Устройство для измерения основных параметров малоразмерного ракетного двигателя
Изобретение относится к области измерения основных параметров, характеризующих работу малоразмерного ракетного двигателя. Сущность: устройство содержит сопло, несколько электродов. Первичным электродом является стенка сопла. Вторичными являются электроды, расположенные в зоне течения продуктов сгорания и соединенные с измерительной цепью. При этом вторичный электрод установлен за срезом сопла и выполнен в виде конуса с углом у основания большим или равным 45°. Величина диаметра основания конуса больше величины диаметра среза сопла. Технический результат: повышение точности измерения за счет увеличения абсолютной величины разности потенциалов 3 ил. 
Изобретение относится к области измерения основных параметров, характеризующих работу малоразмерного ракетного двигателя. Преимущественная область использования - техническая диагностика (определение основных параметров) малоразмерных ракетных двигателей в стендовых условиях.
В настоящее время один из основных параметров малоразмерного ракетного двигателя - тягу - определяют или непосредственно с помощью устройства, состоящего из упругой балки с расположенными на ней чувствительными датчиками и самим двигателем, или косвенным путем на величине давления в камере сгорания.
Однако эти устройства определения тяги двигателя обладают рядом недостатков:
1. упругая балка вместе с двигателем представляет собой устройство с большой инертностью, что требует увеличения времени работы двигателя и увеличения объема барокамер, в которых проводятся огневые пуски двигателей с имитацией одного из условий космического пространства - низкого давления на срезе сопла;
2. устройство для косвенного определения тяги по давлению в камере сгорания обязательно требует определения коэффициента тяги с применением упругой балки и нарушения целостности камеры сгорания.
Известно устройство для определения ионной проводимости продуктов сгорания, по которой можно судить о тяге двигателя. Это устройство состоит из двух электродов, помещенных в зону горения и включенных в электрическую цепь. Величина тока в цепи зависит от приложенного к электродам напряжения, температуры и состава продуктов сгорания. Это устройство обладает рядом существенных недостатков:
1. судить о тяге с помощью такого устройства весьма затруднительно, так как измерения проводятся локально и поэтому не учитываются характеристики продуктов сгорания во всем объеме камеры сгорания;
2. приходиться нарушать целостность камеры сгорания;
3. электроды и изоляционный материал быстро нагреваются до недопустимо высоких температур;
4. нагретые изоляционные материалы (керамика) становятся проводниками тока и между электродами возникает ток электронной эмиссии, который практически невозможно отделить от тока ионной проводимости;
5. необходимость в источнике тока высокого напряжения - сотни и тысячи вольт, - что весьма неудобно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство (иначе - счетчик) для измерения тяги воздушно-реактивного двигателя. Это устройство состоит из нескольких электродов, одним из которых является стенка камеры сгорания, остальные, вторичные, электроды расположены в пристеночном слое продуктов сгорания непосредственно в камере сгорания [3]. Это устройство позволяет определять разность потенциалов 
между стенкой камеры сгорания и продуктами сгорания пристеночного слоя; по величине разности потенциалов судят о величине тяги двигателя. Это устройство обладает следующими недостатками:
1. малой информативностью получаемой информации, так как вторичные электроды, расположенные в пристеночном слое, не контактируют с основной массой продуктов сгорания;
2. большими погрешностями измерений, так как величина разности потенциалов , определяемая между стенкой камеры сгорания и вторичными электродами, невелика, что обусловлено малой поверхностью вторичных электродов;
3. наличие в электрической измерительной цепи стороннего источника тока, что также уменьшает информативность измерений и увеличивает погрешность измерений.
Целью настоящего изобретения является существенное увеличение информативности и точности измерений основных параметров малоразмерного ракетного двигателя.
Указанная цель достигается тем, что вторичный электрод установлен за срезом сопла малоразмерного ракетного двигателя и выполнен в виде конуса с углом у основания 45 или более градусов и диаметр основания которого больше диаметра среза сопла.
Сравнение заявляемого решения с прототипом и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, аналогичные заявляемому решению, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию "существенные отличия".
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом на фиг.1, на котором представлены вторичный электрод в виде сплошного конуса и общая схема измерений. На фиг.2 представлена копия осциллограммы с записью разности потенциалов и давления в камере сгорания Рк. На фиг.3 представлены экспериментальные зависимости разности потенциалов от давления топлива на входе в двигатель =f(Рвх) и давления продуктов сгорания в камере сгорания Рк от давления топлива на входе в двигатель Рк=f(Рвх).
Предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из сплошного вторичного электрода 1, выполненного в виде конуса с углом у основания 45 или более градусов и диаметр основания которого больше диаметра среза сопла малоразмерного ракетного двигателя и установленного за срезом сопла 2 соосно с ним. Вторичный электрод электрически изолирован от конструкции двигателя.
