способ измерения силы тяги реактивного двигателя и стенд для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения силы тяги реактивной двигательной установки с помощью первичного преобразователя, заключающийся в измерении воздействия ракетного двигателя на первичный преобразователь, при этом передача воздействия от платформы на первичный преобразователь производится с помощью промежуточного элемента, отличающийся тем, что регистрация воздействия двигательной установки производится в барокамере, при этом производится регистрация усилия во времени, а двигательная установка с оснасткой, на которой она смонтирована, предварительно обезвешивается таким образом, что точка регистрации усилий находится на одной оси с центром масс системы, состоящей из двигательной установки и оснастки, и точкой приложения вектора тяги двигательной установки, а реакции в точках крепления системы обезвешивания, в точке регистрации усилий и вектор тяги двигательной установки пересекаются в одной точке, совпадающей с центром масс системы, причем за счет предварительного поджатия в точке регистрации усилий обеспечивается фиксация двигательной установки, а на датчике регистрации усилий предварительно создается усилие, равное ожидаемой тяге двигательной установки, при этом датчик регистрации усилий находится вне зоны влияния на его точность измерения магнитных и электрических полей двигательной установки, причем между двигательной установкой и датчиками обеспечивается электрическая развязка.

2. Стенд для реализации способа измерений тяги реактивной двигательной установки, содержащий опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором промежуточного элемента для передачи усилий, отличающийся тем, что двигательная установка располагается на подвижной платформе, выполненной в виде плиты, подвешенной в вертикальной плоскости в одной точке за торцевую поверхность, а на плоскостях, перпендикулярных к торцевой поверхности плиты, выполнены штатные узлы крепления двигательной установки, причем с одной стороны устанавливается исследуемая двигательная установка, а с другой - ее габаритно-весовой макет, кроме того, на плите устанавливаются регулируемые балансировочные грузы, при этом не менее чем в трех точках на торцевой поверхности и перпендикулярно плоскости установки габаритно-весового макета выполнены резьбовые отверстия с установленными, хотя бы в одном из них, тонкостенными стержнями, выполненными из диэлектрического материала, при этом на противоположном конце стержня имеется свободно вращающийся шар, а точка пересечения осей стержней и подвеса совпадает с центром масс системы, состоящей из двигательной установки, платформы и оснастки, причем датчики регистрации усилий, установленные на опорах, имеют возможность перемещения с помощью микроподачи.

3. Стенд по п.2, отличающийся тем, что на стержне устанавливается съемный цилиндрический шарнир, обеспечивающий вращение стержня вокруг одной из осей и свободное перемещение вдоль этой оси.

Описание изобретения к патенту

При разработке и проведении испытаний двигательных установок различного типа одной из наиболее важных характеристик является характеристика тяги ДУ. Предлагаемое изобретение относится к области испытаний реактивных двигателей, в частности к области способов и устройств, для определения силы тяги электрореактивных двигателей.

Наибольшая трудность в определении тяги двигательной установки (ДУ) возникает ввиду того, что объект испытаний в таких случаях имеет значительные габариты и массу, а регистрируемые нагрузки находятся на грани точности измерений применяемой аппаратуры. Сама процедура регистрации нагрузок достаточно тривиальна и включает в себя размещение объекта испытаний на стенде на оснастке различного типа (например, на различных динамометрических платформах), подключение регистрирующей аппаратуры (различные силоизмерители), запуск источника нагрузки и регистрацию воздействий. Например, авт. св. СССР 518652, 459698, 608066 и др. Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится (прототип) "Способ определения импульса силы тяги ракетного двигателя и стенд для его осуществления", патент РФ 2091736, кл. G 01 L 5/13. Способ определения импульса силы тяги ракетного двигателя с помощью первичного преобразователя, заключающийся в измерении воздействия ракетного двигателя на первичный преобразователь через фрикцион. Затем определяют импульс тяги двигателя по формуле, учитывающей воздействие, полученное с помощью первичного преобразователя. Сам стенд включает опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором, продольный фрикцион, обеспечивающий передачу воздействия от двигателя к устройству измерения. При регистрации воздействия от реактивного двигателя импульс силы может определяться либо как интегральная величина, либо как зависимость силы от времени. В первом случае о работе двигательной установки получается информация лишь общего характера, и она редко бывает достаточной для оценки, например, уровней микровибраций на космический аппарат. Существенным недостатком рассмотренных выше как способов испытаний, так и самих стендов является также их низкая точность при определении тяги двигательных установок с величиной силы тяги в несколько грамм (например, их малая пригодность для определения тяги электрореактивных двигателей). При массе вместе с необходимой арматурой в десятки кг тяга электрореактивных двигателей (ЭРД) может составлять 2 г. Погрешность определения тяги ЭРД на рассмотренных стендах становится соизмеримой с величиной самой тяги. Кроме того, сами испытания должны проводиться в вакуумной камере, так как наличие атмосферы существенно влияет на характеристики ЭРД. Размещение известных стендов в барокамере невозможно. Т.е. стенд должен быть малогабаритным и допускать достаточно простой монтаж - демонтаж. Помимо этого в зоне плазменного факела не должно быть посторонних предметов (в первую очередь металлических). Таким образом, ни один из известных авторам стендов и способов определения тяги реактивных двигателей для определения с приемлемой точностью тяги малых ЭРД не годится.

