Глава 7.2

СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

7.2.1. ЗАДАЧА ОТРАБОТКИ

Наземная отработка ДУ на жидком топ ливе — важнейший и наиболее трудоемкий этап создания современных РН и КА различ ного назначения, включающий в себя техни ческие, экономические и организационные мероприятия. Она предусматривает большой объем различных видов испытаний, использо вание сложнейшего, порой уникального, стен дового оборудования, применение новейших информационно управляющих и регистри рующих и обрабатывающих информацию сис тем, разработку нормативно методической, эксплуатационной и технологической доку ментации, четкую организацию взаимодейст вия многих предприятий и организаций раз личных отраслей промышленности. При этом под термином отработка понимается комплекс организационно технических мероприятий по обеспечению экспериментального определе ния и подтверждения показателей надежности и качества ДУ, а также составляющих ее сис тем и агрегатов и оценки соответствия их ха рактеристик требованиям ТЗ во всем диапазо не эксплуатационных условий [1].

ДУ с ЖРД современных РН и КА пред ставляют собой сложный комплекс взаимо связанных совместно функционирующих ЖРД и пневмокомплекс пневмогидравлических систем (ПГС). Поскольку испытания ЖРД в составе ступеней РН и ДУ проводят только после завершения автономной отработки со ставных частей, входящих в двигатель (систем, агрегатов, элементов и узлов), ниже рассмат риваются преимущественно методы комплекс ной отработки ПГС ДУ.

При проектировании и отработке ПГС ДУ возникает множество проблем, связанных с длительной эксплуатацией изделий в неблаго приятных условиях окружающей среды, приме нением в качестве топлива энергоемких и по жаро и взрывоопасных высококипящих или криогенных компонентов с широким диапазо ном рабочих температур, напряженными дина мическими и тепловыми режимами работы, по вышенными требованиями по надежности.

Способы отработки ПГС целиком опре деляются спецификой создаваемой ДУ, ее назначением, условиями эксплуатации, на

личием или отсутствием прототипов, а также сроками создания, материальными затрата ми и т.п.

С учетом этих факторов принимаются решения о структуре и последовательности этапов экспериментальной отработки, о тре буемом числе структурных элементов, агрега тов и систем, необходимых для выполнения каждого из этапов, о соотношении видов пытаний и т. д.

Проектирование и отработка, проводи мые практически одновременно при создании ПГС ДУ, включают в себя решение ряда во просов не только по обеспечению надежности и эффективности элементов ПГС, но и по проверке их работоспособности в натурных условиях эксплуатации. В связи с этим на практике предусматривают большой объем различных видов испытаний, проводимых с применением сложного стендового и пусково го наземного оборудования. При этом специ ально создаются экспериментальные установ ки (как модельные, так и выполненные в нату ральную величину), новейшие технологиче ские приемы, позволяющие в совокупности воспроизводить или имитировать нагрузки на элементы конструкции ПГС, характерные для натурных условий при последующей эксплуа тации [2].

Современные стенды для испытаний ДУ представляют собой весьма сложные сооруже ния, включающие целый комплекс стендовых систем: силовую раму для установки объекта испытания, хранилища рабочих жидкостей и газов, емкости для слива компонентов, комму никации для подачи рабочих тел к объекту ис пытания, систему вакуумирования магистра лей и систему насыщения компонентов топли ва газами, системы энергоснабжения, ния испытаниями, регистрации и

их результатов, а также системы пожаротуше ния, дегазации, нейтрализации, дожигания татков топлива и т. д.

Использование тех или иных стендов для наземной отработки зависит от назначения и мощности ЖРДУ, применяемых компонентов, особенностей эксплуатации, этапов отработ ки, экономических соображений, складываю щейся кооперации предприятий разработчи ков (конструкторов, изготовителей, испытате лей) ДУ и изделия в целом. С учетом всех из ложенных обстоятельств и выбирают опти мальный вариант создания новой РН или мо дернизации уже существующей.

7.2.2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Отработка любого сложного технического объекта, в том числе и ЖРДУ, — одна из важ нейших составляющих обеспечения и контроля заданных уровней его качества и надежности. Именно на этой стадии создания новой техни ки получают экспериментальные показатели, определяющие действительный технический уровень объекта (ЖРДУ). Совершенно очевид но, что достижение высоких показателей на дежности возможно только при условии, когда организационно методические принципы отра

сформулированы на начальной стадии ЖРДУ и последовательно реализуют

всех стадиях отработки.

