способ измерения импульса силы тяги ракетного двигателя и стенд для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения импульса силы тяги ракетного двигателя с помощью первичного преобразователя, заключающийся в измерении воздействия ракетного двигателя на первичный преобразователь, отличающийся тем, что воздействие на первичный преобразователь осуществляют через продольный фрикцион, а после окончания работы ракетного двигателя измеряют перемещение фрикциона относительно первоначального положения, соответствующее моменту превышения усилия воздействия ракетного двигателя номинального значения первичного преобразователя, а величину импульса силы тяги I_R ракетного двигателя определяют из соотношения



где I_пп измеренное с помощью первичного преобразователя воздействие ракетного двигателя, соответствующее интегральному значению импульса силы тяги;

M масса подвижных частей, перемещающихся относительно неподвижной части фрикциона;

F_тр усилие трения фрикциона, соответствующее номинальному значению первичного преобразователя;

L величина продольного перемещения фрикциона относительно первоначального положения.

2. Стенд для определения импульса силы тяги ракетного двигателя, содержащий опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором, и элементы крепления испытуемого ракетного двигателя, отличающийся тем, что в него введены продольный фрикцион двустороннего действия, установленный между опорой и испытуемым ракетным двигателем, и устройство измерения продольного перемещения фрикциона.

3. Стенд по п.2, отличающийся тем, что продольный фрикцион установлен между испытуемым ракетным двигателем и первичным преобразователем и выполнен в виде цанги, внутри которой установлен с возможностью контакта по наружной поверхности шток, а устройство измерения продольного перемещения фрикциона выполнено в виде нанесенных на штоке мерных делений.

4. Стенд по п.2, отличающийся тем, что продольный фрикцион выполнен в виде поршня, установленного с возможностью контакта по наружной поверхности с цилиндрической направляющей, а зона контактирования выполнена из фрикционного материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытаниям ракетных двигателей, а конкретно, к способам и устройствам для измерения импульса силы тяги ракетного двигателя.

Известно устройство для измерения реактивной силы (силы тяги) и ее импульса [1] Измерение реактивной силы во времени регистрируется путем записи показаний пружинного динамометра на вращающемся барабане. Импульс реактивной силы (силы тяги) вычисляется графически интегрированием кривой R=R(). В данном устройстве реализован способ измерения импульса силы тяги, включающий измерение силы тяги с последующим интегрированием диаграммы. Вследствие низкой собственной частоты динамометра кривая записи силы тяги имеет волнообразный характер, что усложняет процесс обработки и уменьшает точность определения импульса. Кроме того, использование для измерения силы пружинного динамометра не обеспечивает автоматизации процесса измерения и обработки результатов испытаний, характерных для современного уровня техники, что также снижает точность определения импульса силы тяги и не обеспечивает современных требований оперативности обработки.

В последнее время широкое распространение для измерения силы тяги ракетных двигателей получили электрические первичные преобразователи усилия (датчики): тензометрические, вибрационно-частотные, пьезоэлектрические. Наибольшее распространение для измерения силы тяги ракетных двигателей и ее импульса получили тензометрические преобразователи. Известен тензометрический преобразователь усилия [2] в котором в качестве чувствительного элемента применено кольцо с наклеенными на него тензометрами. Использование этого первичного преобразователя усилия в вышерассмотренном устройстве для измерения импульса силы тяги [1] вместо пружинного динамоментра обеспечивает возможность автоматизации процессов измерений и обработки результатов измерений, что позволяет более точно определять импульс силы тяги ракетного двигателя.

