CC BY
171
Е.А. Набродова
магистр,
факультет ракетно-космической техники, ФГБОУ ВПО «Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д. Ф. Устинова»,
г. Санкт-Петербург
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РДТТ
Аннотация. В статье описана измерительная система для экспериментального определения тяги, полного импульса тяги, удельного импульса тяги и его потерь для двигателей на твердом топливе. Рассмотрены основные методы измерений указанных характеристик.
Ключевые слова: тяговые характеристики, двигатель, тяга, удельный импульс тяги, система измерения.
E.A. Nabrodova, Baltic State Technical University «Voenmeh» D.F. Ustinov», Saint Petersburg
MEASUREMENT TECHNOLOGY IN DETERMINING THE CHARACTERISTICS OF SOLID PROPELLANT
ROCKET ENGINE
Abstract. The article describes a measuring system for the experimental determination of thrust, the total impulse, specific impulse and its loss for solid fueled rocket engines, the basic methods of measuring these characteristics.
Keywords: traction characteristics, engine, thrust, specific impulse, measurement system.
Ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ) широко используются в объектах ракетной и космической техники для выполнения самых различных задач с целью обеспечения требуемой скорости полета летательного аппарата или необходимого перемещения аппарата после отработки двигателя. Ответственными за выполнение этих задач являются выходные тяговые характеристики двигателя: сила тяги, полный и удельный импульс тяги. Знание их реальной величины безусловно необходимо для создаваемого двигателя. Определение их расчетным путем возможно только с определенной точностью. Поэтому экспериментальное подтверждение выходных характеристик совершенно необходимо на завершающем этапе создания двигателя.
Основными параметрами РДТТ являются тяга Р, удельный импульс Iy и полный импульс In. Тяговые характеристики двигателя определяют зависимость тяги и удельного импульса тяги от условий заряжания, конструктивных данных РДТТ, параметров рабочего процесса и условий полета. Тяговые характеристики являются важнейшими показателями качества конструкции двигателя, степени совершенства организации рабочего процесса и экономичности двигателя [1].
Под удельным импульсом тяги РДТТ понимается отношение полного импульса тяги к общей массе продуктов сгорания, истекающих из камеры сгорания за полное время работы двигателя [2]. Удельный импульс тяги представляет наиболее общую характеристику энергетических свойств ракетного двигателя. Рассчитать удельный импульс теоретически можно с помощью термодинамического расчета. В процессе расчета определяются температура продуктов сгорания, равновесный химический состав, термодинамические и теплофизические свойства и параметры рабочего тела для входного и любого другого сечения сопла.
После завершения расчета можно определить параметры процесса течения и идеальные характеристики ракетного двигателя (РД), в том числе и удельный импульс тяги. Однако полученное значение будет отличаться от реального на некоторую величину. Это связано с тем, что при расчете вводится целый ряд упрощающих предположений, идеализирующих условия сгорания твердого топлива в камере сгорания (КС) двигателя и истечения продуктов сгорания из сопла.
Реальный рабочий цикл в КС двигателя включает в себя образование рабочего тела
(продуктов сгорания) вследствие горения заряда твердого топлива (ТТ), движение продуктов сгорания по свободному тракту КС и истечение их через сопло. Протекание каждой стадии этого цикла происходит с определенными отступлениями от идеальной термодинамической схемы, что приводит к уменьшению величины удельного импульса. Реальный удельный импульс РДТТ может быть определен по результатам испытаний двигателя. Разницу в значениях идеального и реального удельного импульса характеризуют потери удельного импульса.
В РДТТ их можно условно разделить на две группы. Первая группа включает потери, имеющие место в КС ракетного двигателя (внутрикамерные потери), вторая - потери, имеющие место в сопле (сопловые потери). Таким образом, достоверное значение удельного импульса тяги невозможно получить расчетным путем, не учитывая потери.
Для разработки схемы измерения тяговых характеристик необходимо проанализировать существующие методики определения тяги, полного импульса и удельного импульса тяги, а также выбрать конкретные средства измерения.
Тягу двигателя измеряют при помощи тензометрических и частотно-вибрационных датчиков силы, а также используя специальные измерительные стенды - стапели. Способы измерения полного импульса тяги условно можно разделить на две группы: стендовые и численные. Стендовые устройства - импульсомеры; существуют импульсомеры маятникового типа и им-пульсомер-маховик.
Наиболее достоверное значение полного импульса тяги определяется с помощью импуль-сомера маятникового типа [3]. Однако следует отметить, что импульсомеры являются громоздкими стендовыми устройствами, требующими специальных капитальных сооружений для их монтажа, длительного времени подготовки к испытаниям, они сложны в обслуживании и ремонте.
К численным способам относится метод измерения импульса по показаниям измерения тяги и времени работы двигателя с помощью диаграммы тяги (рис. 1). Диаграмма тяги - это изменение тяги во времени.
Рисунок 1 - Диаграмма тяги
Методик определения удельного импульса тяги несколько. Первая основана на показа-
р
ниях измерения тяги и расхода: 1У =— Однако измерение секундного массового расхода в
у т
РДТТ связано с определенными трудностями, поэтому данный способ не нашел своего применения. В следующем способе используются значения полного импульса тяги и массы топлива:
I =
1 тТ
Этот способ прост в конструктивном исполнении и достаточно точен. Здесь значение
полного импульса тяги определяется численно: с помощью диаграммы тяги. Для подтверждения возможности использования численного метода был проведен анализ времени выхода на режим и после действия двигателя, который показал, что данный метод пригоден и обеспечивает допустимую погрешность.
Для получения качественной картины рабочих процессов, протекающих в ракетном двигателе, и количественной зависимости между параметрами этих процессов используется комплекс измерительных средств и устройств, называемых измерительной системой (СИ). Состав СИ определяется объемом требуемой информации и характером исследуемых процессов.
Разработанная СИ тяговых характеристик двигателя (рис. 2), исходя из анализа существующих методик их измерения, состоит из испытуемого двигателя, закрепленного на горизонтальном стапеле, вибрационно-частотного датчика тяги, частотного датчика давления ЛХ2702 и вторичных преобразователей.
Рисунок 2 - Система измерения тяговых характеристик двигателя. Обозначения: ДТ - вибрационно-частотный датчик тяги; ДД - струнный датчик давления ЛХ 2702; БП - блок питания, который обеспечивает активные датчики дополнительной внешней энергией
Примерами активных датчиков являются датчики температуры, давления, тяги и др. Внешняя энергия может подаваться на датчики в различной форме: либо в виде постоянного тока или напряжения, либо в виде синусоидального или импульсного токов.
ПУ - пульт управления, который предназначен для управления испытанием двигателя на стадии подготовки и во время проведения эксперимента. Результаты испытания отображаются на персональном компьютере.
Таким образом, в статье были проанализированы существующие экспериментальные методики определения тяги, полного и удельного импульсов тяги, выбраны наиболее оптимальные методы и средства определения этих характеристик, а также описана система измерения указанных характеристик.
Список литературы:
1. Волков В.Т. Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей твердого топлива / В.Т. Волков, Д.А. Ягодников. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 297 с.
2. Ерохин Б.Т. Теоретические основы проектирования РДТТ. - М.: Машиностроение, 1982. - 205 с.
3. Андреев Ю.С. Экспериментальное исследование двигателей летательных аппаратов. - СПб.: ЛМИ, 1979. - 126 с.
