CC BY
55
ІНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК №2 (90) 2010
*
ЮШ
УДК 629.744.001.76 В Н БЛИНОВ
Н. Н. ИВАНОВ В. В. КОСИЦЫН В. И. РУБАН В. В. ШАЛАЙ
Омский государственный технический университет ПО «Полет» — филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева», г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ МИКРОТЯГИ НА АММИАКЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Проведены исследования параметров двигательной установки микротяги, полученных по результатам эксплуатации летных образцов в условиях глубокого вакуума в составе малых космических аппаратов.
Ключевые слова: двигательная установка, натурные испытания, электротермический микродвигатель, удельный импульс тяги.
Объектом исследования являются пять двигательных установок микротяги (ДУМИТ) на аммиаке с резервированными электротермическими микродвигателями (ЭТМД), автоматикой и автономными блоками управления, использованные в натурных условиях в составе пяти малых космических аппаратов (МКА)для разведения МКА по орбите функционирования (рис.! — 3) 11 ].
В ходе натурных испытаний в блоках управления ДУМИТ, а также в бортовом комплексе управления МКА формировались, накапливались и передавались на наземный комплекс у и равления (НКУ) для каждого из ЭТМД и каждой линии автоматики ДУМИТ следующие основные телеметрические параметры:
— температура нагревателя ЭТМД формируемая первой термопарой Т|1Л1, °С;
— температура нагревателя ЭТМД формируемая второй термопарой Т,°С;
— напряжение нагревателя ЭТМД В;
— ток в цепи нагревателя ЭТМД А;
— давление в камере ЭТМД, кПа;
— температура нагревателя испарителя, формируемая первым термодатчиком типа 0518520Т,1И1, °С;
— температура нагревателя испарителя, формируемая вторым термодатчиком типа ОБ 18320 ТНИ1, °С;
— напряжение испарителя, В;
— ток испарителя, А.
Основным проектным параметром при проведении исследований в натурных условиях ДУМИТ является величина удельного импульса тяги, в значительной степени определяемая температурой газообразного аммиака на входе в критическое сечение сопла, которая в основном определяется потребляемой мощностью, способом запуска и продолжительностью работы ЭТМД при одном включении |2|.
и)
р
где, Кт - коэффициент тяги;
Кр - коэффициент расхода;
Тк — температура в камере сгорания ЭТМД
В процессе натурных испытаний ДУМИТ с помощью файла уставок (команд), передаваемых в блок управления ДУМИТ, изменялись следующие параметры;
— время разогрева нагревателя ЭТМД и нагрева’ теля испарителя;
— продолжительность работы ЭТМД
— время импульса последействия ЭТМД
— максимальная мощность разогрева нагревателя ЭТМД и испари теля;
— скорость нарастания мощности на нагревателях ЭТМД и испарителя.
В процессе проведения натурных исследований ДУМИТ использовались схема «горячего» включения и схема «холодного» включения ЭТМД [3].
Циклограмма «горячего» способа запуска ЭТМД включает в себя предварительный разогрев конструкции при помощи штатных нагревателей и последующую подачу в ЭТМД аммиака, предварительно газифицированного в испарителе (рис. 3).
На (рис. 4 — 5) приведены параметры ЭТМД при «горячем» запуске, полученные в ходе обработки телеметрической информации.
Как видно из графи ков температуры нагревателя двигателя на (рис. 4-5), после включения нагревательного элемента ЭТМД температура увеличивается согласно заданному темпу набора мощности. В момент начала подачи газа в камеру ЭТМД наблюдается некоторое снижение температуры нафевателя, связанное с теплоотводом потока. Последующий рост температуры связан с дальнейшим увеличением мощности, подаваемой на спиральнагревателя. После достижения заданного максимального уровня мощности (60 Вт) происходит дальнейший рост температуры и выход на установившийся режим.
Давление в камере ЭТМД меняется в зависимости от температуры, наблюдаются пульсации, вызванные особенностями работы регулятора давления, изменение давления находится в пределах 5- 10 кПа.
«Горячий» запуск ЭТМД является наиболее предпочтительным для обеспечения высокого удельного
6 * Рис. 4. Изменение параметров ЭТМД при включении по
рис | «горячей» схеме с предварительным прогревом ЭТМД и
• - общий вид ДУМИТ; б'- ДУМ ИТ в составе МКЛ испарителя (ТМИ МКА №1. виток 766. 10.08.2008 6:31:10»
Рис. 2. Составные части (а) и схема (б) ЭТМД
8реыя работы ЭТМД. нт Рис. 3. Циклограмма «горячего» запуска ЭТМД
импульса тяги. Вместе с тем опыт эксплуатации данной конструкции ЭТМД показал, что недостатком «горячего» способа запуска является низкая надежность ЭТМД из-за имеющейся вероятности перегорания нагревателей вследствие отсутствия теплосъема при разогреве конструкции. Повышение надежности может быть достигнуто с помощью применения более плавного ступенчатого разогрева нагревательного элемента, с большим количеством ступеней. Дальнейшее разви тие схемы «горячего» включения связано с повышением надежности нагревателей ЭТМД, например, с применением автономного нагревателя с теплоотводом.
