Спосіб напівнатурного моделювання роботи ракетного двигуна твердого палива

Реферат: Спосіб напівнатурного моделювання роботи ракетного двигуна твердого палива складається зі спалювання заряду малої маси в камері згоряння великого розміру, заповненій для створення невеликого тиску і великої кількості вільних електронів нітрозними газами, радіометричних вимірювань через антенне вікно в передньому днищі, виконане з термічнотривкої радіопрозорої кераміки. З метою оцінювання достатньої розвинутості внутрішньої поверхні каналу заряду, через антенне вікно гази продуктів згоряння опромінюються радіохвилями, промодульованими імпульсами, частота яких відповідає максимальній ефективності впливу нестаціонарного теплового випромінювання на процес горіння, і реакція на підвищення швидкості горіння контролюється по повороту полум'я на зрізі сопла. UA 99129 U (12) UA 99129 U UA 99129 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до способів моделювання горіння твердого ракетного палива (далі -ТРП) і призначена для оцінювання достатності променистого теплообміну в каналі заряду ТРП на етапі проведення вогневих стендових випробувань. Відомий спосіб моделювання горіння заряду ТРП у бомбі Кроуфорда [Сарнер С "Хімія ракетних палив": пер. з англ. - М.: Світ, 1969.-488 с.]. У такий спосіб зразки палив спалюються у замкненому об'ємі, де штучно підвищується тиск і вимірюється лінійна швидкість горіння зразка. Для цього зразки палив бронюються таким чином, щоб вони могли горіти тільки по одній поверхні (як цигарка). Через зразок проводяться тонкі дроти з легкоплавкого металу на точно визначених відстанях один від іншого. Дроти з'єднані з електричним відмітчиком часу. Зразок встановлюється в закритій бомбі, в якій створюється тиск за допомогою газоподібного азоту. Спалах здійснюється дротом електрозапальника, розташованого біля торця зразка. Швидкість горіння визначається по відстані між дротами, з'єднаними з відмітчиком часу і періоду часу між їх розплавленням. Тиск в процесі горіння остається практично постійним, оскільки бомба з'єднується з резервуаром великої ємності. Зразки можна спалювати при різних заданих значеннях тиску, що регулюються шляхом зміни тиску азоту, що заповнює бомбу. Недоліком даного способу моделювання є те що, він не дозволяє виявити і оцінити променисту складову термодинамічного процесу в каналі частини справжнього заряду ракетного двигуна твердого палива (далі РДТП). Заряд горить лише з торця в той час, коли випромінення газів продуктів згоряння відбувається у всьому об'ємі, що заповнює канал заряду - камеру згоряння (далі КЗ). Тобто для моделювання канальних зарядів, що горять по внутрішній поверхні цей спосіб непридатний. Стале горіння зразка (а не заряду) ТРП забезпечується підвищеним тиском в КЗ - бомбі Кроуфорда, що унеможливлює оцінку достатності променистого теплообміну при горінні пороху, що повільно горить, для якого променистий теплообмін має велике значення, і вплив променистого теплообміну на стале горіння. При цьому вплив на процес горіння за рахунок підвищення або зменшення тиску азоту перед початком випробувань ніяк не пов'язаний з променистим теплообміном. Аналогічним шляхом відбувається принципове визначення швидкості горіння зразків твердого ракетного палива у винаходах, що захищені патентами на винахід Російської Федерації: 2494275, МПК 9/96. Способ определения скорости горения ТРТ/ Милехин Ю.М., Гусев С.А., Ключников А.Н., Федорычев, Калашников В.И., Мишкин И.Р.; заявитель и патентообладатель Федеральный центр двойных технологий "Союз".-2011148492/06; заявл.30.11.2011г.; опубл.27.09.2013 г.; 2505699, МПК 9/96. Способ определения скорости горения ТРТ/ Милехин Ю.М., Ключников А.Н., Федорычев, Мишкин И.Р., Якимцев И.В.; заявитель и патентообладатель Федеральный центр двойных технологий "Союз".-2012145443/06; заявл.26.10.2012г.; опубл.27.01.2014 г.; 2267636 МПК 9/96. Способ определения скорости горения ТРТ/ Бабаков Ю.П., Гамий В.А., Калашников В.И., Куренков B.C., Милехин Ю.