Целью предлагаемого изобретения является исключение указанных недостатков, что позволит более точно определять характеристики импульсного воздействия реактивных двигательных установок малой тяги. Предлагаемый способ измерения силы тяги реактивной двигательной установки с помощью первичного преобразователя заключается в измерении воздействия ракетного двигателя на первичный преобразователь, при этом передача воздействия от платформы на первичный преобразователь производится с помощью промежуточного элемента. Отличается от известных способов тем, что регистрация воздействия двигательной установки производится в барокамере, при этом производится регистрация усилия во времени. Двигательная установка с оснасткой, на которой она смонтирована, предварительно обезвешивается таким образом, что точка регистрации усилий находится на одной оси с центром масс системы, состоящей из двигательной установки и оснастки, и точки приложения вектора тяги. Реакции в точках крепления системы обезвешивания, в точке регистрации усилий и вектор тяги двигательной установки пересекаются в одной точке, совпадающей с центром масс системы. Причем за счет предварительного поджатия датчика регистрации усилий в точке регистрации усилий обеспечивается фиксация двигательной установки. А на датчиках регистрации усилий предварительно создается усилие, равное ожидаемой тяге двигательной установки. При этом датчики регистрации усилий находятся вне зоны влияния на их точность измерения магнитных и электрических полей двигательной установки, причем между двигательной установкой и датчиками обеспечивается электрическая развязка.

Стенд для реализации способа измерений тяги реактивной двигательной установки содержит опору, первичный преобразователь, соединенный с регистратором, промежуточный элемент для передачи усилий. Отличается данный стенд от известных тем, что двигательная установка располагается на подвижной платформе, выполненной в виде плиты и подвешенной в вертикальной плоскости в одной точке за торцевую поверхность. На плоскостях, перпендикулярных к торцевой поверхности плиты, выполнены штатные узлы крепления двигательной установки, причем с одной стороны устанавливается исследуемая двигательная установка, а с другой - ее габаритно-весовой макет. Кроме того, на плите устанавливаются регулируемые балансировочные грузы. При этом не менее чем в трех точках на торцевой поверхности и перпендикулярно плоскости установки габаритно-весового макета выполнены резьбовые отверстия с установленными, хотя бы в одном из них, тонкостенными стержнями. Стержни выполнены из диэлектрического материала, при этом на противоположном конце стержня имеется свободно вращающийся шар. Точка пересечения осей стержней и подвеса совпадает с центром масс системы, состоящей из двигательной установки, платформы и оснастки. Датчики регистрации усилий, установленные на опорах, имеют возможность перемещения с помощью микроподачи. Возможен вариант изготовления стенда, отличающийся тем, что на стержне устанавливается съемный цилиндрический шарнир, обеспечивающий вращение стержня вокруг одной из осей и свободное перемещение вдоль этой оси.

Суть изобретения может быть пояснена следующим образом. Для получения точной характеристики тяги двигательной установки определение воздействия проводится в виде зависимости силы от времени. Для исключения влияния сил трения двигательная установка вместе с оснасткой, на которой она размещается, обезвешивается. Обезвешивание проводится таким образом, чтобы реакция в точке подвеса проходила через центр масс системы, состоящей из двигательной установки и оснастки. Через эту же точку должны проходить и реакции от точки регистрации усилий. Это позволяет исключить возникновение крутящих и изгибающих моментов относительно центра масс системы, а также влияние сил трения и, таким образом, повысить точность определения воздействия от двигательной установки. При совпадении направления вектора тяги двигательной установки и оси, на которой лежат центр масс системы и точка регистрации усилий, зависимость силы тяги от времени будет определена достаточно точно. Предварительное поджатие и фиксация в точке регистрации усилия исключают необходимость учитывать динамику системы (перемещение различных масс и оснастки), так как измерения проводятся в статическом положении. Поджатие выполняется таким образом, что в точках регистрации усилий на датчиках создается предварительное усилие, соответствующее номинальным значениям рабочего диапазона датчиков. Такое поджатие гарантирует работу датчиков в наиболее благоприятных для них диапазонах (погрешность в этом случае будет минимальна). Кроме того, во время работы датчик будет всегда поджат, и можно использовать датчики, работающие только на сжатие (их цена в 5-6 раз меньше датчиков, которые работают на сжатие - растяжение). Это существенно упрощает как требования к типу используемых датчиков, так и саму схему измерений. Существенную погрешность могут вносить на точность измерений электрические и магнитные поля, возникающие при работе электрореактивных двигателей, так как наиболее чувствительными к таким воздействиям являются пьезоэлектрические датчики измерений. А пьезоэлектрические датчики наиболее пригодны для измерений малых значений величин, так как их динамический диапазон может достигать значений в несколько десятков тысяч единиц. Таким образом, вынесение регистрирующих датчиков из зоны воздействия электрических и магнитных полей существенно повысит точность регистрации усилий (электрическая развязка двигательной установки и датчиков регистрации усилий позволяет уменьшить наводки в каналах регистрации).

