Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

0,3 МПа, хотя возможно определение этого времени и по достижении определенной тяги в конце работы. Полное время работы двигателя определяется как разность между временем окончания работы двигателя и временем начала подъема давления при выходе двигателя на режим. Время работы двигателя всегда больше времени работы заряда. Иногда определяется еще время спада давления, которое определяется как разность между моментами времени окончания работы заряда и двигателя. Как правило, определяется максимальное давление в камере сгорания, иногда максимальное и минимальное давление на некоторых интервалах времени работы двигателя. Обязательно определяются импульсы давления за время работы заряда и за время работы двигателя, как интегралы от давления за соответствующие времена работы. Разделив импульсы давления на соответствующее время, получают средние давления

вкамере сгорания за время работы заряда или двигателя. Далее определяют градиент давления на участке выхода двигателя на режим, среднюю скорость горения топлива

вдвигателе (разделив величину горящего свода заряда на время его работы), массовый расход топлива (разделив величину массы топлива на время работы заряда) и удельный

импульс давления β = PñðGFêð , где Рср – среднее давление

в камере сгорания за время работы заряда, Fкр – площадь критического сечения сопла, G – расход продуктов сгорания. Отношение опытного и теоретического значений удельного импульса давления дает оценку внутрикамерных потерь в двигателе.

2. Энергетические и тяговые характеристики (полный импульс, единичный импульс, сила тяги двигателя). Определяются по осциллограмме, записанной с датчика тяги. Все временные характеристики определяются по записи кривой давления. Определяют максимальную и минимальную тягу, импульс тяги за время работы заряда и двигателя, величины единичного импульса. Отношение опытного

231

и теоретического значений этого параметра дает оценку потерь единичного импульса в данной конструкции двигателя.

3.Характеристики органов управления. Определяются управляющее усилие, регулирующий фактор (угол поворота исполнительного органа, расход газа или жидкости), шарнирный момент, который рассчитывается на основе определенных при испытаниях моментов: трения, асимметрии

ипозиционного момента. Также определяется эффективность органов управления как отношение максимальной управляющей силы к тяге двигателя и градиент позиционного момента.

4.Массовые характеристики. Замеряются массы двигателя и его узлов до и после испытания.

5.Работоспособность конструкции. Для заключения о работоспособности конструкции определяются вибрации элементов и узлов двигателя, их деформации и перемещения, температуры поверхностей двигателя, тепловые потоки в элементах конструкции. Кроме того, определяют изменения, происшедшие с конструкцией при испытаниях: разгар критического и выходного сечений сопла, толщины унесенных теплозащитных покрытий, состояние остатков бронирующих покрытий и т.д.

6.Характеристики эксплуатационной надежности определяются по результатам специальных испытаний, имитирующих возможные случаи нагружения заряда и двигателя.

Для обеспечения замера всех этих параметров необхо-

димы надежные и точные средства измерения, оборудование для проведения испытаний и высокая степень организации проведения работ.

6.3. Порядок проведения испытаний РДТТ

Любое испытание начинается с определения целей этого испытания и задач, которые необходимо при этом решить. Далее составляется техническое задание, в котором подробно описываются все этапы проведения испытаний,

232

комплектация двигателей, предназначенных для испытания, замеряемые параметры, методика обработки результатов. Производится сборка двигателей, при этом часть датчиков устанавливается при сборке (например, для замера температуры корпуса, вибраций и деформаций конструкции), а часть датчиков – непосредственно перед пуском двигателя (например, датчики давления, тяги). Далее производятся те операции, которые предусмотрены техническим заданием. Например, производится термостатирование двигателя: одного – на максимально допустимую температуру эксплуатации, другого – на минимальную. После этого сразу же отправляют двигатели для испытания на стенде имитации транспортировки. Далее разборка, осмотр, сборка, термостатирование, огневые стендовые испытания, дефектация, дешифровка результатов испытаний и их обработка, оформление акта-отчета по проведенным работам. Вместо осмотра могут производить дефектоскопию изделия.

В зависимости от целей экспериментальных работ существуют различные виды испытаний.

1. Научно-исследовательские испытания. Проводят-

ся в рамках научно-исследовательских работ с целью изучения рабочих процессов, проверки новых топлив или материалов (ТЗП, бронирующих покрытий, конструкционных материалов), при разработке новых конструкций. Чаще всего проводятся с использованием модельных двигателей, а иногда и доработанных серийно выпускаемых конструкций. Комплектация испытаний чаще всего произвольная.

