Многофункциональный высокоточный термовакуумный стенд и некоторые результаты огневых испытаний ракетных двигателей малой тяги на несамовоспламеняющихся компонентах топлива

Рыжков В.В.; Верясов Ю.Н.; Гальперин Р.Н.; Гуляев Ю.И.; Ивашин Ю.С.

УДК 621.453.3 DOI: 10.18287/2541-7533-2017-16-2-111-126

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫСОКОТОЧНЫЙ ТЕРМОВАКУУМНЫЙ СТЕНД И НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОГНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ ТЯГИ НА НЕСАМОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА

кандидат технических наук, научный руководитель Научно-исследовательского центра космической энергетики;

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; ке src@ssau.ru

ведущий инженер Научно-исследовательского центра космической энергетики; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; ке src@ssau.ru

старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра космической энергетики;

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва ке src@ssau.ru

ведущий инженер Научно-исследовательского центра космической энергетики; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; ке src@ssau.ru

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра космической энергетики; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; ке src@ssau.ru

Представлен состав и основные характеристики систем многофункционального высокоточного термовакуумного стенда для огневых испытаний ракетных двигателей малой тяги (РДМТ) на несамовоспламеняющихся компонентах топлива. Вакуумная система обеспечивает начальное разрежение в камере V = 3 м3, pH = 5 ■ 10 2 мм рт. ст.; топливная система позволяет проводить исследования и испытания РДМТ тягой P = 5...500 Н в непрерывном и импульсном режимах работы. При этом система термостатирования создаёт и поддерживает температуру компонентов на входе в двигатель в диапазоне от -15°С до +50°С, а при проведении исследований по специальным программам термостаты могут обеспечить минимальную температуру газообразных рабочих тел TX¡о'~ 100...120 К. Автоматизированная система управления, сбора, обработки и отображения измерительной информации предназначена для сопровождения исследований и испытаний ракетных двигателей и получения результатов в реальном времени. Измерительная система оснащена высокоточными современными датчиками, позволяющими существенно увеличить точность определяемых параметров РДМТ. Инфракрасная тепловизионная система позволяет оценить тепловое состояние двигателя. Приведены результаты экспериментальных исследований рабочего процесса ракетных двигателей на несамовоспламеняющихся компонентах топлива. Представлена информация о динамических, энергетических параметрах перспективных схем РДМТ на компонентах Н2г + О2г и тепловом состоянии конструкции двигателя.

Ракетный двигатель малой тяги; несамовоспламеняющиеся компоненты топлива; многофункциональный высокоточный термовакуммный стенд; системы стенда; испытания; параметры двигателя.

Цитирование: Рыжков В.В., Верясов Ю.Н., Гальперин Р.Н., Гуляев Ю.И., Ивашин Ю.С. Многофункциональный высокоточный термовакуумный стенд и некоторые результаты огневых испытаний ракетных двигателей малой тяги на несамовоспламеняющихся компонентах топлива // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16, № 2. С. 111-126. DOI: 10.18287/2541-7533-2017-16-2-111-126

В. В. Рыжков

Ю. Н. Верясов

Р. Н. Гальперин

Ю. И. Гуляев

Ю. С. Ивашин

При создании изделий ракетно-космической техники (РКТ) требуется проведение различного вида земных испытаний с имитацией эксплуатационных условий для определения соответствия основных параметров и характеристик требованиям технического задания в реальных диапазонах изменения режимных и конструктивных факторов [1].

Экспериментальные научные исследования, опытно-конструкторские работы, исследования и испытания по специальным программам и методикам, отработка изделий на различных этапах до настоящего времени являются источником наиболее достоверной информации о работоспособности, параметрах, характеристиках и надёжности жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ) и ракетных двигателей малой тяги (РДМТ).

Особенно важен эксперимент для вновь создаваемых двигателей на перспективных топливных композициях.

Существенная особенность ракетных двигателей малой тяги, влияющая на систему управления, систему измерения, алгоритмы обработки экспериментальных данных, регистрацию и отображение измерительной информации, заключается в работе РДМТ в импульсных режимах наряду с непрерывной длительностью твкл = 0,05.. .1000 с.

Для решения задачи проведения экспериментальных исследований и отработки изделий РКТ создаются специализированные стенды.