Суть изобретения также поясняется чертежами, где на фиг.1-4 показан стенд для реализации способа измерения тяги реактивного двигателя. Стенд состоит из плиты 1, вывешенной на тросе 2, причем ось троса проходит через центр масс плиты. На торцевых поверхностях плиты 3 выполнены резьбовые отверстия 4, в которые устанавливается стержень 5 для передачи усилий. Стержень выполнен из диэлектрического материала и заканчивается свободно вращающимся шаром 6. Наличие свободно вращающегося шара 6 на конце стержня обеспечивает самоцентрирование оси стержня и реакцию со стороны датчика регистрации усилий 7 по направлению оси стержня. На плите (на ее плоской части) с двух сторон выполнены узлы крепления ДУ 8 и регулируемого габаритно-весового макета 9. Габаритно-весовой макет ДУ имеет точки крепления и центр масс, аналогичный испытываемой ДУ, а, кроме того, еще дополнительные балансировочные грузы 10, позволяющие более точно регулировать положение центра масс системы, состоящей из двигательной установки, подвижной платформы и оснастки, установленной на ней. Выполнение стержня из диэлектрического материала исключает электрический контакт ДУ и датчиков. Кроме того, в состав стенда входит опора 11 с установленными на ней датчиками регистрации усилий 7. Датчики регистрации усилия 7 за счет микроподачи 12 поджимаются к шарам 6, и на датчиках обеспечивается предварительное усилие, равное ожидаемой тяге двигательной установки. При выборе датчиков силы (ассортимент их в настоящее время достаточно широк) применяют те датчики, номинал которых соответствует ожидаемой тяге двигательной установки. Возможен вариант стенда (фиг.4) такой, что на стержне 5 устанавливается съемный цилиндрический шарнир 13, обеспечивающий вращение стержня вокруг одной из осей и свободное перемещение вдоль этой оси. Возможность принципиального построения схемы микроподачи показана на фиг.3, где 11 - опора. Датчик силы 7 с помощью механизма микроподачи 13 поджимается к шару 6 стержня 5.

Иногда при испытаниях (когда не требуется высокая точность измерений) удобнее, установив на стержне съемный цилиндрический шарнир 13, обеспечивающий вращение стержня вокруг одной из осей и свободное перемещение вдоль этой оси, проводить измерения по схеме, показанной на фиг.4. Процедура обезвешивания и расположения точек регистрации усилий на одной оси с центром масс системы и вектором тяги двигательной установки относится к "ноу-хау" данного изобретения и в заявляемых материалах не рассматривается специально.

Пример практической реализации

В НПО ПМ в настоящее время на разрабатываемых КА используются стационарные плазменные двигатели типа М-70, М-100 с номинальной тягой 4 и 8 г соответственно (8 и 16 г при работе двух ДУ в одном блоке). Для проведения испытаний согласно рассмотренной в заявке методике на предприятии заканчивается выпуск технической документации и начинается изготовление оборудования. Начало стендовых испытаний - июнь 2001 г. Работы предполагается проводить по определению тяги ДУ на основе двух М-100. Испытания будут проводиться в вакуумной камере КВУ-400. Рабочая зона имеет диаметр 5100 мм и высоту 10000 мм. Рабочее давление в камере ~10^-6 мм рт.ст. Масса ДУ с магистралями для подвода ксенона ~ 17,5 кг. Для регистрации усилий предполагается использовать преобразователи силы ПС-1-50 на основе интегральных балочных преобразователей ТКБ-6 с номинальным усилием 50 г и динамическим диапазоном 10⁴. Для установки ДУ и ее габаритно-весового макета используется прямоугольная алюминиевая плита толщиной 20 мм. Стержни диаметром 10 мм и длиной 800 мм изготавливаются из углепластика с металлическими законцовками, с одной стороны у которых выполнена резьба, а с другой установлен свободно вращающийся шар. Масса балансировочных грузов составляет 4,5 кг. Процедура монтажа включает в себя следующие операции. Первоначально монтируется на плите ДУ и ее габаритно-весовой макет, затем устанавливается стержень и проводится вывеска системы. Процедура вывески состоит в обеспечении расположения стержня в горизонтальной плоскости и совмещении точки регистрации усилий с шаром на конце стержня за счет регулировки балансировочными грузами. Затем с помощью механизма микроподачи в точке регистрации усилий обеспечивается усилие ~ 20 г. После этого КВУ-400 закрывается, обеспечивается необходимый для работы вакуум, включается ДУ и регистрируется тяга ДУ.