Методика экспериментальной отработки ЖРДУ определяется особенностями решения следующих вопросов:

методического планирования видов и объ ема отработки;

реализацией планов экспериментальной отработки;

оценкой эффективности эксперименталь ной отработки.

Методическое планирование эксперимен тальной отработки ЖРДУ направлено на опре деление последовательности и требуемых объ емов испытаний, содержание условий и режи мов их проведения, позволяющих получить информацию для оценки показателей надеж ности ДУ, используемую для формирования выводов при разработке заключения о техни ческом состоянии ДУ, а в последующем и о пригодности ее к проведению ЛКИ [3].

В задачи отработки входит решение сле дующих принципиальных вопросов:

исследование частных механизмов фи зических процессов с целью получения ис ходных данных, необходимых для создания изделия;

экспериментальная проверка соответст вия характеристик и систем изделия расчет ным данным.

Применительно, например, к кислород но водородным ЖРДУ, основные особенности решения указанных задач обусловлены в пер вую очередь:

пожаро и взрывоопасностью компонен тов топлива;

особенностями поведения конструкцион ных материалов при криогенных температурах; изменениями термодинамического состоя ния топлива в системах подачи, которые приво

дят к влиянию тепломассообменных процессов на характеристики систем питания ДУ [4].

Общие положения и порядок организа ции отработки регламентированы Положением РК 98 [5].

Реализация планов отработки определяется в основном экономическими и техническими возможностями при выполнении двух условий:

получением количественной информации о запасах работоспособного состояния каждой из отрабатываемых систем;

достоверности информации, характери зующей работоспособность систем в условиях, приближенных к натурным условиям эксплуа тации изделия.

Возможны две концепции проведения экспериментальной отработки изделий РКК.

Первая делает основной упор на проведе ние большого числа летных испытаний с це лью подтверждения правильности принятых технических решений и внесения изменений в конструкцию по результатам каждого летного испытания. Такая концепция отработки была принята, например, в США на ранних этапах развития ракетной техники (программы «Ат лас» и «Титан 1») и в СССР (программа «Вос ток»). Основным недостатком этого подхода к отработке является высокая стоимость и про должительность из за необходимости проведе ния большого числа летных испытаний при малой информативности каждого из них. Так, по программе «Атлас» потребовалось провести более 150 испытательных летных пусков, по программе «Титан 1» — более 30.

Второй подход предусматривает перенос основного объема отработки на наземные ис пытания, что требует воспроизведения в назем ных условиях штатных условий для функцио нирования объектов испытания. При этом на летные испытания выносятся только те пробле мы, которые невозможно отработать на Земле. Именно такой подход преобладает в настоящее время в практике ракетного двигателестроения, так как при огромных затратах на организацию и проведение летных испытаний они, как пра вило, оказываются менее информативными.

Эффективность отработки ДУ определяется оценкой ее технического состояния на соответ

ствие требованиям ТЗ на разработку. Мерой ра ботоспособности ДУ является надежность, ко личественным показателем которой принята ве4 роятность безотказной работы (ВБР).

ВБР оценивают по каждой из отрабаты ваемых систем ДУ (структурно функциональ

лия основным документом, определяющим комплекс конструктивных, научно методиче ских и организационно технических мероприя тий, направленных на получение требуемых значений показателей надежности заданных в ТЗ, является программа обеспечения надежности

(ПОН), которая в конечном счете определяет структуру процесса отработки. ПОН ДУ пред ставляет собой сводный документ, определяю щий номенклатуру, последовательность, объем

иметодическое обеспечение работ, выполнение которых на всех стадиях создания способствует обеспечению заданной надежности ДУ. ПОН и является основой для последующей разработки

комплексной программы экспериментальной от4 работки (КПЭО) и частных программ испыта ний, которые дополняют, уточняют и конкре тизируют работы, предусмотренные ПОН при отработке ДУ.

КПЭО представляет собой организаци онно технический документ, определяющий состав объектов испытаний, их цели и задачи, порядок проведения, а также содержащий све дения о порядке оценки показателей надежно сти по результатам экспериментальной отра ботки, о подтверждении требований по безо пасности, порядке создания конструкторской

иэксплуатационной документации, составе организаций, участвующих в отработке, о по рядке контроля за выполнением КПЭО.