М.; заявитель и патентообладатель Федеральный центр двойных технологий "Союз".-2004118291/06; заявл. 18.06.2004г.; опубл. 10.01.2006 г. Найбільш близьким по своїй технічній суті (прототипом) є застосування радіометричної системи вимірювання розпалу каналу заряду у винаході "Система измерения площади поверхности горения в канале заряда ракетного двигателя твердого топлива" за позитивним рішенням Державного патентного відомства Росії від 12.10.1992 р. по заяві на винахід № 5101557/23(00948) з датою подання 9.07.1992 р. (охоронний документ відсутній). При цьому способі вимірюється рівень радіаційної температури і, відповідно, рівень об'ємного теплового випромінення в КЗ РДТП, за змінами якого розраховують швидкість горіння заряду ТРП. Але визначений таким чином рівень об'ємного теплового випромінення є характеристикою газів продуктів згоряння, а не внутрішньої поверхні каналу заряду, що сприймає випромінення. При оцінюванні достатності променистого теплообміну в такий спосіб потрібні порівняльні випробування декількох зарядів з різною формою поперечного перерізу КЗ. Крім того, існують способи, що запатентовані як установки для визначення швидкості горіння ТРП за допомогою надвисокочастотних (далі - НВЧ) сенсорів у патентах на винаходи Російської Федерації: 2167327, МПК F02K 9/08. Установка для определения скорости горения твёрдого ракетного топлива/ Бабаков Ю.П., Калашников В.И., Ключников А.Н., Милехин Ю.М.; заявитель и патентообладатель Федеральный центр двойных технологий "Союз".-2000122341/06; заявл. 25.08.2000; опубл. 20.05.2001г.; 2194874, МПК F02K 9/08. Установка для определения скорости горения твёрдого ракетного топлива/ Бабаков Ю.П., Калашников В.И., Ключников А.Н., Милехин Ю.М.; заявитель и патентообладатель Федеральный центр двойных технологий "Союз".-2001105754/06; заявл. 01.03.2001г., опубл.20.12.2002г.; 1 UA 99129 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2188963, МПК F02K 9/08. Установка для определения скорости горения твёрдого ракетного топлива в напряженно-деформированном состоянии/ Бабаков Ю.П., Калашников В.П., Ключников А.Н., Милехин Ю.М.; заявитель и патентообладатель Федеральный центр двойных технологий "Союз".-2001119118/06; заявл. 12.07.2001г.; опубл. 10.09.2002г. В цих технічних рішеннях випробуються зразки палива з торцевим горінням у той час як до іншого торця підведено антенно-хвилевидний пристрій НВЧ-сенсора, який випромінює і приймає електромагнітні хвилі, віддзеркалені від поверхні горіння. Частково ці хвилі проходять далі і поглинаються наповнювачем. Складення падаючих і віддзеркалених НВЧ-хвиль призводить до появи інтерференційних коливань, що реєструються НВЧ-сенсором і записуються на осцилограму. Швидкість горіння зразка визначається як довжина зразка поділена на кількість коливань і потім поділена на проміжок часу між цими коливаннями. Недоліком цього методу є також випробування лише зразків, що горять з торця і неможливість оцінка достатності розвинення внутрішньої поверхні горіння - тобто поверхні променистого теплообміну. Загальними суттєвими ознаками прототипу і запропонованої корисної моделі є зміщення термодинамічної рівноваги променистого теплообміну в КЗ РДТП шляхом опромінення газів продуктів згоряння радіохвилями промодульованими імпульсами, частота яких відповідає максимальній ефективності впливу нестаціонарного теплового випромінювання на процес горіння. Спосіб напівнатурного моделювання роботи РДТП складається із спалювання заряду малої маси в КЗ великого розміру, заповненій для створення невеликого тиску і великої кількості вільних електронів нітрозними газами, періодичних радіометричних вимірювань через антенне вікно в передньому днищі, виконане з термічнотривкої радіопрозорої кераміки з метою контролю концентрації електронів, перемикань антенного пристрою на радіопередавач і опромінення газів продуктів згоряння. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено задачу створення способу моделювання роботи ракетного двигуна твердого палива з визначенням достатності розвинутості внутрішньої поверхні каналу заряду, що є поверхнею надходження або променистого теплообміну із системою постійного контролю концентрації електронів. Необхідність контролю концентрації електронів обумовлена існуванням критичної концентрації електронів, яка не дозволяє радіовипромінюванню проходити до камери згоряння - "відсікає" випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що продукти згоряння опромінюються радіохвилями довжиною приблизно 10 см, промодульованими імпульсами, частота яких перебільшує 700 Гц. Опромінення відбувається через вирізаний в центрі переднього днища модельного РДТП отвір антенне вікно, заповнене термотривкою радіопрозорою керамікою, наприклад - нітридом бору. До антенного вікна зовні підведена антенна система радіометричного контролю каналу заряду РДТП. Між виходом антени і входом системи радіометричного контролю в схемі розташований антенний перемикач, що розв'язує вхід радіометричної системи із виходом радіопередавача приблизно 10 см діапазону, який діє через вищезгадану антену. Через антенне вікно гази продуктів згоряння опромінюються радіохвилями, промодульованими імпульсами, частота яких відповідає максимальній ефективності впливу нестаціонарного теплового випромінювання на процес горіння і реакція на підвищення швидкості горіння контролюється по повороту полум'я на зрізі сопла. Запропонована корисна модель дозволяє оцінити достатність розвинутості внутрішньої поверхні каналу заряду для забезпечення променистого теплообміну при використанні в ракетних двигунах пороху, що горить повільно. Це відбувається завдяки наявності реакції процесу витікання газів продуктів згоряння через сопло на опромінення згаданих газів в КЗ імпульсами хвиль поглинання. Накладення імпульсів хвиль поглинання на процес горіння збільшує швидкість газу, який горить, що покидає зону горіння і, таким чином, призводить до зміни форми полум'я на зрізі сопла. Схема радіометричного приймача теплового випромінювання виконується у вигляді двох паралельних блоків модуляторів, одного - падаючої радіохвилі, а другого віддзеркаленої (стоячої), поєднаного з антенним пристроєм, вихід яких закритий поглинаючим навантаженням. Вхід блока модулятора падаючої радіохвилі також закритий поглинаючим хвильовим навантаженням. При цьому блоки модуляторів поєднані між собою низькочастотним кабелем, за допомогою якого на низькочастотний вхід модулятора віддзеркаленої (стоячої) радіохвилі від джерела живлення подається напруга для відкриття НВЧ-входу. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється схемою, на якій позначені: 1 - узгоджувач хвильового навантаження; 2 - низькочастотний кабель; 3 - антенний пристрій з вставкою із 2 UA 99129 U 5 10 15 20 25 30 35 термотривкого матеріалу; 4 - лабораторний РДТП; 5 - осцилограф; 6 - антенний перемикач; 7 радіопередавач; 8, 9 - блоки модуляторів віддзеркаленого (стоячого)і падаючого електромагнітного випромінювання, відповідно. Запропонований спосіб працює наступним чином. Перед початком випробувань КЗ модельного РДТП заповнюється нітрозними газами NOX, де х може дорівнювати 8. Коли заряд ТРП зменшених розмірів, але з таким як у натурного двигуна перерізом каналу, горить у нітрозних газах: по-перше - в КЗ дещо підвищується тиск, але не набагато, бо продукти згоряння виходять через сопло; по-друге - молекули нітрозних газів рекомбінуються з виділенням великої кількості вільних електронів, що випускають і поглинають кванти електромагнітного теплового випромінення. Таким чином моделюється променистий теплообмін в КЗ РДТП. Річ у тому, що концентрація електронів не так сильно реагує на витікання газу через сопло, як тиск в камері згоряння. Це дозволяє створити концентрацію електронів і картину променистого теплообміну, подібну до роботи натурного ракетного двигуна твердого палива в умовах низького тиску в КЗ. В камері РДТП 4 температура на поверхні антени 3 обумовлена дією променистого і конвективного теплообміну від високотемпературного газу