Многофункциональный высокоточный термовакуумный стенд НИЦ КЭ Самарского университета предназначен для проведения огневых испытаний ракетных двигателей малой тяги на различных несамовоспламеняющихся компонентах топлива с имитацией условий космического пространства при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и других работ.

Стенд обеспечивает комплекс исследований процессов воспламенения, смесеобразования, теплового состояния двигателя на газообразных и жидких несамовоспламеняющихся компонентах топлива, а также определение динамических, энергетических параметров и характеристик, надёжности РДМТ в непрерывном и импульсном режимах работы с термостатированием компонентов топлива и объектов исследования в широком диапазоне изменения режимных параметров.

Стенд состоит из огневого бокса в двух уровнях для размещения технологического оборудования; пультовой, где расположены средства управления пневмогидравличе-ской системой и объектом исследования; приборной; хранилища газообразных и жидких компонентов топлива и технологических газов.

В боксе размещаются: вакуумная камера объёмом V = 3 м3 с рабочим местом для крепления объекта исследования и автономная вакуумная система, обеспечивающие глубину разрежения до 5 10-2 мм рт. ст.; системы топливоподачи; системы измерения, элементы системы управления пневмогидросистемой (ПГС) стенда и вспомогательные системы.

В пультовой расположены стойки управления технологическими операциями; компьютерная система, обеспечивающая информационное сопровождение проведения испытаний; система управления вакуумными насосами. В приборной размещена вторичная измерительно-регистрирующая аппаратура.

Приведём основные технические характеристики стенда. Количество рабочих мест для испытаний РДМТ - одно. Тяга двигателей - 5.500 Н. Режимы работы - непрерывный и импульсный. На стенде предусмотрена работа с использованием жидких углеводородных горючих (керосин, синтин, спирт и др.); газообразных горючих (водород, метан, пропан и др.). В качестве окислителя используются: газообразный кислород, имитатор генераторного газа и др. Давление компонентов топлива на входе в изделие: горючее - (1,0 ... 2,5) МПа; окислитель - (2,0 ... 7,0) МПа. Температура компонен-

тов топлива на входе в изделие: горючее, окислитель - (-15...+35)°С; расходы компонентов топлива: горючее - до 0,3 кг/с; окислитель - до 1,2 кг/с.

Вакуумная система с кормовым диффузором обеспечивает безотрывное течение продуктов сгорания в сопле с ¥а <250 в процессе испытаний.

Имеется возможность регистрации температуры поверхности двигателя при работе в непрерывном режиме.

Стенд включает в себя следующие основные системы: вакуумную, топливную, управления, измерения, термостатирования и вспомогательные. Планировка стенда показана на рис. 1.

Вакуумная система стенда предназначена для имитации эксплуатационных условий работы РДМТ при земных испытаниях в части обеспечения давления окружающей среды.

Вакуумная система стенда - автономная, созданная на базе комплекса УВ-3/2. Объём барокамеры, где размещается объект исследования, составляет 3,0 м3. Начальное давление в барокамере перед запуском двигателя 5 10-2 мм рт. ст.

Вакуумная система состоит из стойки управления установкой УВ-3/2, вакуумной камеры, двух агрегатов НВ3-75Д, насоса 2ДВН-500, вакуумных затворов (9 единиц), ваку-умпроводов с внутренним диаметром 100 мм, каналов измерения, градуировки, регистрации давления в вакуумной камере (системе). Камера соединена с вытяжной вентиляцией и с системой эвакуации продуктов сгорания.

Форвакуумная откачка камеры осуществляется механическими вакуумными агрегатами НВЗ-75Д до давления 1 мм рт. ст. Затем подключается двухроторный насос 2ДВН-500 и продолжается откачка до начального рабочего давления - 5 10-2 мм рт. ст.

При необходимости получения более глубокого вакуума в вакуумной камере в систему может быть включён высоковакуумный агрегат или бустерный насос типа 2 НВБМ-160 (250).

Расширение возможностей вакуумной системы стенда может быть несложно достигнуто путём подсоединения к централизованному вакуумному комплексу, который располагает более мощными насосами типа НВЗ-300 и 2ДВН-1500, что позволит существенно сократить время достижения заданного начального давления в камере, а также увеличить скорость эвакуации продуктов сгорания из вакуумной камеры и, таким образом, время работы РДМТ в непрерывных режимах. Этой же цели способствует применение в вакуумной системе кормовых диффузоров [2].