7.2.3. ОСНОВНЫЕ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ, ПОДВЕРГАЕМЫЕ СТЕНДОВЫМ ИСПЫТАНИЯМ

Наиболее ответственным и трудоемким этапом, характеризующимся длительными сроками проведения работ и высокой стоимо стью, является комплексная отработка систем питания ДУ. Под ПГС питания понимают со вокупность пневмогидравлических элементов, включающих топливные баки, аккумуляторы давления, демпфирующие устройства, агрега

ты автоматики и регулирования, а также рас ходные магистрали, устройства и системы, обеспечивающие заправку баков компонента ми топлива, зарядку газами аккумуляторов давления, питание демпфирующих устройств, хранение рабочих продуктов без нарушения их эксплуатационных характеристик, предстарто вый и основной наддув газовых подушек ба ков, непрерывную подачу топлива с заданны ми расходами, давлениями и температурами на входы в двигатели при запуске и на различных режимах работы, слив топлива из баков, сброс газов из баков и аккумуляторов давления, а также функционирование агрегатов автомати ки и регулирования в соответствии с цикло граммой работы и программой полета.

Состав ПГС в определенной мере зависит от назначения ДУ, условий эксплуатации и ти па применяемого ЖРД.

ЖРД, предназначенные для установки на РН, имеют узкий круг задач, связанных в ос новном с обеспечением разгона и стабилиза ции на активном участке полета.

В ПГС ДУ РН и КА входят системы: топ ливная, заправки, наддува, ограничения давле ний наддува, управления состоянием топлива, а также вспомогательные системы. Каждая из этих комплексных систем, как правило, состоит из нескольки более простых функциональных частей, классифицируемых как подсистемы.

система ДУ включает: расходные магистрали (трубопроводы, уз

лы и агрегаты, обеспечивающие транспорти ровку (подачу) компонентов топлива);

заборные устройства (внутрибаковые уст ройства, обеспечивающие организованную по дачу компонентов из топливных емкостей с минимальными остатками);

устройства перелива, обеспечивающие пе рекачку компонентов из одной емкости в другую; устройства демпфирования колебаний уровня топлива, позволяющие уменьшить ам плитуды колебаний топлива в баках и магист

ралях; устройства управления положением топ

лива и разделения жидкой и газовой сред, обеспечивающие непрерывную подачу жидко го топлива в ЖРД (для ДУ КА).

Система заправки обеспечивает:

заправку топливом (слив, повторную за правку, дозаправку);

зарядку рабочими газами и их сброс при необходимости;

дренаж баков компонентов топлива.

Система наддува обеспечивает необходи мые давления в топливных баках и может со стоять из предпускового и основного наддувов.

Система ограничения давления состоит из комплекса устройств, предохраняющих ПГС от разрушения и разгерметизации в процессе отработки и эксплуатации.

Система управления состоянием топлива

обеспечивает требуемые характеристики и па раметры компонентов топлива при эксплуата ции ПГС (терморегулирование, контроль па раметров рабочей среды в баках, контроль аг регатного состояния топлива).

К вспомогательным системам относятся системы пневмоуправления агрегатами, про дувки, отбора проб на анализ, аварийного сли ва, нейтрализации.

При отработке ПГС ДУ используют два подхода:

1.Отработка элементов ПГС и ПГС в це лом при холодных и горячих проливках в со ставе систем питания натурных размеров до выхода на огневые стендовые испытания ДУ в составе блока (ступени) РН.

2.Отработку элементов ПГС и ПГС на мо дельных установках для разработки и уточнения методов определения параметров ПГС и выбора окончательного варианта ее конструкции.

При первом подходе в наземных условиях на стенде проверяют все режимы заправки, стоянок, термостатирования и слива компо нентов топлива с имитацией режимов работы

эксплуатации и увеличения экономических за трат на экспериментальные работы. Но это в конечном итоге оправдано, так как при после дующем проведении летных испытаний исклю чаются отказы и аварийные ситуации.

Во втором случае при создании крупно размерных РН из за ограниченных возможно стей испытательных стендов многие вопросы отработки решают на маломасштабных мо дельных установках. Это приводит к необхо димости проведения большого цикла испыта ний по проверке и отладке режимов заправки, слива, циркуляции и термостатирования ком понентов топлива в натурных системах пита ния ДУ на стартовом комплексе. При этом часть режимов работы принципиально не мо жет быть воспроизведена при модельных ис пытаниях и их проверку проводят уже при за ключительных испытаниях РН.