продуктів згоряння. Блок модулятора 9 спочатку подає калібрований сигнал до закритого блока стоячої хвилі. Потім генератор шуму цього блока вимикається і на роз'єднувач блока 8 подається напруга, що відкриває його вхідний контур. Блок модулятора падаючої хвилі 9 видає через низькочастотний кабель 2 промодулюваний імпульсами сигнал, що імітує якийсь фіксований рівень падаючого теплового електромагнітного випромінювання, до блока модулятора стоячої (віддзеркаленої) хвилі, НВЧвихід якого закритий узгоджуючим хвильовим навантаженням 1. Блок модулятора 8 посилає до камери згоряння РДТП зондуюче "м'яке" радіовипромінювання. Віддзеркалений від кордону плазми сигнал модулюється в цьому блоці і разом із сигналом блока 9 у вигляді напруги постійного струму видається на контакти телеметричного роз'єднувача. Співвідношення рівнів постійного струму дає коефіцієнт стоячої хвилі. Збільшення цього коефіцієнта свідчить про погіршення радіозв'язку в КЗ модельного РДТП і, відповідно, про зростання концентрації електронів. Відомо, що найбільше випромінювання і поглинання в камері згоряння РДТП дають пари води, які мають резонансне поглинання електромагнітної енергії в діапазоні 11 см. Середня довжина хвилі поглинання дорівнює l   10 см . Тому радіопередавач і антенно-фідерний тракт повинні бути того ж діапазону. Електромагнітна енергія передавача у вигляді хвиль поглинання накладається на коливання швидкості Wkk вертикальної складової газу, що горить, що підіймається над поверхнею ТРП, і збільшує їх частоту  , що прискорює його горіння у відповідності за формулою (Прісняков В.Ф. Динамічні характеристики ракетних двигунів на твердому паливі: учбовий посібник / В.Ф. Прісняков. - Дніпропетровськ, 1979.-114с.)   w k k/ lк 40 45 При цьому язик полум'я, що підіймається вгору на зрізі сопла модельного РДТП, перетворюється на горизонтальний факел. Поворот полум'я свідчить про недостатню розвиненість поверхні каналу заряду - недостатню площу поверхні горіння. Зворотний зв'язок в такому способі моделювання здійснюється під час перемикання радіопередавача на погоджуюче хвильове навантаження за допомогою антенного комутатора і, відповідно, перемикання антенного пристрою на роботу з блоками модуляторів. Відображення інформації блоків модуляторів відбувається на екрані осцилографа. Таким чином, перевагою способу в порівнянні з іншими способами моделювання роботи РДТП є наявність зворотного зв'язку по концентрації електронів, яка за формулою пропорційна температурі в КЗ Tmax  8,15  10 9  n e , C де 50 C - швидкість світу; - питома провідність газової середи продуктів згоряння;  n e - концентрація електронів. При зростанні концентрації електронів до критичної межі експеримент припиняється. Таким чином досягається зменшення кількості вогневих стендових випробувань зарядів ТРП у складі модельних або натурних РДТП. 3 UA 99129 U Додатковою перевагою запропонованого способу моделювання є відсутність великого тиску в каналі заряду, що дозволяє розтягнути процес горіння і провести велику кількість втручань у внутрішньокамерні процеси за допомогою радіопередавача. 5 10 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб напівнатурного моделювання роботи ракетного двигуна твердого палива, що складається зі спалювання заряду малої маси в камері згоряння великого розміру, заповненій для створення невеликого тиску і великої кількості вільних електронів нітрозними газами, радіометричних вимірювань через антенне вікно в передньому днищі, виконане з термічнотривкої радіопрозорої кераміки, який відрізняється тим, що з метою оцінювання достатньої розвинутості внутрішньої поверхні каналу заряду, через антенне вікно гази продуктів згоряння опромінюються радіохвилями, промодульованими імпульсами, частота яких відповідає максимальній ефективності впливу нестаціонарного теплового випромінювання на процес горіння, і реакція на підвищення швидкості горіння контролюється по повороту полум'я на зрізі сопла. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4