Однако при проведении огневых стендовых испытаний в результате динамического изменения силы в момент запуска двигателя и выхода его на режим в системе первичный преобразователь элементы крепления испытуемый двигатель возбуждаются слабо затухающие собственные механические колебания. Инерционные перегрузки, возникающие при колебаниях, передаются на первичный преобразователь и воспринимаются им, складываясь с измеряемой силой тяги. Амплитуда колебаний нередко соизмерима со значением измеряемой силы тяги и время затухания колебаний достигает нескольких секунд. Колебания искажают картину процесса и оказывают влияние на работу испытуемого двигателя. Кроме того, срабатывание воспламенителя в ракетном двигателе с вкладным зарядом твердого топлива (вкладной шашкой) приводит к резким перемещениям шашки в камере двигателя, удару шашки по днищу двигателя, отскоку с последующим ударом по противоположному днищу. В результате этих ударов первичный преобразователь стенда воспринимает кратковременные усилия, величина которых может значительно (на порядок) превышать значения силы тяги на установившемся режиме работы двигателя. У ракетных двигателей артиллерийских активно-реактивных снарядов сила тяги на установившемся режиме составляет несколько десятков килограмм, а в момент вскрытия сопловой заглушки (достаточно массивной, так как она должна выдерживать значительные давления от метательного заряда в стволе орудия) возникает кратковременное усилие, величина которого может превышать на порядок значение силы тяги на установившемся режиме. Таким образом, в процессе выхода двигателя на режим (в моменты срабатывания воспламенителя и вскрытия сопловой заглушки) на первичный преобразователь стенда воздействует кратковременные всплески силы (удары), значительно превосходящие (иногда на порядок и выше) по величине значения силы тяги на установившемся режиме. Если номинальное значение первичного преобразователя выбрано по величине значения силы тяги на установившемся режиме, то в процессе выхода двигателя на режим от воздействия кратковременных ударов, существенно превосходящих номинальное значение преобразователя, последний выходит из строя и не позволяет измерить силу тяги на установившемся режиме и определить импульс тяги ракетного двигателя. Если же номинальное значение первичного преобразователя выбирается по величине всплесков силы в процессе выхода двигателя на режим, то необоснованно загрубляется точность измерения силы тяги на установившемся режиме, а следовательно, не обеспечивается требуемая точность определения импульса силы тяги.

Таким образом, вышерассмотренные стенд и реализованный в нем способ измерения импульса силы тяги ракетного двигателя, выбранные в качестве прототипа изобретения, не обеспечивают точности измерения, требуемой в настоящее время.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения импульса силы тяги ракетного двигателя.

Задача решается тем, что в способе измерения импульса силы тяги ракетного двигателя с помощью первичного преобразователя, включающем измерение воздействия двигателя на первичный преобразователь, воздействие на первичный преобразователь осуществляют через продольный фрикцион, а после окончания работы ракетного двигателя измеряют перемещение фрикциона относительно первоначального положения, соответствующее моменту превышения усилия воздействия ракетного двигателя номинального значения первичного преобразователя, а величину импульса силы тяги I_R ракетного двигателя определяют соотношением:



где I_пп интегральное значение импульса силы тяги, измеренное с помощью первичного преобразователя воздействие ракетного двигателя;

M масса подвижных частей, перемещающихся относительно неподвижной части фрикциона;

F_тр усилие трения фрикциона, соответствующее номинальному значению первичного преобразователя;

L величина продольного перемещения фрикциона относительно первоначального положения.

Способ реализуется стендом, включающим опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором, и элементы крепления испытуемого двигателя, в которой введены продольный фрикцион двухстороннего действия, установленный между опорой и испытуемым двигателем, и устройство измерения продольного перемещения фрикциона. Фрикцион может быть выполнен, например, в виде цанги, охватывающей шток и контактирующей с ним по наружной поверхности, установлен между испытуемым ракетным двигателем и первичным преобразователем, а устройство измерения продольного перемещения фрикциона выполнено в виде мерных делений, нанесенных на штоке. И кроме того, фрикцион может быть выполнен в виде поршня, контактирующего по наружной поверхности с цилиндрической направляющей, при этом зона контактирования выполнена из фрикционного материала.

На фиг. 1 представлена схема стенда; на фиг.2 конструктивное выполнение фрикциона в стенде, выполненном согласно п.3 формулы изобретения; на фиг.3 схематично представлена кривая R_тяги= R(), пунктиром показан заброс силы в момент вскрытия заглушки ракетного двигателя артиллерийского активно-реактивного снаряда.

Стенд включает опору 1, первичный преобразователь усилия 2 (датчик) и элементы крепления испытуемого двигателя 3, включающие, например, хвостовик 4 и опорные ролики 5. Продольный фрикцион двухстороннего действия 6 выполнен, например, в виде цанги 7, охватывающей шток 8 и контактирующей с ним по наружной поверхности 9. Усилие трения в фрикционе 6 регулируется с помощью пружины 10 и гайки 11. Передача усилия от гайки 11 на пружину 10 и от последней на цангу 7 осуществляется через втулку 12 и 13 соответственно. Крепление фрикциона к первичному преобразователю 2 осуществляется через переходную резьбовую втулку 14, а к испытуемому двигателю 3 с помощью резьбового хвостовика 15. Гайка 16 и буртик 17 хвостовика 15 выполняют роль упоров-ограничителей хода фрикциона. Фрикцион двухстороннего действия означает, что он выполняет свою функцию как в прямом направлении (в направлении действия силы тяги), так и в противоположном. Это обусловлено тем, что в момент срабатывания воспламенителя от перемещения вкладной топливной шашки и ударов ее о днище двигателя, на фрикцион воздействует знакопеременные удары.

