследования веществ в различных агрегатных состояниях и рабочей площадкой, на которой размещены крепления для сменных стендов, сменные стенды оснащены устройствами реализации процесса горения веществ в исследуемых агрегатных состояниях, рабочая площадка снабжена механизмом перемещений стенда, с последовательно соединенными регулятором напряжения механизма перемещений стенда, электродвигателем механизма перемещений стенда и трансмиссией механизма перемещений стенда, рабочая площадка также снабжена блоком обдува и запальником, запальник снабжен механизмом перемещения запальника, выполненного в виде последовательно соединенных регулятора напряжения механизма перемещений запальника, электродвигателя механизма перемещений запальника, трансмиссии механизма перемещений запальника и рабочего элемента механизма перемещения запальника, при этом блок обдува выполнен в виде последовательно соединенных регулятора напряжения блока обдува, электродвигателя блока обдува, вентилятора и конвектора, направленного на стенд, блок удаления отработанных газов выполнен в виде последовательно соединенных камеры сбора отработанных газов, короба с поглотителем, поршневого насоса, электродвигателя блока удаления отработанных газов и регулятора напряжения блока удаления отработанных газов, вход камеры сбора отработанных газов является входом блока удаления отработанных газов и соединен с исследовательской камерой шлангом с электрически управляемым клапаном, блок удаления отработанных газов соединен последовательно с газоотводным патрубком, также введены площадки для установки баллонов, размещенные на раме вне герметичного контейнера, с закрепленными в них баллонами с горючими жидкостями, с горючими газами, с газообразными окислителями, разбавителями, вытеснителями, баллоны с горючими газами, с газообразными окислителями, разбавителями, вытеснителями подключены шлангами с электрически управляемыми клапанами к емкостям для подготовки газовых смесей, емкость для подготовки атмосферы камеры из набора емкостей подключена к объему исследовательской камеры, выключатель и блок управления, первые входы блока управления подключены к сети передачи данных космического объекта, вторые входы подключены к выходам датчиков, а выходы подключены к электрически управляемым клапанам и регуляторам напряжения, помимо этого установленная на раме панель ручного управления и индикации, входами подключенная к выходам датчиков, а выходами подключенная к электрически управляемым клапанам и регуляторам напряжения.

2. Устройство для исследования процессов горения по п.1, отличающееся тем, что сменная исследовательская камера для исследования газов снабжена наборами датчиков и емкостей для исследования газов, устройствами реализации процесса горения веществ являются горелки, при этом емкость для подготовки горючей смеси из набора емкостей подключена к горелке сменного стенда на рабочей площадке, горелка сменного стенда выполнена дисковой, либо сферической, либо другой формы.

3. Устройство для исследования процессов горения по п.1, отличающееся тем, что его сменная исследовательская камера для исследования жидкостей снабжена наборами датчиков и емкостей для исследования жидкостей, устройством реализации процесса горения веществ является форсунка, которая выполнена трубчатой в виде пары трубок, изогнутых синусоидально, закрепленных на двух поворотных столах и установленных встречно выходными отверстиями, поворотные столы подключены к механизму вращения стенда, баллоны с горючими жидкостями подключены шлангами к форсункам сменного стенда на рабочей площадке.

4. Устройство для исследования процессов горения по п.1, отличающееся тем, что его сменная исследовательская камера для исследования твердых тел снабжена наборами датчиков и емкостей для исследования твердых тел, устройством реализации процесса горения веществ является держатель, выполненный в виде стержня с укрепленным на нем твердым телом.