При проведении летных испытаний это может вызвать отказы некоторых систем и в итоге возрастание экономических затрат и, как

зволяющий в максимальном объеме проверить системы ДУ и режимы испытаний в процессе наземной отработки РН, является более пред почтительным по сравнению со вторым. Ниже дается описание и методы стендовой отработки основных пневмогидравлических систем ЖРДУ.

Общие сведения о системах заправки

Система заправки обеспечивает заполне ние топливных баков компонентами топлива, их опорожнение и слив в случае необходимо сти. По особенностям теплофизических про цессов, протекающих в баках при заправке, различают заправку высококипящими и крио генными компонентами. В настоящее время все большие требования предъявляют к точно сти заправки. Контроль заправки может про водиться массовым или объемным методами.

Для массовой заправки требуется нали чие сложных высокоточных весов или специ альных дозирующих устройств. При этом как в стендовых условиях, так и на стартовой пози ции, изделие (ДУ, блок или РН) жестко связа но с наземными средствами множеством элек тро , пневмо и гидрокоммуникаций, в связи с чем обеспечить высокую точность выдачи мас совой дозы весьма сложно. Массовый метод контроля в связи с этим обычно используется для относительно малых космических ДУ.

В блоках мощных РН обычно применяют объемный способ контроля уровня: по перели ву или по датчику уровня. Контроль уровня заправки проводят по дискретному датчику уровня, точки измерения на котором располо жены по высоте бака, при этом в верхней час ти бака датчик имеет большее число точек или устанавливается датчик с непрерывным сигна лом. Топливные баки с криогенными компо нентами могут быть выполнены с теплоизоля цией и без нее. Например, бак окислителя с жидким кислородом для первых ступеней РН в некоторых вариантах не теплоизолируется, что накладывает свои особенности на отработ ку технологии заправки, состав систем и пред стартовую подготовку. Пересчет объемной до зы на массовую может осуществляться анали тическими методами, учитывающими измене ние плотности компонента от температуры и потери на испарение.

Отработка систем заправки

При создании экспериментальных уста новок для отработки систем питания исходят из возможности совмещения решения задач на одной установке. Так, обычно совмещают ре шение задач заправки топливного бака, пред стартовой стоянки и отработки системы над дува на одной экспериментальной установке. При этом к конструкции материальной части для проведения работ предъявляют следующие требования:

максимально возможное соответствие стен дового варианта штатному;

обеспечение возможности проведения нескольких циклов испытаний на одной уста новке;

обеспечение замены ряда конструктивных элементов;

обеспечение безопасности при нии испытаний.

Испытательный стенд должен обеспечи

вать:

снабжение жидкими и газообразными продуктами;

имитацию штатных условий работы; управление циклограммой срабатывания

агрегатов; регистрацию и обработку измеряемых па

раметров; контроль параметров стендовых систем;

безопасность проведения испытаний с уче том требований техники безопасности и эколо гии.

Конечной целью экспериментальной от работки является выдача заключения о рабо тоспособности каждой из систем в составе ДУ, а также о готовности к огневым стендовым ис пытаниям, проводимым после завершения хо лодных испытаний.

Отработка систем заправки высококи пящих компонентов обычно не вызывает особых трудностей и состоит в проверке со ответствия требованиям ТЗ количества за правляемого компонента, обеспечения за данного объема газовой подушки в баке, достижения необходимой температуры ком понента и газосодержания. Для получения охлажденного или подогретого компонента, диапазон изменения, температуры которого обычно составляет / (45...50) С, применяют стендовые системы термостатирования, ис пользующие теплообменники с холодными (например, жидкий азот) или горячими (пар) теплоносителями.

Большую сложность представляет отра ботка системы заправки криогенными компо нентами.

Непосредственно перед заправкой бака, предназначенного для заполнения криоген ным компонентом, проводят вентиляцию его внутренней полости до достижения точки росы (55...70) С. При использовании в каче стве компонента жидкого водорода проводят, кроме того, так называемую водородную под готовку магистралей и бака изделия. Водород ная подготовка имеет целью удаление кисло рода, содержащегося в воздухе, и включает в себя многократное (6–8 циклов) полоскание (наддув–сброс) полостей газообразным азотом при температуре окружающей среды с после дующим замещением азота сначала на газооб разный, а затем (при захолаживании) — на жидкий водород. В особо ответственных слу чаях вместо азота используют гелий.

