УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для определения скорости горения твердого ракетного топлива (ТРТ) в зависимости от давления.

В настоящее время известны установки для определения скорости горения ТРТ с регистрацией положения поверхности горения по перегорающим проводникам, гашением образца, с использованием киносъемки, светорегистраторов, измерения емкости или электропроводности (Например, см. М. Баррер и др. "Ракетные двигатели", Оборонгиз. М., 1962; Заявка РФ 98102477 от 10.02.98 г. , В. С. Игнатьев и др. "Устройство для измерения скорости горения композиционных материалов"). Однако все они обладают принципиальными недостатками: они малопроизводительны и при их использовании для определения зависимости скорости горения от давления необходимо большое количество образцов, т.к. при сжигании одного образца определяется только одно значение скорости горения. Также необходим предварительный наддув камеры сгорания азотом до заданного давления из баллонов большого давления.

Известны установки для определения скорости горения ТРТ с использованием микроволновой техники. Самая типичная из них, принятая за прототип, описана в статье: Strand L.D., Schultz A.D., Reedy G.K. "Метод микроволнового эффекта Доплера для определения нестационарной скорости горения". Journal of Spacecraft and Rockets, 1974, vol.11, 2. В этой установке использована камера Кроуфорда, в которой цилиндрический образец ТРТ с перегорающими проволочками заменен на образец, размещенный в стальной трубке, представляющей собой запредельный волновод. В зазор между цилиндрической образующей образца и волноводом залит бронирующий состав, а один из торцов образца пристыкован к согласующему конусу приемопередающего СВЧ-датчика. Внутренний диаметр запредельного волновода и диаметр согласующего конуса жестко определяются частотой электромагнитной волны сверхвысокочастотного излучения (далее СВЧ-волны). Благодаря использованию такого запредельного волновода исключается искажение основного сигнала, отраженного от поверхности горения образца, т. к. этот волновод демпфирует излучение, отраженное от стенок камеры. Однако в установке нельзя определять скорость горения образцов ТРТ диаметром, большим, чем диаметр запредельного волновода 15.9 мм, и с шагом 2 мм по длине образца. Если увеличить диаметр согласующего конуса, то возрастут диаметр и вес образца, что приведет к увеличению размеров установки, а это неэффективно. Практическая потребность испытаний образцов большого диаметра велика, потому что скорость горения в РДТТ хорошо прогнозируется данными, полученными при испытаниях образцов диаметром не менее 50 мм. Подготовка образцов к испытаниям в установке с волноводом является малопроизводительной. Кроме того, нет возможности регулировать максимальное давление и скорость нарастания давления, а также определять скорость горения в вакууме.

Технической задачей изобретения является создание высокопроизводительной установки, позволяющей определять микроволновым методом скорость горения образцов небольшой массы и любого диаметра, большего, чем диаметр согласующего конуса, в регулируемом диапазоне давлений. Испытания в установке не требуют использования баллонного азота, а применение воды как наполнителя существенно занижает загазованность при разборке камеры после сжигании. Полученные данные могут использоваться при прогнозировании скорости горения в РДТТ. Кроме указанных преимуществ, установка позволяет определять скорость горения при различных скоростях подъема давления и давление затухания ТРТ в вакууме.

Эта задача решается тем, что в установке для определения скорости горения ТРТ, содержащей образец ТРТ, камеру сгорания, крышку с согласующим конусом и излучателем, на входе в который пристыкован приемопередающий СВЧ-датчик, проведена следующая доработка. На выходе излучателя установлен держатель с винтами для крепления образца, выполненный в виде стакана с внутренним диаметром, большим диаметра согласующего конуса. Часть полости камеры, расположенная напротив излучателя, заполнена наполнителем из асбестового материала различного объема, служащим для поглощения излучения, отражаемого от внутренней стенки камеры. При этом не происходит искажения сигнала, отраженного от горящей поверхности образца, что позволяет отказаться от использования запредельного волновода и испытывать образцы любого диаметра, большего диаметра согласующего конуса. Кроме того, изменяя объем наполнителя, можно регулировать скорость возростания давления при испытаниях. В установке могут испытываться образцы в вакууме, для чего камера соединена с вакуумной емкостью через трубопровод с исполнительным механизмом, открывающим вентиль по команде реле времени. Если в качестве наполнителя, поглощающего излучение, используется вода, то камеру сгорания устанавливают так, что излучатель с образцом располагается вверху камеры, а вода заполняет нижнюю часть камеры.

Внешний вид установки показан на фиг.1. Записываемые на осциллограмму колебательный СВЧ-сигнал S(t) и показания датчика давления P(t) представлены на фиг.2.

На камеру сгорания 1 навинчена крышка 7 с вмонтированным в центре излучателем 2, содержащим согласующий конус 13. К выходному концу излучателя пристыкован держатель 4 с винтами 10, фиксирующими бронированный образец торцевого горения 5. Диаметр образца превышает диаметр согласующего конуса. На образце укреплен воспламенитель 14, провода выведены через гермовывод 9. Входной конец излучателя через рупорную антенну 3 соединен с малогабаритным (35х35х40 мм) СВЧ-датчиком 11 типа СФ-30АФ-09. излучающим волны на частоте 10 ГГц. В камере сгорания установлен датчик давления 8. Часть свободного объема камеры заполнена наполнителем из асбествого материаля 6. Реле времени 17 связано с воспламенителем и вентилем с исполнительным механизмом 15, перекрывающими проход газов в вакуумную емкость 16. Сигналы СВЧ-датчика и давление регистрируются осциллографом 12.

Установка работает следующим образом. Перед испытанием свободный объем камеры заполняется наполнителем, объем которого определяется необходимой скоростью изменения давления при испытании. В начале испытания воспламенитель 14 поджигает образец 5. В процессе горения образца приемопередающий СВЧ-датчик излучает СВЧ-волны и принимает отраженные СВЧ-волны от поверхности горения. Частично эти волны проходят дальше и поглощаются наполнителем. Сложение падающих и отраженных СВЧ-волн приводит к появлению интерферренционных колебаний, регистрируемых СВЧ-датчиком и записываемых на осциллограмму (фиг.2) в виде колебательного СВЧ-сигнала S(t) вместе с возрастающими показаниями датчика давления P(t). Величина сгоревшего за время dt_i свода образца dL_i равна длине образца L, деленной на количество колебаний N за время горения образца tk-to, и поэтому скорость горения U_i определяется по формуле
U_i-dL_i/dt_i=L/N/dt_i
Здесь N, dt_i определяются из осциллограммы испытаний. Среднее давление за промежуток времени dt_i, соответствующий скорости горения U_i, рассчитывается по формуле:
P_cpi=(P_i+P_i+1)/2
Если необходимо определить скорость горения при давлении, меньшем 1 атм, то после воспламенения образца по команде реле времени исполнительный механизм открывает вентиль, перекрывающий проход газов в вакуумную емкость большого размера, и образец горит при давлении, падающем до давления вакуумной емкости.

При испытаниях установки было установлено, что результаты определения скорости горения образцов большого диаметра (диаметром 50 мм, длиной 20-40 мм) и малой массы хорошо прогнозируют скорость горения натурных РДТТ. Закон скорости горения в зависимости от давления определяется при сжигании одного образца (20 значений скорости горения с шагом 2 мм). Эти же данные могут быть получены при 20 испытаниях модельных РДТТ типа ЭД-100 с зарядами весом 2 кг каждый. Однако использование установки позволяет сэкономить затраты на эти работы. Испытания полностью подтвердили изложенную технико-экономическую эффективность.