Топливная система стенда позволяет вести установку давления компонентов на входе в РДМТ в диапазоне от 1,0 до 5,0 МПа и поддержание этого давления при работе двигателя с точностью ± 50 кПа.

Система термостатирования создаёт и поддерживает температуру компонентов топлива на входе в РДМТ в диапазоне от -15 до +50 °С. В случае проведения исследований по специальным программам термостаты могут обеспечить минимальную температуру газообразных рабочих тел Твгхо' ~ 100.120 К.

Топливная система стенда позволяет вести подготовку газообразного окислителя с заданным соотношением ингредиентов (имитация газогенераторного газа) и подачу его в двигатель; подготовку жидкого горючего с заданной степенью газонасыщения путём деаэрации растворенного в жидкости газа (азота) и замещения его гелием с целью имитации эксплуатационных условий и проведения исследований, например, процесса воспламенения в условиях, приближённых к реальным.

19 20

Рис. 1. Планировка основных систем стенда: 1 - огневой бокс (Б ~ 32 м2); 2 - пультовая (Б ~ 14 м2); 3 - вакуумная камера (V = 3 м3); 4 - стойка управления элементами вакуумной системы; 5, 6, 7, - вакуумные насосы (НВЗ-75 и 2ДВН-500); 8 - элементы системы подачи «О»; 9 - топливный шкаф системы «Г»; 10 -площадка обслуживания вакуумной камеры; 11 - автоматизированная система управления, сбора, обработки и отображения измерительной информации; 12, 13 - пневмопульты управления ПГС стенда; 14 - система пожаротушения; 15 - система вытяжной вентиляции; 16 - вспомогательное рабочее место; 17 - система водоснабжения; 18 - площадка обслуживания водородной системы; 19 - хранилище «Г»; 20 - хранилище «О».

Расход газообразных и жидких несамовоспламеняющихся компонентов топлива в непрерывном режиме работы РДМТ измеряется с помощью массового кориолисова расходомера.

Расход рабочих тел для технологических операций измеряется массовыми термодифференциальными расходомерами.

Топливную систему стенда удобно разбить на две составляющие: системы окислителя и горючего. Фрагмент топливной системы (система окислителя) представлен на рис. 2.

Аналогичным образом организована и система газообразного горючего.

Отличительной особенностью топливной системы на газообразных рабочих телах является наличие в её составе мерных ёмкостей различного объёма, которые образуют комплекс измерения расхода испытуемого двигателя «Импульс».

Система жидкого горючего включает в себя подсистемы: наддува и поддержания заданного давления в ёмкости горючего в процессе испытаний изделия, заправки и дренажа системы; деаэрации растворённого в жидкости газа (азота) и замещения его гелием, контроля газонасыщения горючего; измерения расхода жидкого горючего в непрерывном и импульсном режимах работы; пускового участка горючего с обеспечением параметров объектовости исследуемого изделия.

3

Рис. 2. Система окислителя термовакуумного стенда: 1 - объект исследования; 2 - пусковой участок с расходомерами и датчиками измерения давления и температуры на входе в изделие; 3 - система питания электропневмоклапанов воздухом высокого давления; 4 - система хранения окислителя; 5 - система измерения расхода газообразного рабочего тела в импульсном режиме работы изделия

Система управления стенда обеспечивает время работы двигателя в диапазоне твт = 5 10-2.. ,103с в непрерывном режиме работы и в режиме одиночных включений, работу РДМТ с частотой до 20 Гц в импульсном режиме и управление элементами ПГС стенда.

Функции управления осуществляет компьютерная система. Автоматизированная компьютерная система [3] термовакуумного стенда при подготовке и в процессе испытаний предназначена для выполнения следующих операций: управление работой РДМТ по заданной циклограмме (программе испытаний); управление пневмогидравлической системой стенда; проведение градуировок измерительных каналов тяги, давлений, расходов, температур; измерение требуемых по программе испытаний параметров РДМТ; сбор информации с измерительных каналов стенда при проведении испытаний; хранение информации в компьютере; обработка результатов измерений по специальным алгоритмам и программам на компьютере автоматизированной системы; отображение результатов испытаний в виде протоколов, графиков и таблиц; формирование и ведение баз данных экспериментальных РДМТ.

