Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА МАЛОМ ЧИСЛЕ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Известен способ определения надежности жидкостного ракетного двигателя (Пастухов А.И., Орлова Л.И., Капгер В.В., Общероссийский научно-технический журнал «Полет» 1/2015 (сс. 14-16)), включающий огневые циклические испытания нескольких двигателей до предельного состояния (в количестве 10-15 штук) по штатной программе работы двигателя в полете, т.е. только на эксплуатационных режимах, после чего по полученным значениям наработки двигателей до предельного состояния определяют надежность ЖРД с использованием толерантных пределов.

Указанный способ обеспечивает воспроизведение возможных сочетаний различных нагрузок на каждом цикле испытаний только в эксплуатационном диапазоне режимов работы, вследствие чего требует относительно большой наработки и числа испытываемых образцов двигателей.

Прототипом предлагаемого изобретения является раскрытый в ГОСТ Р 56099-2014, введенном в действие 01.03.2015, способ проведения утяжеленных испытаний, включающий испытания до предельного состояния 4÷6 двигателей в эксплуатационных условиях и 8÷12 двигателей на форсированных режимах со ступенчатым изменением не менее чем на ±2% номинала величины режимной нагрузки от двигателя к двигателю с выдержкой на каждом уровне в течение заданного времени, при этом испытания двигателей на форсированных режимах ведут до уровня, при котором механизм повреждения утрачивает идентичность механизму повреждения двигателей, испытываемых на эксплуатационных режимах. Известный способ проведения утяжеленных испытаний используется для определения вероятности отказа двигателя от заданной наработки, эквивалента наработки и коэффициента утяжеления испытаний.

В качестве недостатка известного способа следует отметить, что результаты испытаний, полученные при проведении испытаний двигателей на форсированных режимах до уровня, при котором механизм повреждения утрачивает идентичность механизму повреждения двигателей, испытываемых на эксплуатационных режимах, являются непредставительными для определения надежности ЖРД в эксплуатационных условиях, в связи с чем, известный из прототипа способ испытаний не нашел практического применения при создании современных жидкостных ракетных двигателей в отечественном двигателестроении.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа проведения испытаний, предназначенного для определения надежности жидкостного ракетного двигателя, позволяющего снизить финансовые и материальные затраты на создание ЖРД.

Технический результат заключается в возможности получения результатов испытаний, обеспечивающих высокоточное определение надежности ЖРД в эксплуатационных условиях.

Для достижения технического результата предложен способ проведения испытаний для определения надежности жидкостного ракетного двигателя, включающий ресурсно-циклические испытания 4÷5 двигателей до предельного состояния на эксплуатационных режимах и 8÷9 двигателей на форсированных режимах со ступенчатым изменением величины режимной нагрузки от двигателя к двигателю. Причем каждый цикл ресурсно-циклических испытаний проводят в течение летного ресурса. При этом испытания двигателей на форсированных режимах ведут до уровня, при котором механизм повреждения сохраняется идентичным механизму повреждения двигателей, испытываемых на эксплуатационных режимах.

Под предельным состоянием ЖРД понимается такое состояние, когда дальнейшее его испытание невозможно или нецелесообразно из-за отклонений его основных характеристик за допустимые пределы или ввиду возможного разрушения его конструкции. Основные характеристики и признаки, определяющие время наступления предельного состояния двигателя, устанавливаются в конструкторской документации.

Признаками предельного состояния могут служить трещины и разрушения элементов конструкции двигателя, повышенный момент страгивания ротора ТНА, выход основных параметров (например, экономичности) за допустимые пределы и другие дефекты, которые определены в конструкторской документации.

В качестве основных режимных параметров используют давление и соотношение компонентов в камере, обороты ТНА, температуру генераторного газа, уровень пульсации и вибрации и другие параметры, характеризующие тепловые, статические и динамические нагрузки на элементы двигателя.

Предлагаемое изобретение графически показано на фигуре (режим форсирования на примере ступенчатого повышения давления (Р_к) в камере двигателя).

Как показано на фигуре проводят ресурсно-циклические испытания одной выборки двигателей до предельного состояния на эксплуатационных режимах и второй выборки двигателей на форсированных режимах со ступенчатым изменением величины режимной нагрузки от двигателя к двигателю. Причем каждый цикл ресурсно-циклических испытаний проводят в течение летного ресурса. При этом испытания двигателей на форсированных режимах ведут до уровня, при котором механизм повреждения сохраняется идентичным механизму повреждения двигателей, испытываемых на эксплуатационных режимах.

Надежность ЖРД - это вероятность выполнения двигателем заданных выходных функций в требуемых условиях эксплуатации. Для обеспечения требуемой точности определения надежности ЖРД необходимо создать такие условия проведения испытаний, которые позволят получить наиболее представительные результаты испытаний, а именно: необходимо каждый цикл ресурсно-циклических испытаний двигателей проводить в течение летного ресурса, а испытания двигателей на форсированных режимах проводить до уровня, при котором механизм повреждения сохраняется идентичным механизму повреждения двигателей, испытываемых на эксплуатационных режимах. Только при соблюдении вышеуказанных условий можно адекватно оценить надежность ЖРД без дополнительных экономических и временных затрат.

