книги / Проектирование и отработка ракетных двигателей на твёрдом топливе

Для имитации работы двигателя в высотных условиях применяют вакуумные стенды (барокамеры). Их приме-

нение объясняется тем, что высотный двигатель при испытаниях на земле дает совершенно искаженные характеристики. Например, сопло, рассчитанное на давление окружающей среды 0,01 МПА, при испытаниях в наземных условиях, при давлении 0,1 МПа, будет неработоспособным. В раструбе сопла возникнут скачки уплотнения, которые приведут к резкому увеличению потерь. Часть раструба сопла просто не будет работать, что приведет к уменьшению единичного импульса. В отдельных случаях, когда отрыва потока от стенок сопла не происходит, внешнее давление на стенки сопла становится больше давления внутри раструба сопла, что может привести к потере устойчивости и смятию стенок сопла. Такие же процессы будут происходить при работе системы отсечки тяги. Кроме того, давление окружающей среды влияет на величину тепловых потоков к заднему днищу двигателя, что будет влиять на его температуру. Для сопел ЖРД возникают дополнительные трудности. При переходе от высотных условий к наземным из-за разности процессов испарения остатков топлива меняется импульс последействия. Испытания двигателей, работающих в высотных условиях, проводятся в специальных вакуумных стендах, которые позволяют получить разрежение в камере, соответствующее работе двигателя на высоте до 70 км.

Схемы работы вакуумных стендов могут быть следующими:

Барокамера без отвода продуктов сгорания. Двига-

тель помещается в барокамеру, объем который значительно превышает объем двигателя. Барокамера закрывается, в ней создается пониженное давление, равное рабочему давлению на срезе сопла двигателя. Двигатель запускается и проводится его испытание. На этом стенде хорошо имитируется только начальный период работы двигателя, так как из-за притока продуктов сгорания от двигателя в барокамере происходит постоянный рост давления. Стенд простой и дешевый.

241

Применение эжекторных насадок, которые представляют собой кожух, надеваемый на заднюю часть двигателя и закрывающий все сопло. Открытая часть кожуха соосна с соплом. При работе двигателя его продукты сгорания, проходя через отверстие кожуха, увлекают за собой газ, находящийся в кожухе, и снижают в нем давление. Другими словами, сам двигатель создает разрежение за срезом сопла. При использовании этой схемы хорошо имитируется стационарный режим работы двигателя, но выход на режим и процесс спада проверить не удается, так как поток продуктов из сопла незначительный и разрежение в кожухе мало. Данную схему можно усовершенствовать, добавив еще один эжектор, который создает разрежение только на участке выхода двигателя на режим и спада. Второй эжектор включается только в начале и в конце работы двигателя. Достоинство этой схемы в том, что имитируется весь период работы двигателя. Недостаток – невозможность имитации узлов отсечки тяги.

Баростенд с предварительным разрежением. Из ба-

рокамеры откачивают весь газ до создания нужного давления. Соосно с соплом расположен диффузор, закрытый заглушкой. В момент запуска двигателя заглушка отстреливается, и далее диффузор работает как эжектор, препятствуя повышению давления в барокамере. Данная конструкция позволяет имитировать начальный и стационарный режимы работы двигателя, но на участке спада она совершенно неэффективна. Кроме того, данная схема не дает возможности проверить работу узлов отсечки тяги.

Все перечисленные схемы, несмотря на их простоту и доступность, не позволяют провести полное исследование работы всех узлов двигателя. Для достижения этой це-

ли применяют стенд с полным удалением газа [8, 9]. Дви-

гатель устанавливается в барокамеру, которая имеет отводную трубу с расположенными на ней холодильниками, через которые проходят продукты сгорания. Газ постоянно откачивается с помощью специального эжектора. У сопел узлов отсечки тяги устанавливаются патрубки с холодиль-

