CC BY
87Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
УДК 621.454.2
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫХ ЖРД ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ
В. П. Назаров1, В. Ю. Пиунов2, М. И. Толстопятов1
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Конструкторское бюро химического машиностроения имени А. М. Исаева -филиал ФГУП «ГКНПЦ имени М. В. Хруничева» Российская Федерация, 141070. г. Королев, ул. Богомолова, 12 *E-mail: [email protected]
Представлены принципиальные особенности экспериментальных исследований и стендовых испытаний перспективных кислородно-водородных двигателей разгонных блоков, разработанных на базе двигателя КВД1 конструкции КБХМ имени А. М. Исаева.
Ключевые слова: испытания, кислород, водород, разгонный блок, ракетный двигатель.
PRINCIPAL FEATURES OF POSTER TESTS OF OXYGEN-HYDROGEN LOADS
OF PERSPECTIVE RUNNING BLOCKS
V. P. Nazarov1, V. Yu. Piunov2, M. I. Tolstoyapyatov1
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
2The Design Bureau of Chemical Engineering named after A. M. Isaeva -a branch of FSUE "GKNPTS named after M. V. Khrunichev" 12, Bogomolov Str., Korolev, 141070, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The research presents the basic features of experimental investigations and bench tests of promising oxygen-hydrogen engines of the booster blocks developed on the basis of the KВД1 engine produced by the design bureau of chemical engineering named after A. M. Isaeva.
Keywords: tests, oxygen, hydrogen, accelerating unit, rocket engine.
Высокие требования, предъявляемые к жидкостным ракетным двигателям разгонных блоков, во многом обеспечиваются разработкой и реализацией научно обоснованных программ экспериментальных исследований, проведением большого объема опытно-конструкторских работ, сопровождаемых различными видами наземных и летных испытаний [1].
Основной целью стендовых испытаний двигателей, созданных путем модернизации базовой модели двигателя КВД1, является проверка предложенных конструктивных и схемных решений [2]. Двигатели разгонных блоков эксплуатируется в высотных условиях, поэтому на заключительном этапе отработки необходимо проведение огневых испытаний с максимально возможным воспроизведением условий работы [3-5].
Моделирование условий высотной работы ракетного двигателя космического разгонного блока при проведении испытаний достигается в барокамере (вакуумной камере). Давление в барокамере может составлять 2-3 кПа и поддерживается на весь период испытаний постоянным.
В сопле происходит торможение сверхзвукового потока газа в системе косых скачков уплотнения, ко-
торое замыкается слабым прямым скачком. На практике при инженерных расчетах совокупность косых скачков заменяется одним сильным прямым скачком уплотнения [5].
Потери полного давления достигают 95...97 % в зависимости от степени расширения сопла камеры сгорания. Статическое давление газа при этом возрастает, температура газа также возрастает, приближаясь к температуре в камере сгорания. Если совокупность параметров (давление в КС, площади критического сечения и среза сопла) позволяет обеспечить безотрывное истечение в сопле, то реализуется штатный газодинамический и тепловой режимы. При истечении из камеры продуктов сгорания в атмосферу такой режим сохраняется до статического давления на срезе сопла 0,025...0,03 МПа. При уменьшении давления газов на срезе сопла скачки уплотнения заходят в него, вызывая перегрев вплоть до прогара в сверхзвуковой части. Поэтому необходимо осуществлять теплозащиту сопла в зоне скачка уплотнения.
Одним из таких средств является газодинамическая труба (ГДТ), которая используется на стенде В1Б. Газодинамическая труба является диффузором, предназначенным для торможения сверхзвуковой
Решетневскуе чтения. 2017
струи до дозвуковой с повышением статических давления и температуры. Ее эффективность определяется степенью сжатия П = РвыхГ / РвхГ. Несмотря на то, что
в статическое давление РвхГ преобразуется от 3 до 5 % полного давления (это связано с большими потерями в скачках уплотнения в ГДТ), степень сжатия составляет 50...70 %.
Основные испытания кислородно-водородных ЖРД осуществлялись на стенде, обеспечивающем имитацию высотных условий работы. Стенд с барокамерой (вакуумной камерой) и газодинамической трубой (ГДТ) предназначен для определения основных характеристик двигателя - энергетических, тепловых, газодинамических и прочностных. Изделие располагалось в барокамере горизонтально. На первом этапе стенд был оснащен тремя ГДТ, которые обеспечивали безотрывное истечение продуктов сгорания из основной камеры сгорания и двух рулевых камер сгорания. Давление в барокамере при этом поддерживалось на уровне 2-3 кПа в течение всего периода испытания, это позволяло минимизировать конвективный теплообмен двигателя с окружающей средой и приблизить его тепловое состояние к реальным условиям эксплуатации.