2. При опытно-конструкторских работах, т.е. при отработке изделий, проводятся следующие виды испытаний:

предварительные, которые проводятся с целью оценки работоспособности элементов двигателя, проверки правильности заложенных технических решений. На этом этапе могут допускаться отступления от штатной комплектации двигателя, но любое отступление от документации оформляется специальным решением. После проведения

233

испытаний производится корректировка конструкторской документации на двигатель и заряд;

доводочные испытания, которые проводятся с целью оценки эффективности изменений конструкции, проведенных на предыдущем этапе. Оценивается соответствие параметров двигателя требованиям технического задания. По результатам испытаний корректируется конструкция

ивносятся изменения в конструкторскую документацию. Иногда вводится еще один этап – чистовые доводочные испытания;

приемо-сдаточные испытания (ПСИ) проводятся для подтверждения всех требований технического задания перед сдачей разработанного образца двигателя заказчику. Документация не корректируется, так как все вопросы должны быть уже решены. Комплектация двигателя полностью соответствует штатной и никакие отступления не допускаются.

3.В период серийного изготовления проводятся кон-

трольно-выборочные испытания (КВИ). Цель работ – подтверждение соответствия характеристик двигателя требованиям конструкторской документации, чаще всего технических условий на заряд и двигатель. Испытания проводятся для каждой изготовленной партии двигателей, причем одновременно подтверждается работоспособность двигателя и заряда. Для этого от каждой изготовленной партии отбирается несколько двигателей, которые испытываются по специальным программам. Корректировка конструкции и документации проводится в исключительных случаях. Комплектация двигателя должна полностью соответствовать требованиям конструкторской документации.

Для проведения указанных работ испытательная база должна иметь: испытательные стенды с необходимым стапельным оборудованием, измерительные лаборатории со средствами измерения, здания сборки, термостатирования

идефектации, а также средства транспортировки с такелажным оборудованием, складские помещения для хранения зарядов, неснаряженных двигателей, воспламенителей

ипиропатронов.

234

Основные операции при подготовке двигателя к испытаниям (производятся по технологической документации на аттестованном оборудовании в соответствии с техническим заданием на испытания):

1. Подготовительные работы:

-транспортировка корпуса двигателя в здание сборки;

-транспортировка заряда в здание сборки производится непосредственно перед сборкой. После изготовления заряды хранятся на заводском складе, при необходимости их сначала перевозят в складское помещение сборочной базы,

аоттуда в здание сборки;

-доставка воспламенителей и пиропатронов производится из погребка, расположенного, как правило, недалеко от здания сборки.

2. Сборка двигателя:

-входной контроль поступившей материальной части заключается в проверке сопроводительной документации

на все комплектующие, заряда – на отсутствие трещин и отслоений, двигателя – на целостность корпуса, отсутствие забоин на стыковочных поверхностях, воспламенителя – на целостность корпуса;

-сборка проводится с помощью сборочных стапелей, которые могут быть горизонтальные или вертикальные.

Вслучае вкладного заряда его устанавливают с помощью подъемно-транспортного оборудования при вертикальной сборке или специальных направляющих при горизонтальной сборке. Далее идет установка днищ двигателя с установленными в нем уплотнениями. Устанавливается воспламенитель (возможен вариант установки воспламенителя в днище двигателя с последующей стыковкой днища и корпуса). Устанавливается сопловый блок. Пиропатрон может устанавливаться при сборке двигателя в здании сборки или непосредственно на стенде перед проведением испытания. Двигатели, имеющие малую массу, собирают на обычных слесарных столах;

-проверка герметичности собранного двигателя проводится осушенным воздухом (точка росы ниже минус

235

50 °С). Для этого в двигатель подается осушенный воздух под избыточным давлением 0,015 МПа и выдерживается в течение 10…15 мин. Двигатель считается герметичным, если за это время не было обнаружено падения давления. Для обнаружения места возможной утечки все стыки покрывают мыльным раствором, двигатели малой массы иногда погружают в воду.

