Выбор и экспериментальные исследования электротермических микродвигателей с автономным нагревательным элементом с увеличенной тягой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

гателями для решения задач орбитального маневрирования малых космических аппаратов / В. Н. Блинов, Е. Б. Чарушина, В. В. Шалай // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : матер. шестой Всерос. науч. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова / Федерация космонавтики России [и др.]. — Омск, 2011. — С. 39 — 45.

2. Блинов, В. Н. Исследование динамики запуска электротермических микродвигателей на газообразном аммиаке / В. Н. Блинов, В. И. Рубан, В. В. Косицын // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VII Межд. науч.-техн. конф. — Омск, 2009. - С. 171-177.

3. Исследование параметров двигательной установки микротяги на аммиаке по результатам натурных испытаний / В. Н. Блинов [ и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2010. — № 2 (90). — С. 90-93.

4. Рабочие процессы скоростной высокотемпературной газификации жидкого аммиака в условиях глубокого вакуума при истечении через ограниченный объем : отчет по проекту № 2.1.2/7153 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2010 годы)» (заключ.) : 38 — 44 / Омский государственный технический университет ; рук. Блинов В. Н.; исполн. : Шалай В. В. [и др.]. — Омск, 2010. — 105 с.

БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, зам. главного конструктора ПО «Полет» — филиала ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хру-ничева.

ШАЛАИ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор Омского государственного технического университета.

ХОДОРЕВА Елена Викторовна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета.

ЧАРУШИНА Елена Борисовна, старший преподаватель кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 10.01.2012 г.

© В. Н. Блинов, В. В. Шалай, Е. В. Ходорева, Е. Б. Чарушина

УДК 629.764.001.76 в. Н. БЛИНОВ

В. В. ШАЛАЙ Е. В. ХОДОРЕВА

ПО «Полет» — филиал ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, г. Омск

Омский государственный технический университет

ВЫБОР

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ С АВТОНОМНЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ С УВЕЛИЧЕННОЙ ТЯГОЙ

Проведены выбор и представлены результаты экспериментальных исследований электротермических микродвигателей с тягой 0,04 Н, 0,05 Н с автономным нагревательным элементом.

Ключевые слова: электротермический микродвигатель, тяга, удельный импульс тяги.

Проведенные с участием авторов исследования электротермического микродвигатели (ЭТМД) с автономным нагревательным элементом касались ЭТМД с тягой 0,03 Н [1]. Требование по снижению времени орбитального маневрирования малых космических аппаратов выдвинуло актуальную задачу по выбору, созданию и экспериментальным исследованиям ЭТМД с повышенной тягой 0,04 Н, 0,05 Н [2].

В качестве метода выбора принципиальной схемы ЭТМД с автономным нагревательным элементом

повышенной тяги (0,04 Н, 0,05 Н) использован многокритериальный метод — метод структурного проектирования, согласно которому структура ЭТМД представлена в виде множества (рис. 1):

^этмд' ^к), (1)

где Бб — множество структурных параметров, формирующих базовую структуру, используемую для создания ЭТМД как с тягой 0,04 Н, так и для создания ЭТМД с тягой 0,05 Н;

— множество структурных параметров, формирующих различные комплектующие структуры, используемые совместно с базовой структурой для создания ЭТМД с тягой 0,04 Н, и для создания ЭТМД с тягой 0,05 Н.

Разработанный подход обеспечивает установку любых сопел: конических, профилированных, с различной геометрией критических сечений и срезов сопел. В качестве автономного нагревательного элемента использован трубчатый электронагреватель ТЭНУ8.0-5.0-6.0/0.060-Т-12 с двумя термопарами, соответствующий ГОСТ 3268-88 и ТУ 3443-00210841166-94.

Преимуществом данного ЭТМД является то, что он позволяет реализовывать «горячую» схему запуска, являющуюся более эффективной по сравнению с «холодной» схемой запуска.

Используя метод структурного проектирования, были созданы два экспериментальных образца ЭТМД с автономным нагревательным элементом с тягой 0,04 Н и 0,05 Н и проведены экспериментальные исследования в вакуумной установке на азоте (рис. 2, 3). Цели экспериментальных исследований:

— измерение расхода газа через ЭТМД и через сопла для определения давления в камере и определения гидравлических потерь;

— исследования температурных характеристик ЭТМД при различных расходах и потребляемой мощности.