Система обеспечивает следующие технические характеристики:

- регистрацию до 20 аналоговых сигналов в диапазонах -5.5 В;

- регистрацию до 32 дискретных сигналов с характеристиками: «0» -1.5 В, «1» -10.15 В;

- формирование до 48 управляющих дискретных сигналов в диапазоне 0.+30 В;

- частоту опроса измерительных каналов в среднем до 25 кГц/канал (до 200 кГц/канал);

- регистрацию до 50 значений температуры изделия, компонентов и т.д.;

- дискретность отсчёта времени до 0,1 мс.

Принципиально компьютерная база позволяет расширить возможности автоматизированной системы путём установки (замены) дополнительных блоков (адаптеров ввода-вывода, релейных и бесконтактных плат управления и др.). В состав системы включены имитатор сигналов, позволяющий производить оперативное тестирование.

Программное обеспечение позволяет:

- проведение градуировок аналоговых каналов, обработку результатов градуировок, оценку погрешностей градуировок;

- задание режимов работы двигателя и переменных для обработки результатов экспериментов;

- управление работой двигателя по заданной программе, ПГС стенда, элементами измерительных систем;

- сбор, обработку и отображение информации о параметрах двигателя в реальном времени;

- создание баз экспериментальных данных, цифровых портретов изделий.

Система измерения стенда представляет собой совокупность измерительных каналов и предназначена для независимого измерения основных параметров РДМТ в процессе испытания. Измерение давления окислителя и горючего на входе в двигатель и давления рабочего тела в камере сгорания осуществляется датчиками давления, в том числе Wika S10 различного номинала с погрешностью не выше 0,25 %; температура компонентов топлива на входе в объект исследования измеряется термопарами группы ХК, а также преобразователями температуры Wika TR-30 с визуализацией показаний давления и температуры на электронных измерителях-регуляторах типа ТРМ 200 и регистрацией показаний в компьютерной автоматизированной системе стенда.

Для измерения быстропеременных давлений в камерах сгорания изделий и топливных магистралях, особенно при работе двигателей в импульсных режимах, в настоящее время предлагается достаточно большое количество различных датчиков давления, но сведения о динамических параметрах производители, как правило, не представляют. Поэтому информация о таких характеристиках датчиков может представлять интерес для специалистов в области испытаний ракетных двигателей малой тяги.

На рис. 3 представлены результаты сравнительных испытаний некоторых типов датчиков в составе экспериментальных РДМТ при работе последних в импульсном режиме на базе каналов Рк.

В качестве опорного (эталонного) принят сигнал с известного датчика давления типа ДД-10 с комплектом вторичной аппаратуры 4 АНЧ-22.

Не обсуждая особенности исследуемых типов датчиков давления, отметим, что по динамическим параметрам при работе двигателей в импульсном режиме требованиям к измерениям давления отвечают датчики типа «Honeywell» и «Wika» (S-10), которые не уступают эталонному ДД-10.

С точки зрения влияния на мембрану датчика давления высокотемпературных продуктов сгорания при организации измерений в камере РДМТ следует отметить, что в настоящее время отсутствуют средства измерения, рассчитанные на температуру рабочих тел порядка t ~ 2500°С (существуют датчики с температурой порядка 200°С и 500°С). Поэтому альтернативы системе измерения давления с охлаждаемым корпусом для датчика давления пока не существует.

Но переход при испытаниях РДМТ на высокоточные датчики измерения давлений Рк и Рвгх°' увеличит точность определения параметров как прямых, так и косвенных измерений до величины не более 0,25%, что собственно подтверждается при градуировке соответствующих каналов измерений.