3. Термостатирование двигателя проводится в специальных камерах, в которых поддерживается необходимая температура (обычный интервал изменения температуры ±50 °С по специальным графикам). Существуют камеры термостатирования для положительных температур, которые обогреваются с помощью пара, а также для отрицательных температур, охлаждение которых производится с помощью фреонов или аммиака. Двигатели внутри камер находятся на специальных платформах. На стенде в это время ведется подготовка стендового оборудования: устанавливается стапель, проверяются все необходимые приспособления, все первичные (датчики) и вторичные преобразователи, записывающая аппаратура, усилители, каналы передачи информации.

4. Транпортировка двигателя к стенду производится либо на железнодорожных платформах, либо на специально оборудованных автомобилях. На железнодорожные платформы ставят ложементы, на них устанавливают двигатель, укрепляют растяжками и накрывают тентом. В кузове автомобиля двигатель либо стоит на ложементах, либо находится в таре. Все это крепят, закрывают брезентом или специальным одеялом. Мелкие изделия перевозят в специальном ящике, жестко прикрепленном к кузову автомашины. Основная цель этих мер – исключить возможность ударов по двигателю. На время перевозки существует своя норма. Это необходимо для того, чтобы двигатель при транспортировке не потерял свою температуру.

5. Испытание двигателя:

- установка двигателя на стапеле производится с помощью подъемно-транспортного оборудования с использо-

236

ванием такелажных приспособлений, спроектированных специально для этого двигателя. Применение других такелажных приспособлений категорически запрещено в целях безопасности проводимых работ. (Известно, что наиболее частой причиной несчастных случаев является падение изделия.);

-крепление двигателя к стапелю, проверка перпендикулярности оси двигателя к упорной плите, установка датчика тяги, поджатие двигателя к упорной плите с помощью специального приспособления. Это делается с целью исключения ударов датчика тяги об упорную плиту при выходе двигателя на режим. Установка датчиков и их стыковка с регистраторами. Далее проводят предпусковые проверки двигателя и установку пиросредств. Для каждого двигателя существует ограничение по времени нахождения на стенде, которое определяется исходя из расчета нестационарных тепловых полей в заряде. Если стендовая бригада не уложилась в отведенное время, то испытание откладывается и двигатель отправляется на повторное термостатирование;

-пуск двигателя. При работе двигателя все стендовые работы проводятся автоматически по заданной программе.

6. Послепусковые работы включают в себя осмотр двигателя, проверку калибровки датчиков. Двигатель снимают со стапеля и перевозят в здание дефектации. При дефектации определяют состояние материальной части двигателя: наличие прогара корпуса, разгар сопел (определяют площади критического сечения сопла и площади среза), состояние и толщины теплозащитных покрытий, состояние остатков бронирующих покрытий. Производится обязательное фотографирование узлов двигателя.

7. Анализ результатов. Проводится первичная обработка результатов измерений (т.е. конкретного пуска двигателя) и вторичная обработка (т.е. обобщение результатов нескольких пусков). Составление акта-отчета об испытаниях. Если характеристики двигателя удовлетворяют требо-

ваниям технического задания, то делается заключение о соответствии двигателя требованиям ТЗ.

237

На стенде работает стендовая бригада (слесарисборщики) и бригада измерений (техники по замеру параметров). Возглавляет работу руководитель испытаний. Обязательна громкоговорящая связь. Распоряжения руководителей испытаний обязательны для всех находящихся на стенде вне зависимости от должности. Представители (все посторонние) находятся в специальном боксе и следят за испытаниями по телевидению. Они не имеют права выходить из бокса и вмешиваться в ход работ. При необходимости их вызывают для проведения консультаций. Все работы ведутся по технологической документации с обязательным выполнением правил техники безопасности.

Все работы с зарядом и снаряженным двигателем являются опасными, поэтому все помещения должны быть оборудованы в соответствии с правилами устройства и эксплуатации взрывоопасных предприятий. В первую очередь необходимо исключить возможные удары, падение или волочение двигателя. Для этого применяются специальные подъемно-транспортные средства. Кроме того, необходимо исключить возможность появления огня или искр, поэтому все стальные инструменты покрыты слоем меди. Запрещается пользоваться открытыми обогревателями и другими электроприборами. Электродвигатели, телефоны и пр. изготавливаются в специальном исполнении. Должно быть исключено накопление статического электричества. Для этого сборочные столы и стапели заземлены, при входе в здание установлены специальные кнопки для снятия статического электричества, запрещено пользоваться синтетической одеждой при работе с изделием. Чтобы снизить риск поражения персонала, на рабочем месте должно находиться минимальное число людей. На основе этих правил разрабатывается рабочая инструкция, которая содержит правила допуска исполнителя к работе, порядок проведения работ, правила обращения с изделием и комплектующими, оборудованием, приборами, а также правила содержания рабочего места, хранения и уничтожения взрывоопасных материалов.