Циклограмма «холодного» способа запуска ЭТМД включает в себя подачу в ЭТМД аммиака, предварительно газифицированного в испарителе, с практически одновременным включением нагревателей. При натурной эксплуатации ДУМИТ были реализованы «холодные» запуски ЭТМД с продолжительностью работы 3,4,5,7,10 минут. Характерное изменение температуры аммиака в ЭТМД показано на рис. 6.
На (рис. 7 — 11) приведены параметры ЭТМД при включениях но «холодной» схеме и потребляемой мощности 60 Вт.
Как видно из графиков температуры нагревателя ЭТМД (рис. 7-11), показания температуры нагревательного элемента при «холодном» включении ниже, чем при «горячем» в среднем на 100 - 130°. По мере
Рис. 5. Изменение параметров ЭТМД при включении по «горячей» схеме с предварительным прогревом ЭТМД и испарителя (ТМИ МКА №5. виток 523, 24.07.2008 18:55:00)
Время работы ЭТМД, ми-Рнс. 6. Циклограмма «холодного» запуска ЭТМД
роста температуры происходит увеличение давления в камере ЭТМД.
«Холодный» способ запуска ЭТМД гара}ттирует сохранение целостности нагревателей, однако ведет к снижению величины нагрева газообразного аммиака и как следствие к снижетно эффективности расходования рабочих запасов аммиака в ДУМИТ вследствие уменьшения удельного импульса тяги ЭТМД.
Надежность «холодного» способа запуска подтверждена более 70 включениями ДУМИТ. Повышение эффективности «холодного» способа запуска ЭТМД может быть достигнуто увеличением потребляемой мощности и времени работы ЭТМД при единичном включении. На рис. 12 показаны параметры ЭТМД при включении но «холодной» схеме и потребляемой мощности 80 Вт, из которого следует, что температура аммиака увеличивается на 100-120ЛС.
Особенностью обеих схем включения является длительный период выхода на установившийся режим, в течение которого параметры ЭТМД непрерывно изменяются. В связи с этим удельный импульс тяги будет средней интегральной величиной, взятой за время создания тяг и ЭТМД.
В процессе работы ДУМИТ наблюдался достаточно
Гж*од с соплом б)
НАУЧНЫЙ 1ЕСТНИК М» 2 (90) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
1НИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (90) 2010
Рис. 7. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме с предварительным прогревом испарителя (ТМИ МКА №2. виток 1519,30.09.2008,13:18:20)
Рис. 10. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме с предварительным прогревом испарителя (ТМИ МКА N*2, виток 1923, 28.10.2008,3:42:18)
Рис. 8. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме с предварительным прогревом испарителя (ТМИ МКА №2, виток 1533,01.10.2008, 12:11:31)
Рис. 11. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме с предварительным прогревом •испарителя (ТМИ МКА N*3, виток 1736, 15.10.20089:41:59)
Тчт т.с. С. — >
**.В» \
и.,, «с . • N
ч. 1, Вт
200 100
1_ т. и IV
0 в • 0 11 г и <
Рис. 9. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме с предварительным прогревом испарителя (ТМИ МКА№1, виток 3384,04.02.2009,12:45:24)
длительный период последействия (20 — 30 с.), втечение которого происходит выработка остатков аммиака с плавным спадом температуры и давления, что является недостатком. Исключение импульса последействия возможно за счет уменьшения длин трубопроводов, в которых находятся остатки топлива.
Таким образом, проведенные исследования ДУМ ИТ в натурных условиях позволили сформулировать следующие выводы:
1. При включении ЭТМД но «холодной» схеме длительностью от 3 до 10 минут достигается максимальная температура в камере ЭТМД в пределах от 458°С до 617°С. При увеличении длительности включения до 20 минут прогнозируемая величина температуры составит до 640 — 650°С.
2. При включении ЭТМД по «горячей» схеме длительностью от 2 до 5 минут достигается максималь-
2 пая температура в камере ЭТМД в пределах от 574°С 5 до726°С.
X
Библиографический список
1- Пат. 2332383 Российская Федерация. МПК7 Р 02 К 9/68.
Рис. 12. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме с предварительным прогревом испарителя (ТМИ МКЛМоЗ, виток 3110,16.01.2009 21:29:51
Электротермический микродвигатель (Текст) / Блинов В.Н., Рубаи В.И. (и др.) ; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Полет-Интер» — N9 2000131736/09 ; замнл. 13.02.07; опубл. 27.08.08, Бюл. N0 24. - 5 С.: ил.