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 ООО Г. МС

Л

V \ \ у

л \

V \ Г

-^ 11ПГ1-Ч1П

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 ООО 1:. МС

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000 Г. МС

б

Рис. 3. Результаты сравнительных испытаний зависимостей давления от времени в камере сгорания, полученных различными датчиками давления: а - зависимость давления в камере сгорания двигателя от времени для датчиков «АИР» и «ДД-10»; б - зависимость давления в камере сгорания двигателя от времени для датчиков «Корунд» и «ДД-10»

(см. также с. 118)

Рис. 3. Окончание:

в - зависимость давления в камере сгорания двигателя от времени для датчиков «Honeywell» и «ДД-10»; г - зависимость давления в камере сгорания двигателя от времени для датчиков «S-10» и «ДД-10»

г

Для измерения основного параметра двигателя - тяги РДМТ - используется специальное силоизмерительное устройство, разработанное на базе тензодатчиков типа BBA-SS различного номинала и точностью не ниже ± 0,75 %.

Силоизмерительное устройство располагается на рабочем столе в вакуумной камере и позволяет проводить испытания объекта в непрерывном режиме работы в вертикальном и горизонтальном положениях.

Сигнал с тензодатчиков визуализируется на дисплее весового терминала WCC, а его предварительный анализ производится с помощью многофункционального графического весового контроллера WLF-100.

Для измерения тяги в импульсном режиме работы используется специально спроектированная балка с собственной частотой порядка 500 Гц и триангуляционный оптический лазерный датчик перемещения РФ 603 с собственной погрешностью ± 0,25 %. Совокупная погрешность измерения по предварительным оценкам составляет в непрерывном режиме ± 1,0%, в импульсном ± 2,0%.

Силоимерительное устройство спроектировано с возможностью проводить испытания РДМТ разных тяг, которые могут иметь различные конструкции смесительной головки и узлы крепления, при этом расположить измерительный датчик (ВВА-5) по оси камеры двигателя не представляется возможным. Сила, создаваемая РДМТ, передаётся на измерительный датчик через передаточную балку. Конструктивно заложено, что сила, приложенная к датчику, в два раза меньше силы, развиваемой РДМТ.

На рис. 4 представлена схема расположения датчиков ВВА-5 в системе измерения тяг. Разработанная конструкция тягоизмерительного устройства предполагает некоторые технологические операции перед его эксплуатацией.

Перед установкой датчиков в силоизмерительное устройство производится их градуировка с помощью грузов известной массы с записью сигналов в компьютерную систему и определением градуировочных зависимостей.

После градуировки оба датчика устанавливаются на рабочие места. Для учёта конструктивных и режимных факторов после сборки устройства производится определение корректирующего градуировочного коэффициента для измерительного датчика как отношение сигналов с задающего и измерительного датчиков.

Рис. 4. Схема силоизмерительного устройства: 1 - рама установки; 2 - передаточная балка; 3 - узел подвеса; 4 - ЖРДМТ; 5 - измерительный датчик весоизмерительный тензорезисторный типа ВВА-5; 6 - задающий датчик типа ВВА-5; 7 - пружина; 8 - силосоздающее устройство; 9 - нить передающая; 10 - нить соединительная; 11 - рабочий стол вакуумной камеры

После определения корректирующего коэффициента измерительного датчика устройство приводят в рабочее состояние: прекращается подача рабочего тела в сило-задающее устройство, ослабляется передающая нить, снимается пружина и разъединяется силовая связь между датчиками.

Расход газообразных и жидких несамовоспламеняющихся компонентов топлива в непрерывном режиме работы РДМТ измеряется с помощью массового кориолисова расходомера КЕМ (измерительный элемент КСМ 0300, преобразователь КСЕ-800), точность измерений составляет ± 0,5 %.

Не проводя детального анализа работы расходомеров, отметим лишь следующие результаты. Величина расхода жидкости и газа, полученная стендовыми расходомерами, достаточно достоверно подтверждается контрольными средствами измерения при работе в непрерывных режимах работы.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При работе изделий в импульсных режимах использовать кориолисовы расходомеры не представляется возможным, поскольку имеет место задержка записи сигнала расходомера от момента подачи команды на клапаны двигателя: для газа 0,4 с, для жидкости 1,2 с.

В связи с этим остаётся актуальным вопрос об измерении расходов газа и жидкости в импульсных режимах работы РДМТ.

Для измерения расхода газообразных рабочих тел при испытаниях, расхода газов для технологических целей, включая градуировку систем измерений в импульсных режимах, для технологических пусков на стенде используется термодифференциальные массовые расходомеры THERMATEL ТА-2 по водородной и кислородной линиям. Расходомер выполняет измерения массового расхода, используя принцип определения теплоотвода от нагретой поверхности.