238

6.4. Испытательные стенды

Испытательный стенд – это производственное помещение (или площадка), предназначенное для проведения испытания двигателя. Стенды должны обеспечивать необходимую ориентацию и надежное крепление средств испытания – стапелей, подвесок и т.д. Планировка стенда должна обеспечивать качественное проведение измерений, визуальное наблюдение за работающим двигателем с помощью телекамер, удобство эксплуатации испытательного оборудования. Стенд должен обладать также необходимым запасом прочности и обеспечивать защиту персонала при аварийном срабатывании двигателя [8, 9]. В зависимости от положения двигателя при испытании стенды делятся на го-

ризонтальные, вертикальные и наклонные. В зависимо-

сти от типа производственного помещения они могут быть закрытые (двигатель при испытании находится внутри здания) или открытые (двигатель находится на открытой площадке). Кроме того, они делятся по силе тяги, воспринимаемой упорной плитой, – от 0,02 до 10 МН. Рассчитывают стенд на прочность в момент отрыва днища при возможном взрыве двигателя. Обычно считается, что сила, воздействующая на упорную плиту в такой ситуации, превышает силу тяги двигателя при нормальной работе в 30…35 раз. Для закрытых стендов существует требование об отсутствии резонанса стен бокса при работе двигателя, так как при этом возрастает погрешность измерения параметров двигателя.

Закрытый горизонтальный стенд состоит из огневого бокса, где установлен бетонный цельнолитой опорный бык с упорной плитой, помещения для размещения персонала, средств измерения и необходимых приспособлений. Пол огневого бокса выложен чугунными плитами толщиной 100…150 мм. Бокс снабжен подъемно-транспортным оборудованием, по двум его сторонам расположены боксы, где находятся приборы наблюдения – телекамеры, видеокамеры, скоростные кинокамеры. Огневой бокс имеет коридор для выхода продуктов сгорания работающего двигателя,

239

который упирается в земляной вал (обваловка), выложенный бетонными плитами. Внутри коридора проходят железнодорожные пути для доставки крупногабаритных двигателей. Двигатели меньшего габарита доставляются на автомашинах. Открытый горизонтальный стенд имеет все те же основные части, но расположен на открытой площадке, окруженной со всех сторон земляными валами, в которых расположены производственные помещения для проведения испытаний. Обваловка нужна для того, чтобы при случайном взрыве двигателя взрывная волна ушла вверх и нанесла меньшие повреждения соседним зданиям. Существуют еще экологически чистые стенды, которые обычно выполняются по закрытой горизонтальной схеме. В отличие от других стендов здесь производится поглощение практически всех газообразных продуктов сгорания, их очистка от всех токсичных примесей, а также выделение и сбор конденсированных частиц.

Вертикальные стенды применяются реже. Двигатель на них может располагаться соплом вверх. Это обычно применяется для двигателей очень большой тяги. Достоинство этого стенда – исключительная простота, так как все работы сводятся к заливке бетонной площадки, где устанавливается ферма крепления и обслуживания двигателя. Недостаток стенда в том, что на нем двигатель находится в нерабочем положении. Например, при течении газов по камере сгорания вверх замедляется движение конденсированной фазы продуктов сгорания, что увеличивает время ее пребывания в камере. Это ведет к увеличению полноты сгорания, уменьшению внутрикамерных потерь. При эксплуатации эти процессы не происходят, и полный импульс тяги будет ниже, чем полученный при огневых стендовых испытаниях. При расположении двигателя соплом вниз все эти явления отсутствуют, но возникает проблема крепления двигателя. Поэтому эта схема применяется для РДТТ малой тяги или для ЖРД. Вертикальные стенды обычно делаются открытыми. Существуют еще наклонные стенды, которые применяются очень редко.

240