CC BY
192
УДК 629.7
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
А. Ю. Евчун Научный руководитель - В. Ю. Журавлев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: Aevchun@mail.ru
Рассматриваются способы проведения гидродинамических испытаний жидкостного ракетного двигателя, а также приводится перспективный пример реализации гидродинамических испытаний.
Ключевые слова: гидродинамические испытания; холодные испытания; стенд для холодных испытаний ЖРД.
HYDRODYNAMIC TESTING OF LIQUID ROCKET ENGINE
A. U. Evchun Scientific Supervisor - V. Yu. Zhuravlyov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: Aevchun@mail.ru
In this paper, we study ways to conduct hydrodynamic testing of liquid rocket engine, and provides a promising example of implementation of hydrodynamic tests.
Keywords: hydrodynamic testing; cold testing; stand for cold tests of LRE.
Введение. Гидродинамические испытания подвергают различного рода замкнутые системы (емкости, трубопроводы, гидравлические системы и т. п.). При испытаниях систем, работающих под воздействием жидкостей, в качестве контрольного вещества используют, как правило, рабочую жидкость. Некоторые газовые системы, например трубопроводы, контролируют водой или какой-либо другой жидкостью. ЖРД является гидравлической системой, он так же подвергается данному виду испытаний.
В настоящее время предъявляются высокие требования к ЖРД, для их обеспечения необходимо проводить гидродинамические испытания, они позволяют определить расходные характеристики, прочностные характеристики и определить герметичность узлов и систем ЖРД.
В целях обеспечения требуемой надежности испытаний, а также для их механизации или автоматизации в серийном производстве применяют специальные гидростенды. Вид контрольного вещества, значение избыточного давления, время выдержки под давлением, время наложения фильтровальной бумаги и другие параметры режима испытаний определяются техническими требованиями к изделию.
На стендах для холодных испытаний ЖРД проводят гидравлические проливки форсунок, смесительных головок и топливных клапанов, настройку двигателя на заданные расходы компонентов, контроль герметичности и прочности его элементов.
Стенд для холодных испытаний ЖРД. Этот стенд позволяет проводить следующие виды холодных испытаний двигателя:
- определять действительные расходные характеристики форсунок или смесительной головки, т. е. зависимости массовых расходов компонентов топлива через форсунку или смесительную головку от перепада давления на них;
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
- настраивать ЖРД на заданные номинальные расходы окислителя и горючего;
- фотографировать факел распыла на выходе из форсунки или смесительной головки ЖРД;
- определять распределение расходонапряженности в факеле распыла форсунки и в поперечном сечении камеры сгорания на выходе из смесительной головки ЖРД с помощью специальных ловушек;
- измерять в модельных условиях времена срабатывания электромагнитных клапанов окислителя и горючего ЖРД;
- контролировать герметичность узлов и элементов ЖРД;
- проверять на прочность ЖРД, его узлы и элементы;
- проводить технологические операции по подготовке ЖРД к огневым испытаниям и после проведения испытаний, связанные с нейтрализацией оставшихся в полостях двигателя токсичных компонентов топлива, промывкой, проливкой и продувкой полостей двигателя с последующей их просушкой в термовакуумной камере.
Для подачи реальных компонентов или моделируемой жидкости к испытываемому объекту используется вытеснительная система подачи. Рабочим телом вытеснения являются сжатый воздух или азот. В качестве моделируемых жидкостей при холодных испытаниях ЖРД применяются дистиллированная вода, водно-спиртовой раствор или другие жидкости. В состав проливочной установки входят бак с рабочей жидкостью, магистраль подвода жидкости из бака к форсунке или смесительной головке ЖРД, система вытеснения жидкости из бака сжатым газом, запорная арматура, средства измерения давлений, массы прошедшей через форсунку или смесительную головку жидкости и времени.
