СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для определения скорости горения твердого ракетного топлива (ГРТ).

В настоящее время известны способы определения скорости горения ТРТ с регистрацией положения поверхности горения при использовании киносъемки, светорегистраторов, измерения емкости или электропроводности продуктов сгорания, а также теоретические способы расчета по зависимостям давления от времени, полученным в ракетном двигателе твердого топлива /1/. Однако все указанные способы обладают принципиальными недостатками: они малопроизводительны и точность определения скорости горения мала.

Известен высокопроизводительный и точный способ определения скорости горения ТРТ с использованием плавких проволочных сигнализаторов /2/. Этот способ выбран в качестве прототипа. При этом бронированный стержневой образец ТРТ устанавливают в камере постоянного давления. Перед испытанием в образце монтируют два проволочных плавких сигнализатора с образованием электрически независимых цепей. Они расположены по длине образца друг относительно друга на расстоянии dL. При прохождении фронта горения через сигнализаторы они плавятся и перегорают, сопротивление цепи сигнализаторов мгновенно резко возрастает до величины сопротивления плазмы пламени R_пл. Этот момент фиксируется, как время tп прохождения фронта горения через место расположения проводника в образце. Скорость горения определяется достаточно точно (инструментальная погрешность менее 1%) из отношения:

U=dL/(tп₂-tп₁]),

где tп₂, tп₁ - времена плавления сигнализаторов. Недостатком данного способа является наличие при испытаниях серий образцов больших разбросов регистрации времен tп₂, tп₁, что приводит к большим разбросам значений скорости горения ТРТ. Причинами больших разбросов могут быть всевозможные электрические помехи в цепи проводников, фиксируемые как времена плавления. Кроме того, при плавлении проволочного сигнализатора время может фиксироваться с некоторым неопределенным опозданием. Это явление связано с образованием золы от бронепокрытия при горении образца (так называемая каркасность). Зола при высокой температуре обладает токопроводящими свойствами. При перегорании сигнализатора сопротивление в цепи изменяется не мгновенно, а плавно за счет существования электрической проводимости через каркас. Поэтому при использовании прототипа невозможно обнаружить моменты начала плавления с постепенным возрастанием сопротивления, т.к. фиксируются только моменты мгновенного роста сопротивления.

Технической задачей изобретения является создание способа определения скорости горения ТРТ, позволяющего автоматически, с высокой точностью определять как моменты мгновенного изменения сопротивления, так и моменты начала медленного возрастания сопротивления в цепи проволочного сигнализатора (соответствующие времени плавления сигнализатора), а также исключить при регистрации сопротивлений возможность ошибочного определения моментов плавления сигнализатора во время возникновения электрических помех. Решение этой задачи позволяет существенно снизить разбросы определения скорости горения и снизить количество образцов ТРТ, необходимых для надежного определения скорости горения по сравнению с прототипом.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения скорости горения бронированного стержневого образца ТРТ после установки на расстоянии dL по длине образца двух плавких проволочных сигнализаторов, образования двух независимых электрических цепей этих сигнализаторов и зажигания образца добавлены следующие действия. В процессе горения образца проводят непрерывную регистрацию относительных сопротивлений для каждой цепи:

C(t)=R(t)/R₀,

где R(t) - текущее сопротивление цепи, R₀ - сопротивление цепи до начала горения образца. При этом для каждой цепи отдельно фиксируют все моменты времени tc₁, tc₂, tc₃,......tc_N, соответствующие моментам достижения величиной C(t) некоторого заданного эмпирического значения Сп=1,05...1,15. Затем назначают для каждого сигнализатора время плавления tп, равное максимальному значению tc_N, и определяют скорость горения из отношения:

U=dL/(tп₂-tп₁),

где tп₁ и tп₂ - времена плавления 1-го и 2-го сигнализаторов.

Использование безразмерных значений относительных сопротивлений цепей C(t) при регистрации времени плавления позволяет фиксировать величину, пропорциональную сопротивлению R(t) не только в омах, но и в других величинах, например, в кодах, получаемых с аналого-цифрового преобразователя сигнала регистратора состояния электрической цепи сигнализатора при обработке информации на компьютере, что существенно упрощает процедуру испытаний и обработки, т.к. отпадает необходимость калибровки сопротивлений сигнализаторов.