На стенде В1Б, отрабатывались следующие этапы работы двигателя:
- захолаживание полостей «О» и «Г» двигателя и последующая их заливка компонентами топлива;
- пусковые процессы при различных температурных условиях (подвод различного теплового потока к двигателю из окружающей среды за счет конвективного теплообмена);
- выведение двигателя на номинальный режим с последующим переходом на управление в соответствии с алгоритмами поддержания тяги (Рк) и соотношения расходов компонентов топлива при помощи рулевых проводов, изменяющих гидравлическое сопротивления дросселей регуляторов тяги и соотношения компонентов топлива.
Отработка режимов захолаживания и заливки внутренних полостей криогенного двигателя проводилось также на стенде В1 Б, в котором полость барокамеры отделялась от полости двигателя и ГДТ при помощи уплотнительных элементов их мест соединения со стенкой барокамеры. Во внутренней полости барокамеры при помощи эжектирования, а затем и вакуумирования создавалась необходимая степень (различная для серий испытаний) разряжения для имитации поступления в двигатель тепла из внешней среды. Перед началом захолаживания включались эжекторы за ГДТ и на магистралях сливов компонентов (отведение их паров), что обеспечивало практически штатное разряжение во внутренних полостях двигателя.
При проведении стендовых испытаний на высотном стенде с имитацией натурных условий эксплуатации двигателей отработаны пусковые процессы при различном температурном состоянии камеры двигателя, отработан процесс выведения двигателя на номинальный режим тяги с последующим переходом на
программное управление значениями тяги и соотношения компонентов топлива.
Отработан процесс многократного включения двигателей, проведены ресурсные испытания ЖРД с суммарным временем работы 2500 с (при штатном времени до 800 с), выполнена проверка динамических характеристик разгонного блока в дискретных положениях и отклонениях камеры двигателя.
Библиографические ссылки
1. Петрик В. А. Дерягин Ю. А., Пиунов В. Ю. Двигатели разгонных блоков разработки КБ Химмаш им. А. М. Исаева - филиала ФБУП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева // Двигатель. 2010. № 4 (70). С. 36-37.
2. Оптимизация конструктивных схем кислородно-водородных ЖРД разгонных блоков / В. Ю. Пиунов, В. П. Назаров, А. А. Зуев и др. // Решетневские чтения : материалы ХХ Юбилейной междунар. науч.-практич. конф. В 2 ч. Ч. 1 ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 212-213.
3. Яцуненко В. Г., Назаров В. П., Коломенцев А. И. Стендовые испытания жидкостных ракетных двигателей / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т ; Моск. авиац. ин-т. Красноярск, 2016. 248 с.
4. Проектирование испытательных стендов для экспериментальной отработки объектов ракетно-косми-ческой техники / А. Г. Галеев, Ю. В. Захаров, В. П. Макаров, В. В. Родченко. М. : Изд-во МАИ. 2014. 328 с.
5. Махин В. А., Миленко Н. П., Пронь Л. В. Теоретические основы экспериментальной отработки ЖРД. М. : Машиностроение, 1973. 284 с.
References
1. Petrik V. A.. Deryagin Yu. A., Piunov V. Yu. Engines boosters development KB Himmash them. A. M. Isaev - branch FBUP GKNPTS them. M. V. Khrunichev // The engine. 2010. № 4 (70). P. 36-37.
2. Piunov V. Yu., Nazarov V. P., Zuev A. A. Optimization of constructive schemes of oxygen-hydrogen LREs of upper stages // Reshetnevsky readings : materials of the 20th Jubilee International. scientific-practical. Conference. In 2 hours Part 1. Krasnoyarsk: SibSAU. 2016. P. 212-213.
3. Yatsunenko V. G., Nazarov V. P., Kolomentsev A. I. Stand testing of liquid rocket engines / Sib. state. aerospace. University ; Moscow. aviats. in-t. Krasnoyarsk, 2016. 248 p.
4. Design of test benches for experimental testing of rocket and space technology facilities / A. G. Galeev, Yu. V. Zakharov, V. P. Makarov, V. V. Rodchenko. M. : Izd-vo MAI. 2014. 328 p.
5. Makhin V. A., Milenko N. P., Pron L. V. Theoretical bases of experimental development of LPRE. M. : Mechanical Engineering, 1973. 284 p.
© Назаров В. П., Пиунов В. Ю., Толстопятов М. И., 2017