В процессе отработки системы заправки криогенными компонентами решают множест во задач, обусловленных особенностями таких компонентов. К их числу относятся, например, выбор скорости подачи компонента в бак и циклограммы проведения заправки, определе ние пропускной способности дренажно предо хранительного клапана, определение темпера турного профиля жидкости и газа в баке и др. Особые требования предъявляют к получению и поддержанию заданной температуры крио генного компонента в баке. Для этого исполь зуют системы термостатирования и барботиро вания.

При работе системы термостатирования компонент с низкой температурой подают в бак. При этом одновременно из бака сливают компонент; расходы жидкости на вход в бак и на слив из него должны быть одинаковыми, чтобы сохранялся постоянным уровень за правленного в бак компонента.

При отработке системы барботирования газообразный гелий подают в нижнюю часть

. Пузырьки газа, всплывая, увлекают за со жидкость, что приводит к выравниванию температурного поля жидкости по высоте бака. Кроме того, в газовые пузырьки гелия происхо дит испарение жидкости, что способствует не

которому снижению температуры жидкости. Целями отработки этих систем является

получение заданных параметров при конкрет ном конструктивном выполнении (высота рас положения и размеры коллектора подачи ком понента или газа, оптимальные режимы рабо

ты и др.), а также выбор окончательного вари анта конструкции, удовлетворяющего требова ниям ТЗ.

В процессе стоянки бака, заполненного криогенным компонентом, происходит изме нение уровня жидкости в баке, который сни

ния уровня в бак подают компонент по линии заправки с малым расходом.

Впроцессе предстартовой стоянки за правленного криогенного бака проверяют сис тему поддержания избыточного давления, оце нивают теплопритоки к жидкости и качество теплоизоляции, отрабатывают технологию подпитки бака, режимы работы систем термо статирования и барботирования. Кроме того, проверяют работу системы пожаровзрывопре дупреждения, системы обеспечения темпера турных режимов, системы аварийного слива компонентов.

Взадачи экспериментальной отработки системы захолаживания расходных топливных магистралей входят получение безударного за полнения насосов ЖРДУ криогенным топли вом к моменту запуска двигателя и обеспече ние заданной температуры жидкости на входе

внасосы, а также предотвращение гидроуда ров и кавитационного срыва насосов в про цессе запуска.

Всистемах с жидким кислородом захола живание расходных магистралей обычно про водят с помощью системы циркуляции, в ко торой кислород, охлаждающий расходную ма гистраль, возвращается в бак по линии цирку ляции. Для увеличения скорости движения жидкости в магистраль циркуляции вводят газ, создающий эффект так называемого газлифта. В системах с жидким водородом захолажива ние расходных магистралей обеспечивают протоком жидкости с последующим ее выбро сом.

Особое внимание должно быть обращено на совместную работу систем заполнения та ких компонентов, как жидкий кислород и ке росин. В случае размещения насосов окисли теля и горючего на одном валу турбонасосного агрегата возникает опасность замерзания керо сина при длительной стоянке с залитыми на сосами. При этом необходимо учитывать эф фект замкнутого пространства, создаваемый хвостовым отсеком.

Отработка систем наддува

Системы наддува топливных баков обес печивают создание в газовых подушках давле ний, необходимых для заполнения полостей насосов и запуска двигателей, а также для их нормальной работы в полете. На современных ракетах с ЖРД находят применение газобал лонные, газогенераторные, химические или ис парительные системы наддува. Системы надду ва по назначению обычно подразделяются на системы предварительного (предстартового) и основного (полетного) наддува.

Необходимость предстартового наддува баков после заправки диктуется требованиями обеспечения условий хранения (стоянки) ДУ, а также поддержания уровня предпусковых давлений в диапазоне, обеспечивающем беска витационную работу насосов, нормальное за полнение магистралей и запуск двигателей до момента выхода на режим агрегатов основного наддува. Наличие избыточного давления в тонкостенных баках придает им дополнитель ную устойчивость, особенно во время увеличе ния перегрузок, действующих на элементы конструкции при запуске ДУ.