После чего по полученным экспериментальным данным о наработке двигателей до предельного состояния и действующих нагрузках определяют закономерность изменения технического ресурса ЖРД от режимов испытаний и надежность двигателя.

За количественную меру действующей нагрузки принимают среднеинтегральную величину параметра (X) по всем испытаниям данного двигателя, определяемую уровнем и длительностью стационарного режима по соотношению:

где X_ij, τ_ij - измеренное значение параметра и, соответственно, длительности работы рассматриваемого экземпляра двигателя на j-ом режиме в i-ом испытании;

Т - наработка данного двигателя до предельного состояния (технический ресурс).

В качестве исходной формы связи между техническом ресурсом (Т) и параметрами режимов испытаний (X₁, Х₂, …, ), используют модели вида:

- среднее значение наработки ЖРД до предельного состояния по результатам испытаний N двигателей;

- коэффициенты уравнения, определяемые методом наименьших квадратов по экспериментальном данным ресурсных испытаний двигателей до предельного состояния;

b_K - показатель степени при k-ом влияющем факторе;

- число факторов в уравнении регрессии.

Обоснование и выбор приемлемого уравнения связи Т(Х) по результатам ресурсных испытаний двигателей до предельного состояния осуществляется методом многофакторного корреляционно-регрессионного анализа с учетом физической роли факторов, ряда статистических показателей совершенства моделей (коэффициента множественной корреляции, F - критерия Фишера для проверки значимости индивидуальных коэффициентов и всего уравнения, величины стандартной ошибки остаточной вариации наработки и результатов проверки адекватности модели имеющимся экспериментальным данным).

В качестве наилучшего принимают эмпирическое уравнение, отражающее физическую сущность влияния режимов испытаний на технический ресурс и надежность двигателя и имеющее наибольший коэффициент множественной корреляции при наименьшей остаточной вариации.

Оценка надежности двигателя по результатам ресурсных испытаний до предельного состояния определяется величиной нормированного запаса работоспособности двигателя - отношением запаса по ресурсу (Т(Х)-Т_Л) к его среднему квадратическому отклонению σ.

Чем больше запас по ресурсу и меньше его разброс, тем выше нормированная величина, а следовательно, выше и величина надежности двигателя.

Функция надежности для расчета надежности двигателя с применением зависимостей технического ресурса (T) от режимов испытании (X) имеет вид:

где Тл - требуемое время работы двигателя в полете (летный ресурс), устанавливается для каждого двигателя в зависимости от выполняемых задач.

Оценки характеристик регрессионных зависимостей и надежности двигателя по результатам многократных испытаний до предельного состояния на эксплуатационных и форсированных режимах испытаний определяют по расчетным соотношениям, приведенным в таблицах (П. 9) математической статистики Давид К. Ллойд и Мирон Липов «Надежность, организация исследования, методы, математический аппарат». Издательство «Советское радио», Москва - 1964 г.

Определение надежности ЖРД по результатам испытаний, полученных предложенным способом, построено на результатах исследований механизма повреждения и закономерности изменения технического ресурса двигателя от режимных параметров, характеризующих статические, тепловые и динамические нагрузки на элементы ЖРД при ресурсных испытаниях двигателей до предельного состояния.

Пример. Проведенный корреляционно-регрессионный анализ результатов 101 испытания современного ЖРД до предельного состояния 14 двигателей (5 двигателей на эксплуатационных режимах и 9 двигателей на форсированных режимах) показал, что технический ресурс двигателя (Т) зависит от давления в камере на режимах форсирования (Р_кф) и дросселирования (Р_кдр) и соотношения компонентов (K_m):

где параметры Р_кф и Р_кдр имеют размерность кгс/см².

Оценка надежности ЖРД с применением полученной зависимости (6) технического ресурса от режимов испытаний 14 двигателей до предельного состояния составляет 0,9975.

Для сравнения отметим, что для подтверждения такого же уровня надежности ЖРД для пилотируемых полетов ракетно-космической техники - 0,9975 предложенным способом определения надежности по наработке до предельного состояния на эксплуатационных и форсированных режимах потребуется провести всего 60 испытаний на летный ресурс, то есть в 1,5-2 раза меньше по сравнению с известными в настоящее время методиками проведения испытаний.

Таким образом, использование предложенного способа определения надежности ЖРД по малому числу испытываемых образцов до предельного состояния на эксплуатационных и форсированных режимах обеспечивает возможность высокоточного определения надежности за счет привлечения результатов всех испытаний и закономерности изменения ресурса двигателя в более широком диапазоне режимов работы.