Поскольку динамические параметры используемых массовых расходомеров не позволяют применять их в импульсных режимах работы, то для обеспечения измерения газообразных рабочих тел в процессе испытаний РДМТ в режиме одиночных включений и в импульсном режиме разработана и создана специальная система «Импульс», элементы которой показаны на рис. 2.

Работа системы заключается в следующем. Перед испытанием расходная и эталонная ёмкости заполняются до давления подачи, которое контролируется датчиками Р^.. Датчик перепада давления при этом показывает нулевое значение.

Перед выработкой газообразного компонента из расходной ёмкости (ёмкостей) эталонная ёмкость изолируется от системы с помощью соответствующего электро-пневмоклапана. После останова двигателя и выдержки определённой паузы датчик перепада давления зафиксирует величину А?. Информация от датчика записывается и обрабатывается компьютерной системой, а массовый расход определяется по соотношению:

т = (АРУ ) / (ЯТ),

где Я - газовая постоянная; АР - перепад давления, фиксируемый датчиком перепада; V - объём расходных баков, определённый с помощью градуировок; Т - температура в К.

Результаты сравнительных измерений массового расхода газообразного топлива с помощью датчика расхода и системы «Импульс» согласуются с точностью не хуже 1,5%.

Для решения проблем измерения расхода жидких компонентов топлива в режиме одиночных включений и импульсных режимов работы РДМТ на стенде функционирует система, схема которой представлена на рис. 5.

Перед испытанием двигателя в системе обеспечивается наддув до давления подачи жидкого компонента в изделие, при этом используется единичная ёмкость или совокупность ёмкостей в зависимости от величины расхода компонента. Датчик перепада давления показывает нулевое значение. После завершения импульса тяги датчик перепада зарегистрирует величину перепада, соответствующую израсходованному топливу. С учётом градуировочной характеристики т = / (АР) определяется массовый расход

жидкого компонента за единичное включение двигателя, при серии импульсов по специальной методике общий измеренный расход раскладывается на каждый импульс.

В качестве датчиков перепада давления в системах измерения расхода газообразных и жидких рабочих тел использован датчик, имеющий следующие основные технические характеристики:

- марка датчика - ДМД-331-А^;

- назначение датчика - измерение перепада давления;

- измеряемый перепад давления - 250 кПа, 100 кПа, 25 кПа, 10 кПа.

При создании ракетных двигателей малой тяги одной из ключевых проблем является отработка теплового состояния двигателя - обеспечение соответствия максимальной и допустимой температуры стенки двигателя, определяемой свойствами используемого конструкционного материала.

Как правило, заключительный этап этой работы проводится на стадии экспериментальной отработки РДМТ, когда необходимо получить информацию о температурных полях двигателей с учётом всех мероприятий, направленных на обеспечение теплового состояния конструкции. До недавнего времени для решения этой задачи использовались специальные термопары - локальные контактные средства измерения. В связи с применением в ЖРДМТстроении современных конструкционных материалов, таких как молибден, ниобий, рений и сплавов на их основе с покрытием, возникает потребность в освоении бесконтактных способов определения теплового состояния двигате-

от системы ] наддуба

I к изделию

Рис. 5. Схема расходомера для жидких компонентов при работе РДМТ в импульсных режимах

лей. Перспективными устройствами для этих целей являются инфракрасные теплови-зионные системы [4; 5].

К основным параметрам, характеризующим тепловизионную систему, можно отнести следующие:

- диапазон температур тепловизора;

- температурная чувствительность;

- частота обновления кадров;

- матрица тепловизора;

- функция определения минимальной (максимальной) температуры объекта;

- наличие в тепловизоре встроенной цифровой камеры.

Используемая на стенде инфракрасная тепловизионная система FLIR SC7700M применяется для широкого спектра научных задач, для которых важны высокие технические характеристики, такие как температурный диапазон: - 20...+2500°С, спектральный диапазон: 3.5 мкм, температурная чувствительность не хуже 18 мК, разрешение изображения 640*512 / 14 бит, максимальная частота обновления кадров не менее 100 Гц (с возможностью увеличения до 3000 Гц). Термографический анализ ведётся с помощью специального программного обеспечения «Альтаир».