Для предстартового наддува используют газы высокого давления от наземных агрегатов (баллонов). Такие системы наддува отдельную экспериментальную отработку обычно не про ходят. В некоторых случаях предстартовый над дув осуществляют с помощью химического над дува. Система химческого наддува использует компоненты (как правило, самовоспламеняю щиеся), заправленные в топливные баки ДУ. В газовый объем бака горючего впрыскивается окислитель (или наоборот горючее) для ния контролируемого процесса горения, приводит к повышению давления в баке.

ма химического наддува требует большого объе ма экспериментальной отработки. Целями таких исследований является обеспечение безопасно сти работы и получение заданных параметров. Экспериментальную отработку такой системы наддува проводят на модельной материальной части. При этом исследуют процессы, возни кающие при впрыске компонента на (или под) свободную поверхность топлива, влияние дроб ления впрыскиваемой струи, потребные расхо ды, оптимальные углы впрыска, уровни прием лемых температур стенок бака и топлива и др.

Целью экспериментальной отработки сис темы основного наддува топливного бака явля ется получение в процессе полета РН заданного давления в баке при минимально возможном

расходе газа наддува, так как баллоны наддува расположены на борту ракеты. С этой целью повышают температуру газа наддува, использу ют так называемый высокотемпературный над дув. Это, наряду с положительным эффектом снижением массы газа, приводит к тепломассо обменным процессам в газовом объеме бака и прогреву конструкции и верхнего слоя компо нента, что требует большого объема экспери ментальных работ

Для баков криогенными компонентами

вотечественной практике применяют системы наддува подогретыми парами компонента, в частности, для наддува бака с жидким водоро дом. Жидкий компонент после насоса посту пает в испаритель подогреватель, а затем в ви де паров идет на наддув бака. Возможно и схемное решение, когда подогретые пары от бираются от двигателя, например, из рубашки охлаждения камеры сгорания. Температура подогретых паров компонента при поступле нии в бак может превышать температуру со держащегося в нем компонента в 3...10 раз. В связи с этим отличительной особенностью высокотемпературного наддува бака с крио генным компонентом является наличие в газо вом объеме бака интенсивных тепломассооб менных процессов. Из за колебаний жидкости

вбаке при полете ракеты эти процессы интен сифицируются, поэтому наземная отработка систем наддува баков с криогенными компо нентами может проводиться на качающемся стенде с имитацией режимов и параметров ка чания бака в процессе полета ракеты.

Как свидетельствуют результаты летных испытаний РН, одним из распространенных замечаний по работе системы наддува является повышение температуры конструкции бака или температуры верхнего слоя жидкости вы ше допустимой. При этом результаты расчетов по существующим методикам значительно от личаются от экспериментальных данных. Это вызвано сложностью тепломассообменных процессов в баке, в значительной степени за висящих от конструкции бака и схемных ре шений. Часто замечания и дефекты, выявляе мые при экспериментальной отработке сис тем, являются следствием недостаточной изу ченности физических процессов, протекаю щих в системах вообще и наддува в частности.

Сэкономической и технологической то чек зрения изучение физических процессов целесообразно проводить на маломасштабных моделях, исследуя отдельные системы. Стро

гое соблюдение всех условий подобия процес сов на натуре и модели связано с большими трудностями, а иногда вообще оказывается не возможным. В связи с этим широкое примене ние получили методы приближенного модели рования.

Это, в первую очередь, относится к сис темам со сложными процессами, к числу кото рых относится система наддува топливного ба ка. При работе в газовом объеме бака осущест вляется теплообмен газа с конструкцией бака, тепломассообмен на границе фаз газ–жид кость, передача тепла в глубь жидкости и дру гие процессы. В таких случаях для моделиро вания выбирают тот критерий подобия, кото рый определяет основной характер процесса, пренебрегая другими.

Часто при экспериментальной отработке на моделях применяют местное (локальное) моделирование, при котором подобие процес сов, протекающих в модели и натуре, реализу ется не во всей модели, а только в отдельном ее элементе. В процессе экспериментальных исследований локальное моделирование по следовательно осуществляют в различных эле ментах системы и, таким образом, после цикла испытаний получают информацию о процес сах в целом, протекающих в натурной системе. Особенно широко локальное моделирование используют при моделировании систем и агре гатов, в которых основную роль играют тепло обменные процессы, так как в этих случаях трудно реализовать подобие температурных полей на всех границах модели, а сохранение подобия этих полей в отдельных элементах модели не представляет трудностей.