242

никами, также подсоединенные к эжектору. В течение всего времени работы двигателя в барокамере поддерживается заданное давление. Основная проблема этой конструкции – создание эжекторных насосов, способных откачать громадное количество газа. Например, чтобы провести имитацию работы двигателя с расходов продуктов сгорания 1 кг/с на высоте 50 км, необходимо откачивать 100 000 м3/с газа. Для уменьшения объема газов применяют холодильники. Охлаждение газа с 3000 К до 300 К уменьшает его объем в 8 10 раз. Для откачки газа применяют эжекторы с подачей газа от мощных РДТТ или ЖРД, включаемых одновременно с испытуемым двигателем. Более дешевый способ – паровые или водяные эжекторы, но затраты все еще остаются достаточно большими: одно испытание требует 360 т воды и источник энергии 10 МВт. Наиболее часто в эжекционных насосах используют турбореактивные двигатели, отработавшие свой летный ресурс.

6.5. Стапельное оборудование

Стапели (испытательные станки) служат для ори-

ентации и крепления двигателя на стенде и должны обеспечить замер всех параметров двигательной установки. Основные требования к стапелям [8, 9];

-конструкция стапеля должна обеспечивать необходимое число степеней свободы двигателя в направлении действия замеряемых сил;

-стапель должен обеспечивать минимальную погрешность измерения параметров двигателя (либо величина погрешности должна фиксироваться);

-сила трения в подвижных элементах системы должна быть минимальной;

-величина присоединенных к двигателю подвижных частей стапеля должна быть минимальной с целью уменьшения влияния инерционных сил на нестационарных участках работы двигателя;

243

- частота собственных колебаний подвижной системы стапеля должна быть в несколько раз выше, чем частота вибраций двигателя при его работе;

- характеристики стапеля должны быть постоянны в течение всего времени работы двигателя и не зависеть от условий окружающей среды;

-стапель должен обеспечивать быструю и удобную установку двигателя и стыковку всех линий для приборов системы измерений;

-стапель должен иметь простую конструкцию, дешевую в изготовлении и удобную при эксплуатации.

Различают две группы стапелей: стапели с мини-

мальным трением и с гибкой связью.

6.5.1. Стапели с минимальным трением

Существует несколько видов стапелей, обеспечивающих минимальное трение.

«Качалка» представляет собой стол с элементами крепления двигателя. Стол соединяется с помощью шарниров с вертикально расположенными штангами, которые с по-

увеличив длину штанг, но это ведет к уменьшению жесткости стапеля. Схема стапеля приведена на рис. 6.1. Данная конструкция стапеля с различными модификациями

244

применяется достаточно широко. Иногда штанги стапеля устанавливают над двигателем и крепят их к потолку стенда.

«Люнеты». Данный стапель широко используют для испытаний РДТТ. На стол стапеля устанавливаются узлы крепления двигателя, выполненные в виде люнетов. В опоры люнетов вставлены шарикоподшипники, обеспечивающие свободу осевого перемещения двигателя. Схема стапеля приведена на рис. 6.2. Недостатки стапеля: трудность совмещения оси двигателя с осью датчика и обеспечения перпендикулярности к упорной плите, невозможность испытывать двигатели с малой жесткостью корпуса, так как подшипники могут деформировать корпус. Достоинством конструкции является простота устройства и монтажа на стенде.

Рис. 6.2. Схема испытания двигателя в «люнетах»: 1 – корпус стапеля; 2 – двигатель; 3 – люнеты; 4 – упорная плита

Стапель кареточного типа (тележка) представляет собой стол с закрепленным на нем двигателем, упирающимся в упорную плиту. Стол установлен на тележки, каждая из которых имеет одну или две колесных пары, которые двигаются по рельсам или специальным направляющим. Схема стапеля приведена на рис. 6.3. Недостатком стапеля является возможность заклинивания тележек на направляющих при появлении эксцентриситета силы тяги двига-

245

теля. Достоинство конструкции в ее простоте и удобстве эксплуатации. Стапель обычно применяют для крупногабаритных РДТТ.