Расход газа (азот) в экспериментах измерялся регулятором расхода газа компании ЛаИЪогд (США), подключенным в режиме массового расходомера.

Относительное давление газа на входе в ЭТМД и сопло измерялось в вакуумной камере с помощью прецизионного манометра, помещенного в вакуумную камеру. Полное давление газа определялось расчетным путем. Относительное давление газа на входе суммировалось с остаточным давлением газа в вакуумной камере, которое было рассчитано из условия установившегося давления при откачке газа при постоянном натекании в камеру, численно равном измеренному расходу газа в эксперименте.

Изменение расхода газа через ЭТМД с диаметром критического сечения сопла 1,4 мм приведен на рис. 4. На рис. 5 приведено изменение давления на входе в ЭТМД от расхода через ЭТМД с диаметром критического сечения 1,4 мм.

Изменение расхода газа через ЭТМД с диаметром критического сечения 1,52 мм приведен на рис. 6.

На рис. 7 приведено изменение давления на входе в ЭТМД от расхода через ЭТМД с диаметром критического сечения 1,5 мм.

Для ЭТМД с тягой 0,04 Н, диаметром критического сечения сопла 1,4 мм были получены следующие результаты (Траз — температура разогрева конструкции или газа, град. С, 1 ЭТМд — время работы (разогрева) ЭТМД, с):

— разогрев без газа, мощность 20,79 Вт: Т =

= 370 °С; 1 этмд=270 с;

— разогрев без газа, мощность 41,8 Вт: Т аз = = 800 °С; 1 ЭТМд = 380 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 29,58 мг/с, мощность 41,80 Вт: Траз = 680 °С; 1этмд = 500 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 29,58 мг/с, мощность 52,46 Вт: Траз = 720 °С;

1 =450 с;

этмд '

— выход на стационарную температуру, расход азота 29,58 мг/с, мощность 62,98 Вт: Траз = 810 °С; 1этмд=400 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 29,58 мг/с, мощность 68,6 Вт: Траз = 860 °С; 1этмд = 300 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 41,42 мг/с, мощность 68,6 Вт: Т =825 °С;

раз

1 =400 с;

этмд '

— выход на стационарную температуру, расход азота 50,29 мг/с, мощность 68,6 Вт: Траз = 800 °С; 1этмд 50 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 56,21 мг/с, мощность 68,6 Вт: Траз = 780 °С; 1этмд = 300 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 62,13 мг/с, мощность 68,6 Вт: Траз = 755 °С; 1этмд = 350 с.

Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,04 Н в зависимости от мощности нагрева при расходе азота 29,58 мг/с приведено на рис. 8.

Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,04 Н в зависимости от расхода азота при мощности нагрева двигателя 68,60 Вт приведено на рис. 9.

Для ЭТМД с тягой 0,05 Н, диаметром критического сечения сопла 1,52 мм были получены следующие результаты:

— разогрев без газа, мощность 20,79 Вт: Т аз = = 330 °С; 1 ЭТМд = 270 с;

— разогрев без газа, мощность 41,80 Вт: Т аз = = 580 °С; 1 ЭТМд = 230 с;

Базовая структура

3 4 5

Рис. 1. Схема ЭТМД с базовыми (2-5) и комплектующими (1) структурами с коническим

и профилированным соплами:

1 — сменные сопла; 2 — корпус внешний;

3 — корпус внутренний с газоводами в виде двухзаходной резьбы;

4 — формирователь газового потока; 5 — нагреватель

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

%

Рис. 2. Схема создания и установки в теплозащитном кожухе экспериментальных образцов ЭТМД с автономным нагревательным элементом с тягой 0,04 Н, 0,05 Н

Рис. 3. Установка ЭТМД в вакуумной камере (колпак камеры и теплозащитный кожух не показаны)

Рис. 4. Изменение расхода через ЭТМД с диаметром критического сечения 1,4 мм

Рис. 5. Изменение давления на входе в ЭТМД от расхода через ЭТМД с диаметром критического сечения 1,4 мм

70

60

50

40

30

20

10

0

Расход, мг/с

—И змер ени я

Д авл эни э,кП

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

Рис. 6. Изменение расход газа через ЭТМД с диаметром критического сечения сопла 1,52 мм

Рис. 7. Изменение давления на входе в ЭТМД от расхода через ЭТМД с диаметром критического сечения сопла 1,5 мм

азота

и™. =

азота

и™. =

азота ^ЭТМД ""

азота ^ЭТМД ""

