Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 29 )

По результатам испытаний системы наддува оценивают произведение величины газовой постоянной и среднемассовой температуры газа в подушке бака модельной установки (RТгср)м. Потребные затраты газа mгн на наддув бака натурного изделия по результатам испытаний на модельной установке в первом приближении находят из соотношения:

, (5.4)

где  - масса газа, потребная на наддув натурного бака;  - начальная масса газа в подушке; рнср - среднее давление в натурном баке;  - изменение объема подушки натурного бака за время работы двигателя.

Эффективность организации внутрибаковых процессов при работе системы наддува можно оценивать с помощью коэффициента работоспособности газа. Он показывает, какая доля энергии, вошедшая в бак с газом наддува, пошла на совершение газом механической работы. Определяют коэффициент работоспособности:

, (5.5)

где  - коэффициент работоспособности газа; ро и рср- начальное и среднее значение давления в баке; V0 и ΔV - начальный объем подушки и изменение его за время эксперимента; - произведение массового расхода, продолжительности наддува бака, газовой постоянной и температуры газа на входе в бак.

При испытаниях системы наддува ЭУ оснащаются средствами измерений, позволяющими определить параметры: давление и уровень жидкости в баке; расход топлива из бака и расход газа на наддув бака; частоты колебаний бака и амплитуды колебаний зеркала жидкости; температуры топлива на выходе из бака и температуры газа наддува на входе в бак; поле температур по высоте бака в газовом объеме, в жидкости и в стенке бака; поле концентрации газа в подушке бака.

Таким образом, описанная экспериментальная установка дает возможность определить характеристики системы наддува при моделировании полетных условий эксплуатации в широких диапазонах изменения таких режимных параметров, как температура газа наддува Тгвх, давление в баке рб и частота вынужденных колебаний f [2, 3].

 

5.1.3. Прочностные характеристики элементов

 системы топливоподачи

 

Большинство элементов ПГС, особенно в системе криогенного топлива, функционируют при переменных значениях температур в весьма широких диапазонах их изменений (от 20 до 500 К). В то же время известно, что механические свойства конструкционных материалов существенно меняются в зависимости от температуры. С понижением температуры повышаются прочностные характеристики и снижаются пластические показатели большинства материалов. Характер изменения механических свойств материалов с понижением температуры в значительной степени определяется следующими факторами: технологией изготовления, конструктивным исполнением, особенностями механического нагружения при эксплуатации.

Расчетные оценки пределов прочности отдельных элементов ПГС являются приближенными и требуют экспериментального подтверждения в условиях, близких к режимам их эксплуатации, с учетом указанных факторов.

Критерием достаточной прочности элементов конструкции можно считать следующее условие:

, (5.6)

где  - коэффициент запаса прочности;  - предел прочности материала, определенный по результатам испытаний на ЭУ;  - предел прочности, назначенный по результатам расчетов;  - эквивалентное расчетное напряжение, соответствующее максимальному напряжению, при ожидаемых величинах эксплуатационных нагрузок;  - коэффициент безопасности, назначенный на основе опыта создания аналогичных конструкций.

Принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ для испытаний модели топливного бака с ее разрушением после многократных термоциклических и механических нагружений приведена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ

для определения прочности топливного бака

 

Установка снабжена бронезащитным кожухом 1, в который помещается объект испытания 2. Перед началом испытания во внутренней полости кожуха создается разрежение до 100 Па. Захолаживание и заправку объекта испытания натурным компонентом осуществляют через клапан 3, затем через клапан 4 наддувают его неконденсирующимся газом до рабочего давления и выдерживают давление неизменным в течение заданного промежутка времени. Сливают компонент, отогревают объект испытания до рабочего уровня температуры подачей газа в области объекта и кожуха через клапаны 5 и 6, а затем производят наддув объекта испытания до рабочего давления и выдержку в течение заданного промежутка времени. Изменение температуры конструкции объекта испытания, температуры газа в нем, давления и деформации материала контролируется соответственно по датчикам 8, 9, 10, 11.