Рис. 6.3. Схема стапеля кареточного типа: 1 – направляющие; 2 – тележка; 3 – двигатель; 4 – упорная плита

Стапель на шаровых опорах является разновидно-

стью кареточного стапеля. Вместо тележек сделаны шаровые опоры, которые могут свободно перекатываться по прямолинейным направляющим, профиль которых в поперечном сечении выполнен по окружности. Это полностью исключает заклинивание при возникновении эксцентриситета тяги. Однако у этого стапеля велика присоединенная масса, поскольку для обеспечения работоспособности опор нужны жесткие направляющие. А это ведет к увеличению массы стола. Схема стапеля приведена на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Схема стапеля на шаровых опорах: 1 – направляющие; 2 – шаровые опоры; 3 – двигатель; 4 – упорная плита

246

Стапели на шатунных (или ножевых) опорах имеют подвижную раму (стол), на которую крепится двигатель. Подвижная рама стоит на призмах (ножах), которые жестко укреплены в нижней части штанг (шатунов). В верхней части штанг также укреплены призмы, которые опираются на неподвижную раму, которая, в свою очередь, жестко крепится к полу стенда. Схема стапеля приведена на рис. 6.5. Недостатком стапеля является необходимость его тарировки перед каждым испытанием. Кроме того, грани призм находятся под большой нагрузкой, что ведет их к быстрому износу и увеличению моментов трения в опорах. Обычно их используют для небольших двигателей. Иногда призмы заменяют подшипниками, тогда этот тип стапелей называют стапелями на шатунных опорах.

Рис. 6.5. Схема стапеля на ножевых опорах: 1 – подвижная рама; 2 – шатуны; 3 – ножи; 4 – неподвижная рама; 5 – двигатель; 6 – упорная плита

Плитовые стапели обеспечивают жесткое крепление двигателя с упорной плитой посредством датчиков тяги (чаще всего используют три датчика). Схема стапеля приведена на рис. 6.6. Достоинством стапеля являются его малые габариты и вес. Измерение силы тяги можно проводить без систематических тарировок в широком частотном диапазоне, так как конструкция стапеля жесткая. На этом стапеле можно определить точку приложения и направление

247

таток заключается в малой жесткости системы в плоскости, перпендикулярной оси двигателя. Это означает, что при малейшем эксцентриситете тяги двигатель начинает колебаться вместе с подвижными частями люлек. На стапель ставят ограничители поперечного перемещения двигателя, но это создает дополнительные потери при замере тяги.

Стапель на растяжках. Переднее днище двигателя крепится к датчику тяги, который, в свою очередь, крепится к упорной плите. Заднее днище закрепляется посредством бандажа с помощью 4 упругих тросов, каждый из которых имеет регулировку длины, к ферме. Схема стапеля приведена на рис. 6.8. Достоинства стапеля заключаются в том, что погрешности, вносимые в измерения силы тяги,

Рис. 6.8. Схема стапеля на растяжках: 1 – ферма; 2 – двигатель; 3 – датчик тяги; 4 – бандаж; 5 – тросы; 6 – упорная плита

очень малы, конструкция стапеля очень проста. Недостатки стапеля достаточно существенны: трудность эксплуатации, так как сложно обеспечить перпендикулярность оси двигателя к упорной плите, очень трудоемок процесс установки двигателя на стенде. Кроме того, двигатель фактически висит на датчике тяги, а это может нарушить его работоспособность.

6.5.3. Специальные стапели

Специальные стапели применяются в тех случаях, когда компоновка двигателя имеет отличия от обычных схем. Таких конструкций достаточно много, приведем неко-

249

теля, когда ось сопла совпадает с осью датчика, может быть достигнуто с помощью специального подъемника. Таким образом, можно экспериментальным путем определить по-

пель. Замена типа стапеля при отработке двигателя не допускается, так как каждый стапель имеет свою погрешность и замена стапеля может привести к потере однородности наблюдаемой выборочной совокупности. Основной характеристикой стапеля является величина погрешности, кото-

250