Испытание стенда. На стенде был размещен двигатель со снятой камерой сгорания и отсоединенными рукавами подачи компонента завесы. Крышка катализаторного пакета на форсуночной головке также была демонтирована. Фиксация параметров осуществлялась с помощью компьютера, подключенного к щиту мониторинга и управления. Для фиксации процесса записывались данные с тензодатчиков и производилась видеосъемка.
Гидравлические испытания форсуночной головки производились отдельно по каждому компоненту. Было проведено 4 теста, два из которых по магистрали окислителя, а другие два -по магистрали горючего. В соответствующие баки заливалась дистиллированная вода, открывался электроклапан и измерялся расход компонента.
• Первое испытание магистрали окислителя: залито 4,5 л воды, вентиль регулировки расхода открыт до упора, расход 0,56 л/с.
• Второе испытание магистрали окислителя: залито 6,8 л воды, вентиль регулировки расхода открыт наполовину, расход составил 0,41 л/с.
• Первое испытание магистрали горючего: залито 3,9 л воды, вентиль расхода открыт до упора, расход составил 0,12 л/с.
• Второе испытание магистрали горючего: залито 4,1 л воды, вентиль расхода открыт наполовину, расход составил 0,13 л/с.
Определение расхода по магистрали горючего требует уточнения по дополнительным положениям вентиля - полученные данные противоречат ожиданиям.
В результате мы получили опыт работы со стендом в безопасных условиях и сделали вывод о необходимости следующих доработок:
- добавить возможность дистанционного управления подачей газа наддува;
- улучшить быстродействие программы мониторинга;
- изготовить управляющее устройство для вентилей регулировки компонентов топлива.
После серии тестов на воде было принято решение провести испытания ЖРД на компонентах, которые практически полностью идентичны проектному топливу. Для проверки работы катализатора в более жестких условиях был использован пероксид водорода более низкой концентрации (58 %) с целью безопасной отработки цикла будущих огневых испытаний.
ЖРД был собран и установлен на стенд, в двигатель заправлен металлический катализатор. Следом к нему были подключены магистрали топлива и началась процедура заправки баков горючего и окислителя. Все краны и клапаны, кроме вентилей сброса давления, были предварительно перекрыты.
Заправка топлива прошла штатно и был включен программный комплекс для фиксации значений датчиков пневмогидравлической системы, открыт кран подачи газа наддува. Весь персонал покинул помещение и дальнейшее управление велось дистанционно.
Было проведено два испытания двигателя, в ходе которых потрачено 2.85 кг топлива. Общая циклограмма теста такова:
- подача пероксида;
- наблюдение струи парогаза, рост давления в форсуночной головке;
- подача керосина;
- струя становится бурой из-за мелкодисперсной керосиновой пыли;
- остановка подачи керосина;
- остановка подачи пероксида.
Тестовые испытания доказали работоспособность стенда и элементов двигателя, а также показали данные, близкие к расчетным на заданных характеристиках топлива и внешней среды. Давление в форсуночной головке составило 0,5 МПа и наблюдалась тяга в 94,41 Н. Было установлено, что катализатор работает штатно и активно разлагает перекись водорода, а форсуночная головка обеспечивает достаточный распыл и смешение компонентов в камере сгорания.
Библиографические ссылки
1. Лин Индастриал [Электронный ресурс]. URL: https://spacelin.ru/novosti/gidravlicheskie-ispytaniya-stenda-dlya-zhrd/ (дата обращения: 20.02.2017).
2. Испытания жидкостных ракетных двигателей : учеб. пособие для авиац. спец. вузов / А. Е. Жуковский, В. С. Кондрусев, В. Я. Левин и др. ; под ред. В. З. Левина. М. : Машиностроение, 1981. 199 с.
3. Испытание и обеспечение надежности ракетных двигателей / А. И. Коломенцев, М. В. Краев, В. П. Назаров и др. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т ; МАИ. Красноярск, 2006. 336 с.
© Евчун А. Ю., 2017
