Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 20 )

 Рис. 2.35. Основные системы испытательного стенда для имитации

высотных условий и охлаждения систем (газоотражателя)

 

Простейшим устройством является предварительно вакуумированная барокамера, в которую натекают газы из сопла двигателя, повышая давление в ней. В таком устройстве (рис 2.36,а) масса расходуемого топлива ограничена, которая может быть определена из уравнения Клапейрона- Менделеева

где рб – допустимое давление в барокамере объема Vб при температуре газов Тб. Поэтому такие устройства могут быть использованы для испытаний двигателя при воспламенении, других переходных режимах или ЖРД малой тяги (ЖРДМТ). Предварительно вакуумированный объем барокамеры может быть увеличен с помощью дополнительно подключаемой емкости (рис. 2.36,б).

Рис. 2.36. Схемы стенда для высотных испытаний двигателей:

а - барокамера; б - барокамера с дополнительной емкостью;

1 – барокамера; 2 – испытуемый двигатель; 3 – патрубок;

4 – отбрасываемая заглушка; 5 – дополнительная вакуумная емкость

 

Системы имитации высотных условий можно разделить на две группы:

- система с барокамерой и откачивающими средствами, содержащая выхлопные диффузоры и эжекторные установки, которая позволяет получить разрежение на срезе сопла двигателя на уровне 150…3000 Па;

- система с барокамерой и откачивающими средствами на основе конденсации выхлопных газов, где наряду с выхлопными диффузорами и эжекторными установками применяются устройства для конденсации газов на криопанелях, охлаждаемых до температуры 77 К (удаление водяного пара и двуокиси углерода) и 20 К (удаление кислорода и азота), позволяющая получить разрежение в полости барокамеры на уровне

10-2 ПА [9].

К первой группе относятся системы, представленные на рис. 2.35 и 2.37. На рис. 2.35 показана стендовая система имитации высотных условий при испытаниях ЖРД с использованием барокамеры, выхлопного диффузора (газодинамической трубы) и эжекторного устройства, которые могут применяться как по отдельности, так и совместно. Данная схема применима для испытаний высотных двигателей средних и больших тяг, которая позволяет одновременно уменьшить уровень шума ракетного двигателя с 150…160 Дб до 90…120 Дб [9].

На стенде фирмы “Мицубиси” (Япония) при испытании двигателя Le-5А с тягой 122 кН для создания высотных условий на срезе сопла использовалась система откачки с барокамерой, выхлопным диффузором и двухступенчатой эжекторной установкой, показанная на рис. 2.37. Выхлопной тракт стенда для испытаний двигателя Le-5А имеет длину более 100 м и баллонные батареи с регулирующей арматурой для обеспечения расхода парогаза 270 кг/с, подаваемого в эжекторные установки в течение 600 с.

 

Рис. 2.37. Схема высотного стенда для испытаний ДУ с двухступенчатой эжекторной системой откачки газов

 

Ко второй группе систем имитации высотных (космических) условий (разрежение меньше 10-2 Па) можно отнести систему конденсационного типа, в которых применяются откачные устройства для удаления газов с применением жидких азота и водорода. На рис. 2.38 показана комбинированная схема системы, применяемая в испытательном центре им. Арнольдса (США), для имитации высотных условий. В данной схеме используется комбинация систем: барокамера с откачивающими устройствами и теплообменные
устройства с криогенной откачкой газов [7].

 

Рис. 2.38. Схема системы имитации высотных условий с конденсационными устройствами в центре им. Арнольдса

 

Основным элементом имитирующих систем является выхлопной диффузор. Выхлопной диффузор представляет собой обратное сопло Лаваля, в котором происходит восстановление давления посредством системы последовательных ударных волн и постепенного, но не обязательно плавного замедления скорости потока до звуковой. Изменение параметров потока в тракте диффузора показано на рис. 2.39, где цифрами обозначены характерные сечения.

Простейшим выхлопным диффузором может быть прямая цилиндрическая труба, присоединенная либо к выходному сечению сопла двигателя, либо к камере. Зависимость геометрических характеристик диффузора типа цилиндрической трубы от параметров испытываемого двигателя, полученная экспериментально, представлена на рис. 2.40. В зависимости от диаметра критического сечения камеры dкр выбирается диаметр диффузора dд, а длина диффузора l на основании опыта выбирается из условия .

Рис. 2.39. Изменение параметров газа в выхлопном диффузоре

Рис. 2.40. Зависимость геометрических характеристик диффузоров

 

Несколько более эффективным является диффузор с переменной площадью поперечного сечения (рис. 2.41). Диффузор состоит из сужающегося входного участка 1, цилиндрической горловины 2 и расширяющегося выходного участка 3 (индекс “г” соответствует параметрам горловины диффузора).

Диффузоры со второй горловиной (первой горловиной является критическое сечение сопла двигателя) могут быть более низкое, чем у цилиндрических труб, рабочее полное давление на входе в диффузор, значение которого можно приблизительно определить, предположив, что прямой скачок уплотнения расположен в критическом сечении (горле) диффузора. При этом полное давление перед скачком вычисляется по статическому давлению за ним, принимаемому равным атмосферному. Исходя из этого условия определяется максимальная геометрическая степень сужения диффузора .

Рис. 2.41. Схема выхлопного диффузора с переменной площадью поперечного сечения:

1 - сужающийся входной участок; 2 - цилиндрическая горловина;

3 - расширяющийся выходной участок; 4 - барокамера; 5 -сопло двигателя

 

Анализ конструкции диффузора со второй горловиной показал, что его характеристики в значительной степени зависят от конструкции входной части и улучшаются, если  (см. рис. 2.40).

Полное давление на входе в диффузор, необходимое для его запуска (рк.з), можно определить исходя из того, что при запуске прямой скачок уплотнения должен находиться в выходном сечении сопла.

Расчетная схема диффузора представлена на рис. 2.39.

В процессе запуска происходит непрерывное изменение расхода газа через камеру сгорания, и скорость газа в различных сечениях камеры и диффузора можно определить из уравнения расхода с использованием газодинамических функций

(2.41)

где  давление и температура заторможенного потока в м сечении; Fi – площадь i-го перечного сечения диффузора;  - приведенная скорость;  – скорость газа; - cкорость газа в критическом сечении сверхзвукового сопла; - газодинамическая функция, характеризующая безразмерную плотность тока;  - расход газа.

Величина  и m определяются известными соотношениями газовой динамики:

где n – показатель политропы; R - газовая постоянная; g - ускорение свободного падения.

Для идеального газа имеем и уравнение (2.41) примет вид:

. (2.42)

Статическое давление в i–м сечении определится выражением:

(2.43)

где

Потери полного давления в тракте диффузора, включая сопло двигателя, определяются выражением:

, (2.44)

где  потери давления в прямом скачке уплотнения; - давление окружающей среды;  - давление заторможенного потока в нулевом сечении (давление в камере).

В настоящее время распространен метод расчета, в котором все потери (давления и скорости) сосредоточены в одном прямом скачке уплотнения, движущемся по соплу от сечения 0-0 при увеличении давления в камере сгорания.