Задачами исследований на моделях, как правило, является проверка соответствия про цессов известным закономерностям. Используя большой опыт инженерной практики, в этих случаях применяют известные эмпирические зависимости, подходящие по диапазону изме нения критериев для исследуемого процесса. Численная оценка критериев подобия должна

сов в топливном баке при работе одной из систем наддува, которое включало в себя сле дующие этапы:

изучение течения газа в устройстве ввода газа в бак и на выходе из него;

исследование течения газа в свободном объеме бака, изменяющемся в процессе слива;

изучение прогрева верхнего слоя жидкости; изучение прогрева верхнего днища и сте

«Энергия», а также разработаны методики оценки основных параметров систем.

Система демпфирования

Применение в ПГС ДУ систем демпфи рования колебаний давления в топливоподаю щих магистралях обусловлено необходимо стью обеспечения продольной устойчивости РН в процессе полета. Опасность возникнове ния продольной неустойчивости РН тем боль ше, чем ближе собственные частоты колеба ний корпуса РН и колебаний топлива в систе ме питания. Поэтому один из методов повы шения запаса устойчивости, который нашел наибольшее распространение на практике, со стоит в изменении динамических характери стик расходных магистралей. При этом стре мятся понизить собственную частоту колеба ний топлива путем установки в систему пита ния демпферов различной конструкции, как правило, газового типа.

Основное назначение системы демпфи рования–гашение (уменьшение) в расходных магистралях гидроударов и провалов давления, возникающих в моменты запуска и останова ДУ, а также снижение амплитуд пульсаций давления при работе ДУ в полете, что и обес печивает в итоге повышение продольной ус тойчивости РН.

В задачи экспериментальной отработки системы демпфирования входят снятие ампли тудно фазовых частотных характеристик (АФЧХ) демпфера и подтверждение работо способности системы в условиях, максималь но приближенных к штатным. Эксперимен тальная установка обычно включает в себя бак с компонентом, расходную магистраль с демп фером и пульсатор, который имитирует близ кие к ожидаемым пульсации давления с задан ными частотой и амплитудой. При экспери ментах могут быть использованы крупномас штабные модели топливных баков и натурные или модельные магистрали питания масштаба в каждом конкретном случае деляется располагаемыми возможностями стенда и условиями гидродинамического по

добия. Для возбуждения колебаний давления используют пульсаторы различного типа: экс центриковые, электрогидравлические, элек тродинамические и др. Вид амплитудно фазо вых частотных характеристик, получаемых в процессе экспериментов, в определяющей ме ре зависит от конструктивного исполнения ба ка и магистрали питания (или их моделей), особенностей демпфирующих устройств, объе мов заполнения внутренних полостей жидко стью, вида вынужденных колебаний. Получе ние АФЧХ является конечной целью проводи мой отработки, по результатам которой кор ректируют окончательные конструктивные па раметры штатных систем демпфирования.

Определение работоспособности теплоизоляции топливных баков с криогенным компонентом

Теплоизоляция баков при работе в соста ве ПГС выполняет функцию защиты криоген ного топлива от внешних теплопритоков в пе риод предстартовых операций и на активном участке полета РН. Теплоизоляция работает в сложных условиях целого ряда воздействий, таких как большие перепады температур, су щественные деформации, вызванные измене нием размеров бака при заправке (а также при возможных сливах и повторных заправках компонента), действие аэродинамических сил при полете РН в плотных слоях атмосферы, вибрационные и акустические нагрузки при работе двигателей ДУ и др. Указанные виды нагружений приводят к изменениям характера тепло и массообменных процессов внутри па кета теплоизоляции, нарушают целостность материала теплоизоляции и уменьшают ресурс

ееработы.

Вэлементах ПГС ДУ используют различ ные типы теплоизоляции: пенопластовые, эк ранно вакуумные, композитные (или их соче тания) и др. Каждый из этих типов по своему откликается на воздействующие эксплуатаци онные факторы. Например, при использова нии широко распространенной пенопластовой изоляции в процессе эксплуатации могут воз никать следующие повреждения, приводящие к ухудшению ее теплоизоляционных качеств:

растрескивание пенопласта под действи ем термомеханических напряжений из за де формации бака при захолаживании, заправке и отогреве конструкций при наддуве бака;

отрыв отдельных частей пенопласта дав лением со стороны бака, создаваемым испа ряющимся на его поверхности конденсатом