Разработка технологий использования сжиженного природного газа (метан, пропан, бутан) в качестве топлива для ракетно-космической техники нового поколения и создание стендового демонстрационного образца ракетного двигателя
На пятом этапе выполнения ПНИ была проведена серия огневых испытаний СДО ДРД доработанного по результатам его предварительных испытаний. На рисунке 1 показана фотография СДО ДРД, установленного на испытательный стенд (ИС). Согласно методике, разработанной на этапе 4, тягоизмерительная система была откалибрована с использованием эталонного датчика усилий.
Рисунок 1 — Стендовый демонстрационный образец ДРД, установленный на ИС.
Испытания СДО ДРД проводились в режиме холодной продувки и в огневых режимах с повышением давления в камере сгорания до 30 атм. При проведении испытаний кроме давления в камере сгорания регистрировались тяга, расходы топливных компонентов и наличие непрерывно-детонационного рабочего процесса в СДО ДРД. Датчик давления в камере сгорания был подсоединен через трубку диаметром 2 мм длиной 100 мм. Для регистрации рабочего процесса использовались 3 ионизационных зонда, установленных в окрестности днища камеры сгорания.
На рисунке 2 показан пример Фурье-анализа записей ионизационных зондов в огневом испытании СДО ДРД при давлении в камере сгорания 19 атм. Видно, что рабочий процесс протекает с характерной частотой 6 кГц. Такая частота соответствует циркуляции одной детонационной волны (ДВ) в кольцевом зазоре камеры сгорания со скоростью около 1900 м/с. В целом, результаты испытаний показали, что при среднем давлении в камере сгорания ДРД от 5 до 20 атм и при составе топливной смеси с коэффициентом избытка горючего (КИГ) равным 1.2 всегда наблюдался рабочий процесс с характерной частотой вращения ДВ около 6 кГц. На рисунке 3 приведен фрагмент записи низкочастотного датчика давления в камере сгорания СДО ДРД в том же испытании, что и на рисунке 2. Хорошо видны пульсации давления с амплитудой до 4 атм и с частотой около 6 кГц. Последнее подтверждает данные, полученные при регистрации рабочего процесса с помощью ионизационных зондов.
Рисунок 2 — Фурье-анализ записей ионизационных зондов в огневом испытании СДО ДРД
при среднем давлении в камере сгорания 19 атм.
Рисунок 3 — Фрагмент записи давления в камере сгорания от времени.
На рисунке 4 показаны кадры видеосъемки огневых испытаний СДО ДРД и выхлопных струй продуктов детонации, полученные с помощью широкоугольной видеокамеры с частотой съемки 60 кадр/с и высокоскоростной видеокамеры с частотой съемки 4000 кадр/с. Кадры приведены для испытаний СДО ДРД со средним давлением в камере сгорания от 18 до 24 атм.
В таблице 1 приведены результаты экспериментов: давление в камере сгорания, полный расход через камеру сгорания, коэффициентов избытка воздуха, тяга и удельный импульс.
На рисунке 5 приведена полученная в ходе испытаний СДО ДРД зависимость удельного импульса от среднего давления в камере сгорания. Видно, что удельный импульс увеличивается с ростом среднего давления в камере сгорания и при среднем давлении 24 атм составляет 260 с.
(а)
(б)
(в)
(г)
(д)
Рисунок 4 — Кадры видеосъемки огневых испытаний СДО ДРД и выхлопных струй: (а) – среднее давление в камере сгорания 19 атм, 60 кадр/с, (б) 20 атм, 60 кадр/с, (в) 24 атм, 60 кадр/с, (г) 18 атм, 4000 кадр/с, (д) 24 атм, 4000 кадр/с.
Таблица 1 – Результаты огневых испытаний СДО ДРД
№ |
Рс, атм |
R, кг/с |
Ф |
F, кГс |
I, с |
1 |
5 |
0.25 |
1.3 |
37 |
148 |
2 |
9.5 |
0.45 |
0.96 |
86 |
190 |
3 |
12.8 |
0.58 |
1.1 |
124 |
214 |
4 |
13.5 |
0.65 |
1.3 |
131 |
202 |
5 |
19 |
0.87 |
1.1 |
213 |
245 |
6 |
24 |
1.00 |
1.2 |
260 |
260 |
7 |
30 |
1.14 |
1.2 |
308 |
270 |
Рисунок 5 — Экспериментальная зависимость удельного импульса от среднего давления
в камере сгорания СДО ДРД
На рисунках 6 и 7 приведены примеры записи датчика давления в камере сгорания СДО ДРД и датчика усилия для огневого испытания №6 из таблицы 1. Из рисунка 6. видно, что в данном испытании среднее давление в камере сгорания держится на уровне 24 атм в течение 500 мс, а тяга, развиваемая СДО ДРД, составляет 260 кГс.
Рисунок 6 — Пример записи давления в камере сгорания СДО ДРД в огневом испытании №6.
Рисунок 7 — Пример записи датчика усилия, создаваемого СДО ДРД
в огневом испытании №6.
Таким образом, в огневых испытаниях СДО ДРД улучшенной конструкции достигнуто целевое значение удельного импульса в 270 с при тяге 308 кГс.
|
