Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕДИНИЧНОГО ИМПУЛЬСА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к измерению характеристик новых композиций твердого ракетного топлива, в частности для гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей (ГПВРД).

Из уровня техники известен способ определения единичного импульса твердого топлива, принятый за прототип для заявляемого способа по патенту РФ №2494394 (опубл. 27.09.2013 г), включающий сжигание образца исследуемого топлива в объеме газа, измерение реактивной силы истекающих продуктов сгорания.

К недостаткам прототипа заявляемого способа следует отнести невозможность моделирования процесса горения заряда твердого топлива в натурном двигателе в связи с отсутствием обдува образца исследуемого топлива высокоскоростным, высокотемпературным кислородсодержащим газом. Использование малоразмерных образцов топлива не позволяет учесть потери единичного импульса, которые могут возникнуть при работе натурного двигателя. Перечисленные недостатки снижают достоверность определения величины единичного импульса (основной энергетической характеристики твердого топлива).

Известна газодинамическая дифференциальная установка, принятая за прототип заявляемого устройства (Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение», 2006 г., №2, с. 54-59), содержащая установленную горизонтально с возможностью осевого перемещения форкамеру, контактирующую с силоизмерительным элементом и снабженную узлом ввода кислородсодержащего газа и двумя сменными цилиндрами, пристыкованными к ней соосно и оснащенными расходными соплами.

Известная установка предназначена для проведения сравнительных испытаний газодинамического совершенства различных деталей, например, сопел реактивных двигателей в высокоскоростном потоке холодного кислородсодержащего газа (воздуха). Ее конструкция не предусматривает возможности моделирования процесса горения заряда твердого топлива в реальном двигателе. В ней отсутствуют конструктивные элементы (в частности, элемент нагрева кислородсодержащего газа и средства, предотвращающие перемещение исследуемого образца и инертного имитатора в направлении выходных сопел потоком газа), позволяющие размещать в ней и сжигать образец исследуемого топлива.

Задачей предлагаемой группы изобретений является создание более эффективных способа определения единичного импульса твердого топлива и устройства для его осуществления, позволяющих повысить достоверность измерения основной энергетической характеристики исследуемого топлива за счет обеспечения возможности моделирования условий горения заряда твердого топлива в реальном двигателе.

Поставленная задача достигается предлагаемым способом определения единичного импульса твердого топлива, включающим сжигание образца исследуемого топлива в объеме газа, измерение реактивной силы истекающих продуктов сгорания. Особенность заключается в том, что сжигание образца топлива проводят в потоке кислородсодержащего высокотемпературного газа с параметрами, соответствующими обдуву заряда твердого топлива натурного двигателя, одновременно с образцом исследуемого топлива обдувают таким же расходом газа в противоположном направлении геометрически одинаковый с ним инертный имитатор, при этом образец исследуемого топлива и имитатор размещают в отдельных одинаковых модулях, каждый из которых выполнен с возможностью моделирования камеры дожигания натурного двигателя.

В частности, нагрев кислородсодержащего газа до высокой температуры проводят его смешением с продуктами сгорания безметального топлива, при этом параметры кислородсодержащего газа и продуктов сгорания безметального топлива выбирают из условия соответствия параметров полученной смеси параметрам газа, обдувающего заряд твердого топлива натурного двигателя.

По замеряемой разности реактивных сил, возникающих при истечении высокотемпературного газа в одном направлении и высокотемпературного газа с продуктами горения исследуемого образца твердого топлива в противоположном направлении, определяют значение единичного импульса исследуемого образца.

Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемый способ определения единичного импульса твердого топлива отличается от прототипа иным используемым газом - кислородсодержащим (в прототипе - инертный газ); иной организацией процесса сжигания исследуемого образца твердого топлива - в потоке высокотемпературного газа (в прототипе - статичное состояние газа).

Поставленная задача достигается предлагаемым устройством для определения единичного импульса твердого топлива, содержащим установленную горизонтально с возможностью осевого перемещения форкамеру, контактирующую с силоизмерительным элементом и снабженную узлом ввода кислородсодержащего газа и двумя сменными цилиндрами, пристыкованными к ней соосно и оснащенными расходными и выходными соплами. Особенность заключается в том, что цилиндры представляют собой одинаковые модули, каждый из которых выполнен с возможностью моделирования камеры дожигания натурного двигателя, причем расходные и выходные сопла, расположены во внутреннем объеме каждого цилиндра, в одном из цилиндров размещен образец исследуемого топлива, а в другом - геометрически одинаковый с ним инертный имитатор, каждый цилиндр снабжен средством, предотвращающим перемещение исследуемого образца и инертного имитатора в направлении выходного сопла, при этом форкамера снабжена элементом нагрева кислородсодержащего газа.

В частности, в качестве элемента нагрева кислородсодержащего газа используют газодинамически сообщенный с форкамерой газогенератор на безметальном топливе.

Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемое устройство для определения единичного импульса твердого топлива отличается от прототипа приданием сменным цилиндрам функции камер дожигания (в прототипе такая возможность не предусматривается), наличием образца исследуемого твердого топлива, наличием инертного имитатора, наличием средства, предотвращающего перемещение исследуемого образца и инертного имитатора в направлении выходного сопла; наличием элемента нагрева кислородсодержащего газа; иным размещением выходных и расходных сопел - во внутреннем объеме каждого цилиндра (в прототипе - за пределами внутреннего объема).