2. Обзор, состояние, анализ и исследования путей повышения эффективности электротермических двигательных установок |Текст| : научно-технический отчет : 42-44 / ПО «Полет» — филиал ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева ; рук. Блинов В.Н., ; исиолн. : Косицын В.В. — Омск. 2008. — 85 с. — Библиогр.: с. 84 — 85.
3. Рабочие процессы скоростной высокотемпературной газификации жидкого аммиака в условиях глубокого вакуума при истечении через ограниченный объем (Текст) : отчет о ПИР (нромежуточ.): 42-44 / Омский государственный технический университет; рук. Блинов В.Н.,; исполн.: Шалай В.В. (и др.). — Омск. 2009. - 120 с. - Библиогр.: с. 119- 120.
4. Рабочие процессы скоростной высокотемпературной газификации жидкого аммиака в условиях глубокого вакуума при истечении через ограниченный объем (Текст) : отчет о НИР (заключ.) : 42-44 / Омский государственный технический университет; рук. Блинов В.Н.,; исполн.: Шалай В.В. (и др.). — Омск. 2009. — 147 с. — Библиогр.: С. 145—147.
5. Блинов, В.Н. Исследование динамики запуска электро-
термических микродвигателей на газообразном аммиаке / В. И. Рубан // Динамика систем, механизмов и машин. — Материалы VII Международной науч. конф. — Омск, 2009. — С. 171 —177.
БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, заместитель главного конструктора ПО «Полет» —филиала ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева.
ИВАНОВ Николай Николаевич, кандидат технических наук, главный конструктор ПО «Полет» — филиала ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева.
КОСИЦ ЫН Валерий Владимирович, ведущий спе-
циалист ПО «Полет»— филиала ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева.
РУБАН Виктор Иванович, ведущий специалист ПО «Полет» —филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. ШАЛАЙ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Транспортировка и хранение не(|гги и газа, стандартизация и сертификация»,ректор Омского государственною технического университета.
Адрес для переписки: e-mail: valera_kositsin<$mail.ru
Статья поступила в редакцию 11.03.2010г.
© В. Н. Блинов, Н. Н. Иванов, В. В. Косицын, В. И. Рубан,
В. В. Шалай
УДК*2».7«4.001.7* п. В. ТИЩЕНКО
В. Н. БЛИНОВ Н. Н. ИВАНОВ Э. Г. МИКУЛА Р. М. ХУСАИНОВ
Омский государственный технический университет ПО «Полет» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева», г. Омск
К ВЫБОРУ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНОКОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ЛЕГКОГО КЛАССА____________________________________________
Рассматриваются вопросы выбора основных проектно-конструктивных параметров одноступенчатой ракеты-носителя лёгкого класса на основе ракетного модуля. Ключевые слова: методика, оптимизация, проектные параметры, одноступенчатая ракета-носитель, ракетный модуль.
Разработка и создание ракет-носителей (PH) легкого класса является одной из актуальных задач современного ракетостроения. Это обусловлено необходимостью выведения в околоземное космическое пространство малых космических аппаратов (МКА). Традиционно создание PH легкого класса осуществляется по классической двухступенчатой схеме [1,2). Использование одноступенчатых PH легкого класса возможно в случае существенного повышения конструктивного совершенства ступеней PH и создания универсальных двигателей, которые могли бы одинаково эффективно обеспечивать полет одноступенчатой PH как на атмосферном, так и на «космическом» участке ее траектории.
Создаваемые в настоящее время в нашей стране и за рубежом перспективные ракетные средства выведения основаны на использовании ракетных модулей (РМ), работающих на высокоэнергетических компонентах ракетного топлива. Анализ тактикотехнических характеристик используемых РМ (запасы характеристической скорости ступеней, глубина дросселирования маршевого двигателя (МД) и время
работы на этом режиме, величина выдерживаемых эквивалентных нагрузок на участке выведения) свидетельствуют о технической возможности создания на основе РМ одноступенчатой PH |1|.
Характеристическая скорость современных РМ сравнима с подобной характеристикой классических двухступенчатых PH легкого класса. Так, собственная характеристическая скорость современных РМ может достигать - 9700 м/с, а с головным блоком массой 1000 кг - 9300 м/с. Для сравнения: у двухступенчатой PH легкого класса массой 109 т характеристическая скорость при массе полезной нагрузки (ПН) 1500 кг составляет9440 м/с; при массе ПН 500 кг —10540 м/с. Данный факт свидетельствует о возможности создания одноступенчатой PH лёгкого класса на основе РМ (1|.
Проведешпые проработки показали, чтовозможшам и наиболее целесообразным является создание одноступенчатой PH легкого класса с массой ПН 500 — 800 кг для опорной приполярной орбиты высотой НН*200 км на основе РМ. _____
Созданию одноступенчатой PH легкого класса на К£1
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ 1£СТНИК №2 С90> 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
