Совершенствование системы измерения тяги Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

УДК 621.454.2

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЯГИ

А. В. Веселов, А. В. Веселова Научный руководитель - В. П. Назаров

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: Veselov.andrey2009@yandex. ru

Рассматриваются вопросы совершенствования методики и средств измерения тяги на испытательных стендах ЖРД. Изучены существующие методики, проанализированы недостатки и предложена возможность введения тензометрических датчиков силы.

Ключевые слова: испытательные стенды ЖРД, измерение тяги.

IMPROVING THE SYSTEM OF MEASURING THRUST

A. V. Veselov, A. V. Veselova Scientific Supervisor - V. P. Nazarov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Veselov.andrey2009@yandex. ru

Discusses the development of methods and means of measuring thrust on a rocket engine test stands. Studied existing techniques, analyzed the deficiencies and proposed the possibility of introducing a strain-gauge force sensors.

Keywords: rocket engine test stands, measuring rod.

Важнейшей задачей при испытании изделий ракетно-космической техники является обеспечение качества, надежности функционирования и получение точной информации о состоянии испытываемого изделия. Жидкостный ракетный двигатель представляет собой изделие, работающее в условиях больших давлений, температур, инерционных и динамических нагрузок [1]. Тяга является одним из важнейших параметров жидкостного ракетного двигателя, по которым оценивается его характеристики, поэтому определение тяги в зависимости от различных режимных и эксплуатационных факторов является основной задачей испытаний. Тяга ЖРД это параметр нулевой категории и погрешность при ее определении не должна превышать 0,5 %.

Испытания ракетных двигателей осуществляются на специально оснащенных испытательных комплексах. Испытательные комплексы состоят из стендов для установки двигателей; наблюдательных бункеров, из которых осуществляется управление процессом испытаний; емкостей для хранения компонентов топлива; химических, измерительных, вычислительных и других лабораторий; производственных и приборных мастерских, монтажных помещений для проведения работ с двигателем до и после испытания; различных энергетических систем для обеспечения стендов и производственных служб водой, паром, воздухом и инертными газами высокого давления; административных и бытовых помещений, а также вспомогательных служб.

Основным помещением стенда является бокс (огневой отсек), расположенный консольно по отношению к корпусу стенда. В огневом отсеке двигатель монтируется к раме тягоизмери-тельного устройства. Над огневым отсеком расположена система измерения и тарировки тяги двигателя. Усилие передается на рамы двигателя посредством вертикальных штанг, проходящих через окно в потолке огневого бокса. В верхней части стенда расположены отсеки горючего и окислителя, в которых размещаются топливные расходные баки с системами термостатирования, системы питания двигателя топливом, рядом находятся баллоны со сжатым газом для наддува

Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»

топливных баков. Для обеспечения гидродинамического подобия в отсеке тягоизмерительного устройства расположены взаимоизолированные разделительные емкости [2].

Ниже нулевой отметки размещены дополнительные топливные баки, предназначенные для обеспечения возможности проведения опытных работ на новых, более перспективных компонентах.

К сожалению, прямое измерение тяги не всегда бывает возможным, что связано с тем, что в земных стендовых условиях не обеспечивается полное расширение в сверхзвуковом сопле двигателя. Поэтому часто тягу для расчетной высоты определяют косвенным методом по формуле

Р = кр РкРкр,

где Fкр - площадь критического сечения камеры ЖРД определяется предварительным измерением в процессе изготовления; рк - давление в камере сгорания измеряется в процессе испытаний, а коэффициент тяги кр для всех двигателей данного типа принимается постоянным и равным кРэ, найденному по результатам разовых экспериментов на высотных стендах. В этом случае, если по результатам предварительных продувок известен коэффициент фс, то кРэ можно найти из выражения

крэ = ФС крт,

где крт - теоретическое значение коэффициента тяги, найденное расчетным путем.

Для прямого измерения тяги испытательные стенды оборудуются специальными тягоизме-рительными устройствами, состоящими из станка, измерительной и тарировочной системы. Станок состоит из двух основных элементов: неподвижной станины и рамы, к которой крепится испытываемый двигатель. Рама, которая может быть подвижной или не подвижной, воспринимает тягу и передает ее на измерительное устройство и станину [3].

Измерительное устройство состоит преобразователя тяги в электрический сигнал, передающего его на аналого-цифровой преобразователь. Преобразователь тяги представляет собой упругий элемент, преобразующий перемещения в электрический сигнал.

Основным недостатком существующей конструкции преобразователя тяги является трудоемкость процесса градуировки.

При градуировке преобразователь тяги через систему рычагов нагружается съемным набором гирей значительной массы. Максимальная нагрузка должна превышать максимальную тягу на 10 %. В системе рычагов действуют значительные усилия, на поверхностях контакта рычагов (призмы и подушки) напряжения вызывают износ материала и изменение коэффициента преобразования усилий. Градуировка проводится непосредственно перед каждым испытанием ЖРД по нескольким повторяющимся ступеням последовательного навешивания возрастающих и умень-шаюших масс. Разница показаний силоизмерителя на одноименных ступенях не должна превышать 0,5 % от максимального значения тяги. По результатам градуировки строят график, принимая в расчет средние показания при нагрузке и разгрузке. Установка и снятие гирей производится работниками вручную, что требует значительных физических усилий и затрат времени.

Для облегчения, ускорения и повышения точности процесса градуировки тягоизмеритель-ного устройства предлагается заменить систему рычагов и нагружение гирями на гидравлический привод с тензометрическими или пьезометрическими преобразователями. Управление такой системой может осуществляться дистанционно из пультовой.

Библиографические ссылки

1. Технология производства жидкостных ракетных двигателей : учебник / В. А. Моисеев, В. А. Тарасов, В. А. Колмыков и др. ; под ред. В. А. Моисеева и В. А. Тарасова. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 381 с.

2. Яцуненко В. Г., Назаров В. П., Коломенцев А. И. Стендовые испытания ЖРД : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т ; Моск. авиац. ин-т. Красноярск, 2016. 245 с.

3. 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.

© Веселов А. В., Веселова А. В., 2017