Программа обеспечивает возможность просмотра последовательности изображений в режиме реального времени и сохранения их со скоростью до 2000 кадров в секунду. В сочетании с другими компонентами программного обеспечения она может использоваться для управления режимом съёмки. Измеряются следующие величины: температура, яркость, тепловой поток.

В процессе исследований и испытаний РДМТ решаются следующие задачи, основанные на функциональных характеристиках инфракрасной тепловизионной системы:

- выявление и локализация зон с максимальной температурой поверхности и оценка её величины;

- локализация интересующей области и запись изменения температуры в её границах;

- определение температуры изделия по заданным сечениям, направлениям, пространственным координатам и др.

Давление разрежения в вакуумной камере (системе) является важным параметром при исследованиях и испытаниях РДМТ, поскольку он кроме прямого назначения, используемого для контроля условий и сравнения его с заданными значениями при испытаниях, применяется также при определении величины пустотной тяги двигателя.

Измерение давления разрежения в вакуумной камере (системе) на стенде осуществляется с помощью датчиков типа ИКД-6ТДа или CVG-101GВNW16 с регистрацией их показаний в компьютерной системе и на дисплее преобразователя датчика.

Перед испытаниями проводится индивидуальная градиуровка датчика. Опорный вакуум при этом создается вакуумным насосом типа НВЗ-431 и контролируется лампой ПМТ-2 с регистрацией показаний на ионизационно-термопарном вакуумметре и в компьютерной системе.

В работе объектами исследования являются экспериментальные образцы РДМТ на газообразном кислородно-водородном топливе тягой Р ~ 25 Н и Р ~ 100 Н, в которых воспламенение компонентов топлива организовано в разрядной полости свечи зажигания (аналог форкамерного воспламенения). Схема смесеобразования двигателей характеризуется взаимодействием закрученных коаксиальных потоков горючего и окислителя. В РДМТ Р ~ 25 Н применена однокаскадная схема, РДМТ Р ~ 100 Н выполнен в виде двух каскадов (при этом реализуется высокотурбулентный поток, способствующий эффективному смешению горючего и окислителя в ограниченном объёме камеры сгорания).

Охлаждение камеры двигателя Р ~ 25 Н организовано с помощью газовой завесы горючего от смесительной головки и применением высокотемпературного конструкционного материала, из которого выполнена камера сгорания и сопло. В РДМТ Р ~ 100 Н дополнительно организована дозвуковая завеса горючего, расположенная в конце цилиндрического участка камеры сгорания, но при этом в качестве конструкционного материала использован материал с более низкой допустимой температурой.

Кроме количественных данных, полученных при исследовании динамических параметров РДМТ, следует отметить, что процесс воспламенения кислородно-водородного топлива в двигателях можно характеризовать как стабильный (отказов зажигания при выполнении программы испытаний зарегистрировано не было).

В то же время значения задержки воспламенения тзв, полученные в ходе исследования на уровне 5...9 мс для РДМТ Р ~25 Н и 10...11 мс - для двигателя Р ~ 100 Н, следует признать завышенными при использовании кислородно-водородной топливной композиции (энергия, генерируемая агрегатом зажигания, составляет 20 мДж).

При исследовании РДМТ Р ~25Н достигнуты следующие энергетические параметры двигателя: расходный комплекс в изменяется в пределах 2180.2210 м/с; тяговый комплекс Кр изменяется в пределах 1,77.1,80; удельный импульс тяги 1ну изменяется в пределах 3870.3970 м/с. Отметим, что приведённая длина камеры сгорания РДМТ составляет Ь = 0,55 м , а геометрическая степень расширения сопла ¥а = 45.

Совершенство рабочего процесса, оцениваемое коэффициентом полноты удельного импульса тяги, соответствует уровню ср1 = 0,83 .

Исследование РДМТ Р ~ 100 Н проведено при изменении массового соотношения компонентов топлива кт от 4,0 до 10,0 при практически неизменном суммарном массовом расходе топлива.