азота

и™. =

выход

29.58 = 350 с; выход

29.58 300 с;

выход

29.58 350 с;

выход

29.58 300 с;

выход 41,42 200 с

на стационарную температуру, мг/с, мощность 41,80 Вт: Т =

' 1 ' раз

на стационарную температуру, мг/с, мощность 50,02 Вт: Траз =

на стационарную температуру, мг/с, мощность 59,85 Вт: Т =

раз

на стационарную температуру, мг/с, мощность 71,05 Вт: Траз =

на стационарную температуру, мг/с, мощность 71,05 Вт: Т =

раз

расход 570 °С;

расход 650 °С;

расход 750 °С;

расход 850 °С;

расход 820 °С;

— выход на стационарную температуру, расход азота 50,29 мг/с, мощность 71,05 Вт: Т =800 °С;

' ' 1 ' раз '

^ЭТМД 350 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 56,21 мг/с, мощность 71,05 Вт: Траз = 780 °С;

^ЭТМД 300 с;

— выход на стационарную температуру, расход азота 62,13 мг/с, мощность 71,05 Вт: Т =760 °С;

раз

^ЭТМД 300 с-

Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,05 Н в зависимости от мощности нагрева при расходе азота 29,58 мг/с приведено на рис. 10.

Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,05 Н в зависимости от расхода азота при мощности нагрева двигателя 71,05 Вт приведено на рис. 11.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Рис. 8. Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,04Н в зависимости от мощности нагрева при расходе азота 29,58 мг/с

Рис. 9. Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,04Н в зависимости от расхода азота при мощности нагрева двигателя 68,60 Вт

Рис. 10. Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,05Н в зависимости от мощности нагрева при расходе азота 29,58 мг/с

Рис. 11. Изменение стационарной температуры ЭТМД тягой 0,05Н в зависимости от расхода азота при мощности нагрева двигателя 71,05 Вт

Проведенные экспериментальные исследования показали, что для ЭТМД с тягой 0,04 Н, 0,05 Н могут быть получены высокие значения удельного импульса тяги, соответствующие нагреву газа до температур (800 — 850) °С, при энергопотреблении (68 — 71) Вт. Данные экспериментальные исследования будут использованы для разработки уточненной математической модели ЭТМД.

Библиографический список

1. Блинов, В. Н. Результаты испытаний электротермического микродвигателя с автономным нагревательным элементом / В. Н. Блинов, В. В. Косицын, В. И. Рубан // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : матер. пятой Всерос. науч. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клиныш-кова. — Омск, 2010. — С. 34 — 36.

2. Рабочие процессы скоростной высокотемпературной газификации жидкого аммиака в условиях глубокого вакуума при истечении через ограниченный объем: отчет по проекту № 2.1.2/10698 аналитической ведомственной целевой прог-

раммы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2011 годы)» (заключ.): 10—19 / Омский государственный технический университет ; рук. Блинов В. Н. ; исполн. : Шалай В. В. [и др.]. — Омск, 2010. — 139 с.

БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, зам. главного конструктора ПО «Полет» — филиала ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хру-ничева.

ШАЛАИ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор Омского государственного технического университета.

ХОДОРЕВА Елена Викторовна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Транс -порт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 10.01.2012 г.

© В. Н. Блинов, В. В. Шалай, Е. В. Ходорева

Книжная полка

Ломова, О. С. Точность обработки деталей на круглошлифовальных станках / О. С. Ломова, С. М. Ломов, А. П. Моргунов. - М. : Технология машиностроения, 2011. - 174 с. - ISBN 978-589882-015-2.

В книге излагаются вопросы обеспечения точности обработки деталей на круглошлифовальных станках. Основное внимание уделено теоретическому обоснованию закономерностей образования отклонения формы при шлифовании гладких цилиндрических прерывистых поверхностей деталей и ее роли в составе суммарной погрешности обработки, а также оценке влияния технологических факторов на отклонения точности размера и формы деталей. Представлено математическое моделирование формообразования поверхности детали при круглом врезном шлифовании и расчет радиального смещения оси детали при ее вращении в центрах станка. Предложены разработанные методы, устройства и приспособления, повышающие точность обработки гладких цилиндрических деталей, а также деталей с прерывистыми цилиндрическими поверхностями в центрах круглошлифовальных станков. Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников машиностроительных предприятий, научных организаций, вузов и может быть полезна студентам и аспирантам вузов машиностроительных специальностей.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