Фиксируемые времена tп соответствуют начальному моменту плавления сигнализатора. При подходе фронта горения с увеличением температуры сопротивление проволочного сигнализатора начинает повышаться от R₀ (при C(t)=1) до сопротивления плазмы R_п (при C(t)=5...20). Для определения tп устанавливают эмпирическое значение относительного сопротивления Сп=1,05...1,15. Максимальное значение Сп не должно превышать Сп=1,15, т.к. в противном случае при медленных изменениях сигнала и при небольшой амплитуде C(t) фиксируется не момент начала плавления сигнализатора, а более поздний момент, не соответствующий плавлению. Например, на Фиг.3 видно, что при Сп=5 время плавления tc_п5 фиксируется почти на одну секунду большее, чем истинное время плавления tc₂₄. Минимальное значение Сп =1,05 выбрано так, чтобы не фиксировать обычные шумовые отклонения значений C(t), и вместе с тем зафиксировать начальное небольшое повышение сопротивления при подходе волны горения. Выбор в качестве tп последнего из времен tc_N позволяет игнорировать интенсивные электрические помехи, часто возникающие при регистрации сопротивлений. Это возможно в связи с тем, что при помехах C(t) несколько раз принимает значение C(t)=1 и эти моменты (tc₁, tc₂, tc₃,......) не должны фиксироваться как времена плавления. Таким образом предлагаемый способ позволяет с одной стороны фиксировать моменты времени плавления сигнализатора при медленном (не мгновенном) изменении сопротивления, с другой стороны исключается возможность ошибочного принятия моментов возникновения электрических помех за времена плавления сигнализатора.

Демонстрация использования предлагаемого способа определения скорости горения бронированного стержневого образца представлена на Фиг.1. Графическое поведение реальных сигналов C₁(t) и C₂(t) для двух плавких сигнализаторов в процессе горения образца, порядок определения времен tп₂, tп₁ и зависимость давления от времени P(t) при горении образца представлены на Фиг.2, 3, 4.

На фиг.1 показан установленный в камере сгорания 1 бронированный стержневой образец 2 с двумя плавкими проволочными сигнализаторами 4, 3. Эти сигнализаторы располагают друг относительно друга на расстоянии dL по длине образца и образуют две независимые электрические цепи этих сигнализаторов. В камере сгорания имеется воспламенитель 5, вентиль 6 и баллон 7 со сжатым газом, необходимым для поддержания давления в камере сгорания, датчик непрерывного измерения давления 8 и регистратор осциллограмм 9. В качестве регистратора может использоваться шлейфный осциллограф или информационно-измерительная система с аналого-цифровым преобразователем и персональным компьютером.

Скорость горения определяют следующим образом. В начале испытания после установки проволочных сигнализаторов в образце, образования электрических цепей и подачи сжатого газа из баллона в камеру сгорания для поднятия давления, воспламенителем поджигают образец. В процессе горения образца с помощью регистратора осциллограмм проводят непрерывную регистрацию давления P(t) и значений относительных сопротивлений цепей первого и второго сигнализаторов в зависимости от времени (Фиг.2, 3, 4):

C(t)=R(t)/R₀.

Для первой цепи из осциллограммы испытаний фиксируют все моменты времени tc₁₁, tc₁₂, tc₁₃,......tc_1N, соответствующие моментам достижения величины относительного сопротивления C(t) заданного значения Сп=1,05...1,15. Аналогично для второй цепи фиксируют все моменты времени tc₂₁, tc₂₂, tc₂₃,......tc_2N. Затем графически из осциллограммы или с помощью компьютерной программы автоматически определяют времена плавления tп₁ и tп₂, как максимальные моменты tc_1N и tc_2N для каждой цепи соответственно, причем скорость горения определяют из отношения:

U=dL/(tп₂-tп₁).

На фиг.3 показан случай, когда при плавлении проволоки сопротивление сигнализатора изменяется не мгновенно, а медленно, и при больших значениях (например, при Сп=5 и более) возможно фиксирование увеличенного времени плавления.

Среднее давление определяется интегрированием из осциллограммы измеренного давления P(t) (Фиг.4) за промежуток времени t₂, t₁, в течение которого происходит измерение скорости горения.

Предлагаемый способ позволяет с использованием визуально-графической регистрации и обработки сигналов электрических цепей сигнализаторов оптимально настраивать регистрирующую систему и выбирать необходимое значение Сп для автоматической обработки данных. При больших объемах испытаний образцов такая автоматическая регистрация моментов плавления проволочных сигнализаторов позволила существенно снизить брак, связанный с некондиционным сигналом (при наличии помех и слабых сигналов в момент плавления сигнализаторов). В результате применения предлагаемого способа разбросы скорости горения образцов существенно снизились (вместо 7-8% стали менее 1%) и отпала необходимость испытания большого количества образцов. Если ранее для получения надежных результатов зависимости скорости горения от давления использовалось минимум 21 образец (по 7 образцов на 3 точки давления), то с применением предложенного способа используются только 14 образцов.

Испытания полностью подтвердили высокую технико-экономическую эффективность предлагаемого способа.

Использованные литературные источники:

1. "Исследование РДТТ" под редакцией М. Саммерфилда, Иностранная литература, М., 1963. стр.131-144.

2. М.Баррер и др. "Ракетные двигатели", Оборонгиз, М., 1962, стр.207.