Получено, что значение расходного комплекса в изменяется в диапазоне 2021.2197 м/с. Максимальное экспериментальное значение расходного комплекса при аок ~ 0,83 составило ( = 2197 м/с. Тяговый комплекс Кр зарегистрирован в пределах

1,75.1,81, а удельный импульс тяги 1ну варьировался в пределах 3532.3855 м/с

(Рс ~50) и 3753.4100 м/с (Рс ~ 250). Максимальное значение удельного импульса тяги

в пустоте 1ну = 3855 м/с (1ну = 4100 м/с) при коэффициенте избытка окислителя

аок = 0,83 ( кт = 6,67).

Важными являются результаты исследования теплового состояния ракетных двигателей малой тяги, полученные с помощью инфракрасной тепловизионной системы.

При длительности включения двигателя Р ~ 25 Н порядка 100 с зарегистрирована максимальная температура стенки ¿тах = 1045°С. Этот уровень температуры ниже, чем

допустимая температура стенки камеры ( ^ ~ 1400°С).

Зависимость максимальной температуры наружной поверхности от времени для РДМТ Р ~ 100 Н представлена на рис. 6.

Получено, что максимальная температура наружной стенки стабилизируется на уровне 825°С и далее не изменяется. Это означает, что двигатель РДМТ Р ~ 100 Н вышел на установившийся тепловой режим и прогнозируются колебания температуры при более длительной работе на уровне максимальной измеренной температуры конструкции.

Таким образом, с применением высокоточных и высокодинамичных средств измерения и автоматизированной системы управления, сбора и отображения измерительной информации в реальном времени показано, что разработанный стенд позволяет

проводить комплекс исследований рабочих процессов РДМТ на газообразных и газожидкостных несамовоспламеняющихся топливах, а именно: определять динамические, энергетические параметры и характеристики РДМТ, его тепловое состояние в непрерывном и импульсном режимах работы в эксплуатационных условиях с термоста-тированием компонентов топлива и объекта исследования в широком диапазоне изменения режимных параметров.

В результате экспериментальных исследований в обеспечение создания кислородно-водородных РДМТ Р ~ 25 Н и Р ~ 100 Н прошли апробацию два конструктивных варианта РДМТ на газообразном кислородно-водородном топливе.

Рис. 6. Зависимость максимальной температуры наружной поверхности кислородно-водородного РДМТ P ~ 100 Н

На разработанных ракетных двигателях малой тяги получены: приемлемые динамические параметры, в том числе задержка воспламенения газообразного кислородно-водородного топлива; энергетические параметры, включая удельный импульс тяги двигателей, при эксплуатационных значениях массового соотношения компонентов топлива, близких к оптимальным значениям приведённой длины камеры сгорания и геометрической степени расширения сопла Лаваля, достигают достаточно высокого уровня; максимальные температуры наружной поверхности стенки камеры двигателей не превышают значений допустимой температуры стенки для применённых конструкционных материалов.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 56463-2015. Двигатели ракетные жидкостные малой тяги. Общие требования к изготовлению, испытаниям и контролю качества при поставках в эксплуатацию. М.: Стандартинформ, 2015. 41 с.

2. Гальперин Р.Н., Гуляев Ю.И., Ивашин Ю.С., Нигодюк В.Е., Рыжков В.В., Су-линов А.С. Экспериментальное исследование эффективности применения кормовых диффузоров в вакуумных системах стенда для высотных огневых испытаний жидкостных ракетных двигателей малой тяги // Материалы докладов международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». Ч. 2. Самара: Самарский университет, 2016. С. 205-206.

3. Рыжков В.В., Ивашин Ю.С., Ивашин А.Ю., Петрунин Э.Ю. Автоматизированная система управления и информационного обеспечения исследований жидкостных ракетных двигателей малой тяги // Материалы докладов международной научно-

технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». Ч. 2. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2003. С. 3944.

4. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применения. М.: Интел универсал, 2002. 87 с.

5. Рыжков В.В., Силютин М.В. О возможности исследования теплового состояния ЖРДМТ с помощью инфракрасной тепловизионной системы // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2011. № 3 (27), ч. 3. С. 349-356.

MULTI-PURPOSE HIGH-PRECISION THERMAL VACUUM TESTING BENCH AND SOMERESULTS OF FIRING TESTS OF NON-HYPERGOLIC LOW-THRUST ROCKET ENGINES

V. V. Ryzhkov Candidate of Science (Engineering), Director of Sciences, Space Energy Research Center;