Стенд для определения составляющих силы тяги ракетного двигателя

 

Стенд предназначен для определения составляющих силы тяги ракетного двигателя. Стенд для определения составляющих силы тяги ракетного двигателя включает опору, элементы крепления ракетного двигателя и систему контроля с трехкомпонентным датчиком силы. Опора выполнена в виде стакана с размещенным внутри него и установленным соосно на дне стакана выступающим упором. А трехкомпонентный датчик силы выполнен составным из установленных соосно друг другу и взаимодействующих между собой однокомпонентного датчика силы и мембраны с тензорезисторами, наклеенными на ней в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и объединенными в каждой плоскости в мостовую схему, закрепленной соосно по периметру на стакане и опирающейся через сферический шарнир на выступающий упор. Выступающий упор может быть совмещен с однокомпонентным датчиком силы. Такое выполнение стенда позволит повысить точность измерения боковых составляющих силы тяги за счет увеличения чувствительности трехкомпонентного датчика силы в боковом направлении. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к испытаниям ракетных двигателей (РД), а конкретно к устройствам для измерения составляющих силы тяги РД.

Известен вертикальный стенд [1], позволяющий измерять компоненты силы тяги РД. Осевая составляющая силы тяги измеряется с помощью упругого кольца, снабженного тензометрическими датчиками. Величины боковых составляющих силы тяги и моментов определяются с помощью приспособления Le Gallo, а тангенциального момента - с помощью торсиометра.

Все деформации механических элементов, измеряемые тензометрами, скорректированы так, чтобы избежать какого бы то ни было взаимодействия между шестью компонентами, однако проблема тарировки в данном случае очень сложна.

Известна также дифференциальная установка [2], основу которой составляет тензометрический стакан, который может использоваться для измерения осевой и боковой составляющих силы тяги РД. Для этого исследуемый РД с помощью элементов крепления закрепляется на тензометрическом стакане вертикально. При прожиге РД тензометрический стакан, выполняющий роль 3-компонентного датчика силы, воспринимает и измеряет осевую составляющую и моменты боковых составляющих силы тяги, которые позволяют оценить эксцентриситет испытуемого двигателя. В отличие от вышерассмотренного стенда тарирование (градуировка) данной установки не представляет сложностей и осуществляется отдельно для осевой и боковых составляющих приложением тарированных нагрузок в соответствующих направлениях (боковые составляющие прикладываются в двух взаимно-перпендикулярных направлениях).

Однако чувствительность тензометрического стакана в боковом направлении недостаточна, т. к. присутствует техническое противоречие, заключающееся в том, что тензометрический стакан должен измерять осевую составляющую силы тяги и в то же время измерять боковые составляющие, величина которых может быть на два порядка меньше осевой. То есть точность измерения боковых составляющих силы тяги недостаточна.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения боковых составляющих силы тяги за счет увеличения чувствительности 3-компонентного датчика силы в боковом направлении. Решение поставленной задачи достигается тем, что в стенде для определения составляющих силы тяги РД, включающем опору, элементы крепления РД и систему контроля с 3-компонентным датчиком силы, опора выполнена в виде стакана с размещенным внутри него и установленным соосно на дне стакана выступающим упором, а 3-компонентный датчик силы выполнен составным из установленных соосно друг другу и взаимодействующих между собой однокомпонентного датчика силы и мембраны с тензорезисторами, наклеенными на ней в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и объединенными в каждой плоскости в мостовую схему, закрепленной соосно по периметру на стакане и опирающейся через сферический шарнир на выступающий упор. Кроме того, выступающий упор может быть совмещен с однокомпонентным датчиком силы. Изобретение поясняется графическими материалами. На фиг. 1 показана схема стенда, выполненного согласно п. 1 формулы изобретения. На фиг. 2 показана в увеличенном масштабе зона сферического шарнира. На фиг. 3 показана схема стенда, выполненного согласно п. 2 формулы изобретения.

Стенд включает опору, выполненную в виде стакана 1 и выступающего упора 2, размещенного внутри стакана. Выступающий упор 2 установлен и закреплен соосно на дне 3 стакана 1. Элементы крепления РД4 могут быть выполнены, например, в виде переходного конуса 5, свинченного с РД4, и имеющего резьбовой хвостовик 6. 3-компонентный датчик силы выполнен составным из установленных соосно друг другу однокомпонентного датчика силы 7 (например тензометрического или пьезоэлектрического) и мембраны 8 с тензорезисторами 9, наклеенными на ней в двух взаимоперпендикулярных плоскостях и объединенными в каждой плоскости в мостовую схему (на фиг. 1 показаны тензорезисторы 9 только в одной плоскости; в перпендикулярной плоскости тензорезисторы наклеены аналогично). Наклейка тензорезисторов на мембране 8 в двух взаимоперпендикулярных плоскостях позволяет зарегистрировать деформации, вызванные составляющими момента боковой составляющей силы тяги, по которым определяют направление и величину результирующей боковой составляющей (путем геометрического сложения). Мембрана 8 соосно закреплена по периметру на стакане 1, например, с помощью кольца 10 и винтов 11 и опирается на выступающий упор 2 через сферический шарнир 12. На мембране 8 имеется резьбовой хвостовик 13. Стакан 1 крепится к основанию болтами 14.