Предлагаемая группа изобретений иллюстрируется графическим изображением.

На чертеже схематически показан продольный разрез устройства для определения единичного импульса твердого топлива с твердотопливным газогенератором, в качестве элемента нагрева кислородсодержащего газа.

Устройство для определения единичного импульса твердого топлива содержит форкамеру 1, пристыкованные (присоединенные любым известным специалисту в данной области техники способом) к ней геометрически одинаковые цилиндры 2 и 3, штуцер 4 подачи кислородсодержащего газа. Цилиндры 2 и 3 снабжены расходными соплами 5 и 6 соответственно. В цилиндре 2 размещен образец 7 исследуемого топлива, а в цилиндре 3 - инертный имитатор 8. Цилиндры 2 и 3 представляют собой одинаковые модули, каждый из которых выполнен с возможностью моделирования камеры дожигания ракетного двигателя, снабжены выходными соплами 9 и 10 соответственно. Каждый цилиндр снабжен средством 11, предотвращающим перемещение исследуемого образца 7 и инертного имитатора 8 в направлении выходного сопла 9 и 10 соответственно потоком газа, выполненного в виде, например, одного сплошного или нескольких одиночных выступов на внутренней поверхности. Форкамера 1 снабжена элементом 12 нагрева кислородсодержащего газа, представляющим собой, например, твердотопливный газогенератор, содержащий корпус 13, теплозащитное покрытие 14, заряд 15 твердого безметального топлива, или, например, плазменный генератор. Корпус 13 взаимодействует с дифференциальным датчиком силы 16. Устройство за цилиндры 2 и 3 подвешено на гибких элементах 17, например, полосах из углеродистой стали (ГОСТ 7419-90).

Предлагаемое устройство для определения единичного импульса твердого топлива работает следующим образом.

Сначала в форкамеру 1 через штуцер 4 подают кислородсодержащий газ. Состав газа подбирают таким образом, чтобы после его смешения с продуктами сгорания безметального заряда 15 твердого топлива (а возможно и дожигания) в смеси газов находилось требуемое для газификации образца 7 исследуемого топлива содержание кислорода. Затем инициируют работу элемента 12 нагрева кислородсодержащего газа. Высокотемпературный газ из форкамеры 1 через расходные сопла 5 и 6 поступает в цилиндры 2 и 3.

Количество высокотемпературного газа, поступающего в цилиндры 2 и 3 одинаково и обеспечивается равенством диаметров отверстий расходных сопел 5 и 6.

Высокотемпературный газ, истекая из цилиндра 3 через выходное сопло 10, создает реактивную силу, равную произведению массы поступившего в цилиндр 3 газа на единичный импульс этого газа.

Высокотемпературный газ, поступив из форкамеры 1 через расходное сопло 5 в цилиндр 2, приведет к газификации образца 7 исследуемого твердого топлива и дожиганию продуктов газификации в потоке высокотемпературного газа, продолжающего поступать из форкамеры 1.

Сгоревшие продукты газификации образца 7 имеют собственное значение единичного импульса, отличное от единичного импульса высокотемпературного газа из форкамеры 1.

Совместное истечение продуктов газификации образца 7 и высокотемперного газа через выходное сопло 9 цилиндра 2 создает реактивную силу, равную сумме произведения массы продуктов газификации образца 7 на единичный импульс этих продуктов и произведения массы высокотемпературного газа на его единичный импульс.

Так как массы и единичные импульсы высокотемпературного газа, поступившего из форкамеры 1 в цилиндры 2 и 3, равны и противоположно направлены, то дифференциальным датчиком силы 16 будет зафиксирована только разность реактивных сил, равная произведению массы продуктов газификации образца 7 на единичный импульс этих продуктов.

Зафиксированную датчиком 16 разность реактивных сил за время горения исследуемого образца 7 твердого топлива интегрируют по времени.

Единичный импульс продуктов сгорания исследуемого образца 7 определяют как отношение интеграла разности реактивных сил за время горения образца 7 к изменению его массы.

Размещение инертного имитатора 8 в цилиндре 3 создает идентичные условия движения высокотемпературного газа в цилиндрах 2 и 3.

Пример конкретного выполнения.

В качестве безметального топлива для газогенератора использовали твердое топливо на основе каучука СКИ-НЛ-М, перхлората аммония и октогена.

Использовали образец исследуемого топлива в виде цилиндрической канальной шашки со следующими размерами: наружный диаметр - 36 мм, внутренний диаметр - 10 мм, длина - 70 мм.

Масса заряда исследуемого топлива - 0,0985 кг.

Использовали сменные цилиндры (камеры дожигания) диаметром 40 мм и длиной 400 мм каждый.

В форкамеру подавали газ с содержанием кислорода 50%, что обеспечило его концентрацию в обдувающем газе после дожигания продуктов сгорания топлива газогенератора на уровне 22% при температуре 1670°К. Длительность эксперимента составила 14,3 с.

Интеграл разности реактивных сил, определенный по результатам измерения дифференциальным датчиком Q11 (производитель - компания НВМ GmbH, Германия), составил 28,13 кг·с.

Значение единичного импульса исследуемого образца топлива составило 28,13:0,0985=285,6 с.

Проведенные испытания показали работоспособность заявляемого способа и устройства для его осуществления.

Таким образом, предлагаемый способ определения единичного импульса твердого топлива и устройство для его осуществления практически реализуемы, позволяют удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.