Вторичный электрод 1 и сверхзвуковое сопло 2 (или камера сгорания, если камера сгорания и сопло выполнены как одно целое) с помощью электрических проводников соединены с усилителем 3, на входе которого обязательно ставится большое входное сопротивление (на фиг.1 не показанное); усилитель, в свою очередь, соединен с выпрямителем 4, который через конденсатор 5 соединен с регистрирующим прибором 6, которым, в частности, может быть осциллограф.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Истекающие из сопла 2 продукты сгорания 7 взаимодействуют со вторичным электродом 1. Форма вторичного электрода, выполненного в виде конуса с углом у основания 45 или более градусов обусловливает отражение продуктов сгорания под углом 90 и более градусов к оси двигателя и вторичного электрода, что предотвращает взаимодействие отраженных продуктов сгорания с падающими на вторичный электрод продуктами сгорания и увеличивается поверхность вторичного электрода, что обеспечивает более полное взаимодействие электрических зарядов, находящихся в продуктах сгорания, со вторичным электродом. Величина диаметра основания конуса, выполняемая больше диаметра среза сопла, обусловливает попадание всех продуктов сгорания на вторичный электрод.
В результате взаимодействия продуктов сгорания 7 со вторичным электродом 1 между соплом 2, являющегося первичным электродом, и вторичным электродом 1 возникает некоторая разность потенциалов . Эта разность потенциалов с помощью электрических проводников подается на усилитель 3, где величина разности потенциалов усиливается и далее выпрямляется в выпрямителе 4. После выпрямителя 4 разность потенциалов через конденсатор 5 подается на регистрирующий прибор 6, например, на осциллограф. По величине регистрируемой разности потенциалов и судят об основных параметрах малоразмерного ракетного двигателя. Для получения зависимостей разности потенциалов от основных параметров малоразмерного ракетного двигателя необходимо предварительно проводить специальные огневые испытания с одновременными измерениями основных параметров ракетного двигателя традиционными способами и устройствами и разности потенциалов.
На фиг.2 представлена копия осциллограммы, полученной при экспериментальном исследовании предлагаемого устройства. На фиг.2 обозначены:
Рк=f(
) - зависимость давления в камере сгорания Рк от времени работы двигателя;
=f() - зависимость разности потенциалов от времени работы двигателя;
кл - время работы двигателя;
- время появления электрического сигнала после момента подачи топлива в камеру сгорания;
р - время появления сигнала Рк, определяемого с помощью индуктивного датчика давления, собственная частота которого составляет не менее 10 кГц;
0,01 c - величина отметчика времени.
Как показали экспериментальные исследования, между величиной разности потенциалов и основными параметрами, характеризующими работу двигателя на различных режимах его работы, существует определенная зависимость. На фиг.3 представлены такие зависимости:
1) 
- зависимость среднего значения разности потенциалов 
от давления топлива на входе в двигатель Рвх ;
2) 
- зависимость среднего значения давления в камере сгорания от давления топлива на входе в двигатель Рвх .
Очевидно, приведенные зависимости 
и на фиг.2 и 3 позволяют судить не только об основных параметрах двигателя, но и анализировать работоспособность двигателя вообще. Например, на фиг.2 видно, что вскоре после начала работы двигателя величина падает до нуля, что говорит об очень кратковременном прекращении подачи топлива в камеру сгорания, в то время как индуктивный датчик давления Рк реагирует на это едва заметным утолщением линии на зависимости Рк=f(). Не реагирует на это и устройство, выполненное по схеме патента США [3].
По сравнению с прототипом [3] предлагаемое устройство позволяет:
1. повысить информативность измерений, по которым судят об основных параметрах двигателя и о его работоспособности за счет того, что вторичный электрод контактирует практически со всей массой продуктов сгорания и в измерительной цепи отсутствует источник электрического тока;
2. увеличить точность определения основных параметров двигателя за счет того, что увеличивается абсолютная величина разности потенциалов , так как предлагаемый вторичный электрод интегрирует электрические заряды практически со всей массы продуктов сгорания, а не с пристеночной ее частью;
3. уменьшить стоимость проведения огневых испытаний за счет уменьшения времени работы двигателя на стенде, так как предлагаемое устройство позволяет получать электрический сигнал, являющийся практически безинерционным;
4. на уже существующих стендах с имеющимися барокамерами проводить огневые испытания двигателей с большей тягой за счет уменьшения времени огневой работы двигателей;
5. расширить технологические возможности стендов при определении основных параметров малоразмерных ракетных двигателей.
Формула изобретения
Устройство для измерения основных параметров малоразрядного ракетного двигателя, содержащее сопло, несколько электродов, первичным из которых является стенка сопла, а вторичным являются электроды, расположенные в зоне течения продуктов сгорания и соединенные с измерительной цепью, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения абсолютной величены разности потенциалов, вторичный электрод установлен за срезом сопла и выполнен в виде конуса с углом у основания большим или равным 45°, причем величина диаметра основания конуса больше величины диаметра среза сопла.
РИСУНКИ