Выполнение 3-компонентного датчика составным позволяет осевую составляющую силы тяги измерять с помощью однокомпонентного датчика силы 7, а боковые составляющие силы тяги в двух взаимно перпендикулярных плоскостях - с помощью тонкой, чувствительной мембраны 8, которая разгружена от осевой составляющей силы тяги с помощью выступающего упора 2 и сферического шарнира 12.

На фиг. 3 выступающий упор 2 совмещен с однокомпонентным датчиком силы 7.

Система контроля стенда помимо 3-компонентного датчика силы включает электрически соединенные с ним усилитель, например, тензометрическую станцию и регистратор, например, измерительно-вычислительный комплекс на базе персонального компьютера IBM PC (на фигурах не показаны).

Работа на стенде осуществляется следующим образом. Стакан 1 с установленным на нем 3-компонентным датчиком силы закрепляют на основании с помощью болтов 14.

Испытуемый РД с помощью элементов крепления (конуса 5 с резьбовым хвостовиком 6) закрепляют на стенде через датчик 7 или хвостовик 13 (см. фиг. 3). 3-компонентный датчик силы через тензометрическую станцию соединяют с регистратором и настраивают измерительно-регистрирующую аппаратуру системы контроля. Далее осуществляют синхронный запуск РД и аппаратуры системы контроля. Осевая составляющая силы тяги воспринимается через однокомпонентный датчик силы 7 и сферический шарнир 12 выступающим упором 2. Боковая составляющая силы тяги создает момент, под действием которого РД4, закрепленный на стенде, поворачивается относительно сферического шарнира 12, деформируя мембрану 8. При этом за счет опирания центральной части мембраны 8 через сферический шарнир 12 на выступающий упор 2 исключается осевой прогиб мембраны 8 от действия осевой составляющей силы тяги и обеспечиваются ее деформации только от момента боковых сил, т.е. мембрана 8 разгружена от действия осевой составляющей силы тяги и воспринимает только момент боковой силы.

С помощью тензорезисторов 9 (в нашем случае для повышения чувствительности за счет увеличения рабочего сигнала в каждой плоскости мембраны наклеены по четыре тензорезистора) измеряются деформации мембраны 8 в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях от действия момента боковой силы. По величинам деформаций определяют составляющие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, по которым оценивают направление и величину результирующей боковой составляющей (путем геометрического сложения). Тензорезисторы 9 измеряют деформации мембраны 8 от действия момента боковой силы, которая как известно [3] приложена в среднем сечении сопла РД. Поэтому градуировку (тарировку) стенда от действия боковых сил осуществляют путем поочередного прикладывания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях мерных боковых усилий на плече относительно сферического шарнира 12, соответствующем расстоянию от шарнира до среднего сечения РД при его установке на стенде. Градуировка (тарировка) стенда на осевое усилие осуществляется путем нагружения его однокомпонентного датчика силы, измеряющего осевую составляющую силы тяги, осевыми мерными усилиями.

Электрические сигналы с однокомпонентного датчика силы 7 и мембраны 8 усиливаются тензометрической станцией и поступают на регистратор, например, измерительно-вычислительный комплекс на базе персонального компьютера IBM PC. Полученные в результате обработки кривые осевой и боковых составляющих силы тяги позволяют оценить эксцентриситет тяги РД и спрогнозировать поведение ракеты с данным РД на траектории.

Таким образом предлагаемое изобретение позволяет увеличить чувствительность 3-компонентного датчика силы в боковом направлении за счет использования тонкой мембраны, разгруженной от действия осевой составляющей силы тяги и тем самым повысить точность измерения боковых составляющих и определения эксцентриситета тяги РД.

Источники информации 1. М. Баррер и др. Ракетные двигатели. М. Оборонгиз: 1962, с. 538, 539, фиг. 8.13(в).

2. Шишков и др. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива: справочник, Москва, Машиностроение, 1989 г, с. 117, рис. 4.2 - прототип.

3. Ф. Р. Гантмахер, А.М. Левин Теория полета неуправляемых ракет, Государ. издательство физико-математической литературы, Москва, 1959 г, с. 102, последний абзац.

Формула изобретения

1. Стенд для определения составляющих силы тяги ракетного двигателя, включающий опору, элементы крепления ракетного двигателя и систему контроля с трехкомпонентным датчиком силы, отличающийся тем, что опора выполнена в виде стакана с размещенным внутри него и установленным соосно на дне стакана выступающим упором, а трехкомпонентный датчик силы выполнен составным из установленных соосно друг другу и взаимодействующих между собой однокомпонентного датчика силы и мембраны с тензорезисторами, наклеенными на ней в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и объединенными в каждой плоскости в мостовую схему, закрепленной соосно по периметру на стакане и опирающейся через сферический шарнир на выступающий упор.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что выступающий упор совмещен с однокомпонентным датчиком силы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3