Перечисленные операции имитируют термоудары и механическое нагружение. Они повторяются последовательно несколько раз в соответствии с программой испытаний. На последнем цикле термического и механического нагружения после заправки объекта испытаний криогенным топливом давление в нем повышают до наступления разрушения модельной емкости. Для случая, когда имеющейся на стенде величины давления газа наддува недостаточно, чтобы разрушить объект испытания, в схеме ЭУ предусмотрена подача криогенной жидкости через теплообменник-термокомпрессор 7. Он обеспечивает повышение давления за счет испарения криогенной жидкости и нагрева пара.

При испытаниях модели топливного бака эквивалентное натурному нагружение обечайки бака от действия внутреннего избыточного давления, продольной силы, изгибающего момента аэродинамического давления, поперечной силы, разницы нагрева смоченной и несмоченной части бака имитируют подбором величины испытательного внутреннего давления. При этом реализуют ожидаемые максимальные значения продольного и кольцевого напряжений. Применение же модели, конструктивно подобной натурному баку и технологии сварки, разработанной для натурного изделия, позволяют получить при испытаниях на ЭУ эквивалентное напряжение в материале с учетом упрочнения при температуре криогенной жидкости и ослабления от сварки элементов конструкции. По величине испытательного давления разрушения модельной емкости и величине деформации в момент времени разрушения определяют предельное значение напряжения для натурного бака, которое характеризует прочность натурного топливного бака.

Описанная ЭУ позволяет производить аналогичные испытания на прочность в статических условиях и других элементов ПГС, например: трубопроводов, газовых шар-баллонов системы наддува, погруженных при эксплуатации в криогенное топливо и др.

5.1.4. Определение работоспособности теплоизоляции

 

Теплоизоляция при работе в составе ПГС выполняет функцию защиты криогенного топлива от внешних теплопритоков в период предстартовых операций и на активном участке полета ДУ. В период эксплуатации теплоизоляция подвергается различным видам нагружения, которые приводят к изменениям характера тепло - и массообменных процессов внутри пакета теплоизоляции, нарушают целостность материала теплоизоляции и уменьшают ресурс ее работы.

В элементах ПГС ДУ используются различные типы теплоизоляции: пенопластовая, экранно-вакуумная, композитная и т. д. Каждый из этих типов по-своему откликается на воздействующие эксплуатационные факторы. На примере пенопластовой теплоизоляции можно показать, какие возникают повреждения в процессе ее эксплуатации в составе ДУ, приводящие к ухудшению ее теплоизоляционных качеств:

- растрескивание пенопласта под действием термомеханических напряжений из-за деформации бака при захолаживании, заправке и отогреве конструкций, при наддуве;

- отрыв отдельных частей пенопласта давлением со стороны бака, создаваемым испаряющимся на его поверхности конденсатом атмосферного воздуха при отогреве в период слива с наддувом;

- эрозия внешней поверхности теплоизоляции за счет скоростного напора и трения, создаваемых потоком набегающего воздуха;

- деструкция материала пенопласта под воздействием высокой температуры торможения набегающего потока воздуха при уменьшении давления по мере подъема ЛА в атмосфере;

- частичное механическое разрушение зоны контакта с баком от вибрационных и акустических нагрузок в период работы двигателей.

Наличие таких разнообразных условий нагружения несущей теплоизоляции топливных баков требует создания сложных модельных ЭУ для проверки ее работоспособности, подтверждения ее работы в составе крупномасштабных ЭУ и на натурном изделии.

На рис. 5.7 в качестве примера приведена принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ, предназначенная для моделирования процесса эрозии внешней поверхности пенопластовой теплоизоляции за счет воздействия скоростного напора и трения, создаваемых потоком набегающего горячего воздуха. Бак 1 с пакетом натурной теплоизоляции, помещенный в газодинамическую трубу 2, заправляют криогенным

Рис. 5.7. Принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ

для определения характеристик теплоизоляции бака

при имитации воздействия аэродинамического потока