Первичный преобразователь 2 электрически соединен с регистратором 20 через усилитель (тензомерическую станцию) 18 непосредственно либо через магнитограф 19. Если в конструкции первичного преобразователя 2 предусмотрен усилитель, то первичный преобразователь соединяется с регистром 20 напрямую. В качестве регистратора 20 используется измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) на базе компьютера IBM PC. Мерные деления на штоке обозначены цифрой 21.

Реализацию способа измерения импульса силы тяги ракетного двигателя рассмотрим на примере работы стенда.

Цангу 7 фрикциона 6 устанавливают в промежуточное положение на штоке 8, обеспечивая тем самым работу фрикциона в двух направлениях.

С помощью гайки 11, сжимая пружину 10, настраивают фрикцион 6 таким образом, чтобы усилие трения в нем не превышало номинального значения первичного преобразователя 2 и было бы не менее ожидаемого значения силы тяги на установившемся режиме работы двигателя. Наилучший результат настройки фрикциона, когда усилие трения в нем равно номинальному значению первичного преобразователя, так как в этом случае используется весь диапазон первичного преобразователя. Усилие трения в фрикционе проверяется, например, с помощью динамометра разрывной машины. При расчете и проектировании конструкции фрикциона длину его рабочей части определяют из условия гашения импульса силы, обусловленного вскрытием заглушки двигателя артиллерийского активно-реактивного снаряда (точки АВС пунктиром на кривой фиг.3), определяемого расчетом или экспериментально. На опоре 1 устанавливают первичный преобразователь 2, фрикцион 6 и испытуемый двигатель 3. Настраивает первичный преобразователь с регистрирующей аппаратурой. Подают импульс на инициатор ракетного двигателя через систему синхронизации с регистрирующей аппаратурой и осуществляют прожиг двигателя. В процессе работы двигателя он воздействует на первичный преобразователь 2, сигнал с которого поступает через тензостанцию 18 на регистратор 20 (измерительно-вычислительный комплекс на базе компьютера IBM PC), который регистрирует и интегрирует кривую R=R(), показанную на фиг.3 и проходящую через точки ОАСДЕ и определяют значение импульса. В моменты, когда усилие, воздействующее на первичный преобразователь через фрикцион 6, превышает усилие трения фрикциона (номинальное значение первичного преобразователя), цанга 7 проскальзывает по штоку 8 до тех пор, пока усилие, воздействующее на первичный преобразователь 2, не уменьшится до усилия, на которое настроен фрикцион. Усилия от ракетного двигателя, не превышающие номинального значения преобразователя 2, передаются через трение в фрикционе 6. Таким образом, на первичный преобразователь 2 в течение всего времени работы двигателя воздействуют усилия, не превышающие его номинального значения и, следовательно, первичный преобразователь не выходит из строя. После окончания работы двигателя по мерным делением на штоке 8 измеряют перемещение фрикциона 6 (цанги 7 относительно штока 8) и определяют величину импульса силы тяги ракетного двигателя по соотношению: . Выражение под корнем в этом соотношении характеризует импульс от кратковременной силы (площадь под кривой по точкам ABC), существенно превосходящей номинальное значение первичного преобразователя и действующей, например, в момент вскрытия сопловой заглушки двигателя активно-реактивного снаряда. Это выражение получено из условий равенства импульса кратковременной силы произведению массы подвижных частей, перемещающихся относительно неподвижной части фрикциона на скорость их перемещения и равенства кинетической энергии подвижных частей работе силы трения фрикциона на пути L.

Кроме того, введение фрикциона в стенд обеспечивает быстрое затухание и уменьшение амплитуды колебаний в системе опора-первичный преобразователь-фрикцион-испытуемый двигатель, обусловленных динамическим изменением силы в процессе выхода двигателя на режим, что также повышает точность измерения импульса силы тяги.

Таким образом, данные способ и стенд для его реализации позволяют повысить точность измерения силы тяги и ее импульса за счет возможности использования более чувствительного первичного преобразователя и сохранения его в моменты, когда усилие воздействия испытуемого двигателя превышает номинальное значение первичного преобразователя.