Способ измерения тяги электрореактивных двигателей и устройство для его реализации

Способ измерения тяги электрореактивных двигателей и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемое изобретение относится к областям техники, связанным с испытаниями электрореактивных двигателей (ЭРД). Областью применения изобретения является подготовка к эксплуатации ЭРД в составе космического аппарата (КА).

Известные способы измерения тяги ЭРД описаны в Патентах РФ №№2107186, 2204814, 2221995, 2243516. Как правило, известные способы измерения тяги ЭРД предполагают схему испытаний с расположением ЭРД горизонтально (вектор тяги испытываемого двигателя направлен горизонтально). Технический уровень указанных способов вполне достаточен для проведения испытаний ЭРД с измерением тяги на заводе изготовителе двигателей. При этих испытаниях включения ЭРД с измерением тяги производятся для каждого ЭРД отдельно. На проведение испытаний комплекта ЭРД с измерением тяги используемые средства не рассчитаны, включения ЭРД производятся с помощью технологических (наземных) средств испытаний.

Вместе с этим, в цикле подготовки ЭРД к эксплуатации в составе КА предусматриваются совместные огневые испытания комплекта ЭРД (от 4 до 8 двигателей) и бортового прибора управления. Цель испытаний - проверка совместной работоспособности прибора и двигателей с контролем основных параметров, в том числе, тяги каждого ЭРД. При выполнении этих работ не ставится задача определения составляющих тяги, соответствие которых техническому заданию гарантируется предприятием - изготовителем ЭРД. В данном случае требуется проверить стабильность тяги, формируемой каждым из ЭРД, при многократных включениях ЭРД от бортового прибора управления в комбинациях, предусмотренных программой испытаний. Для повышения достоверности совместных испытаний ЭРД и прибора управления при обеспечении их электрических связей используется штатный (бортовой) комплект кабелей, что дает возможность объективно оценить правильность связей электрической схемы и производить включения ЭРД с параметрами (адресация, импеданс, сопротивление цепей), максимально приближенными к действительным. Применение кабелей-удлинителей с длиной, соизмеримой с длиной бортовых кабелей, в электрической схеме испытаний искажает условия и снижает достоверность испытаний. Еще одним требованием, возникающим при совместных испытаниях комплекта ЭРД и бортового прибора управления на предприятии-изготовителе КА, является вертикальное направление вектора тяги испытываемого ЭРД. Это позволяет значительно упростить схему измерения, снизить габариты устройства, производить калибровку устройства без применения различных блоков, снижающих достоверность калибровки, а также адаптировать схему испытаний к особенности вакуумных камер, используемых на предприятии-изготовителе КА, которые, как правило, ориентированы вертикально (вертикальный рабочий размер больше горизонтального). Кроме этого, в отличие от известных способов испытаний ЭРД с измерением тяги, как правило, предусматривающих стационарное размещение в вакуумных камерах, способ, используемый для совместных испытаний комплекта ЭРД и бортового прибора управления на предприятии-изготовителе КА, должен обеспечивать мобильность испытательного оборудования. Подготовительные работы (монтаж, проверки функционирования) должны проводиться вне вакуумной камеры, конструкция испытательного стенда должна позволять перегрузку оборудования в виде собранной и подготовленной к работе схемы.

Применение известных способов и устройств испытаний ЭРД с измерением тяги для проведения совместных испытаний комплекта ЭРД неприемлемо по следующим причинам:

1) большие габариты устройств не позволяют разместить количество устройств, измеряющих тягу, достаточное для испытаний 4-8 ЭРД в вакуумной камере разумных размеров (от 20 до 400 м³) одновременно;

2) размещение ЭРД в горизонтальной плоскости на существующих средствах измерения тяги не позволяет использовать их в вертикальных вакуумных камерах, так как реактивная струя ЭРД с близкого расстояния будет направлена в стенку камеры, что может привести к эрозии материала стенки камеры и осаждению частиц металла на элементах оборудования и испытываемых ЭРД.

Прототипом заявляемого изобретения (для способа) выбран способ, описанный по патенту РФ №2243516. Указанный способ предназначен для испытаний электрореактивного двигателя (ЭРД) по определению тяги и составляющих вектора тяги. Способ заключается в монтаже ЭРД на тягоизмерительное устройство, балансировке тягоизмерительного устройства с установленным на нем ЭРД, включении ЭРД и проведении испытаний с измерением тяги при рабочих параметрах ЭРД путем его вращения вокруг геометрической оси по меньшей мере для двух режимов тяги и отличается тем, что измерения тяги выполняют по меньшей мере в двух положениях ЭРД в плоскости размещения коромысла, причем после измерения тяги ЭРД в одном положении ЭРД поворачивают в плоскости размещения коромысла, при этом одновременно регистрируют угол поворота ЭРД, после чего проводят измерение тяги ЭРД в другом положении.

Недостатком способа с точки зрения требований совместных испытаний комплекта ЭРД и бортового прибора управления является: способ не предусматривает калибровку измерительной системы в процессе испытаний ЭРД; при применении для калибровки эталонных грузов схема крутильных весов, расположенных в горизонтальной плоскости, не позволяет совместить ось калибровки с геометрической осью ЭРД без применения дополнительных средств, например блока, влияние которого на точность калибровки не учитывается; способ не учитывает влияние изменения температуры элементов измерительной системы (конструкционных и преобразовательных элементов) и, следовательно, изменения ее упругости и линейных размеров.

Целью данного изобретения (для способа) является обеспечение калибровки измерительной системы в процессе испытаний ЭРД по оси, совпадающей с геометрической осью ЭРД (осью вектора тяги ЭРД), без применения дополнительных средств, с учетом изменения температуры элементов измерительной схемы.

Эта цель достигается тем, что монтаж ЭРД на тягоизмерительное устройство производят установкой ЭРД в вертикальное положение, в процессе испытаний, в паузах между включениями ЭРД, производят калибровку датчика измерения усилия путем нагружения его калибровочным усилием Рк по вертикальной оси, совпадающей с геометрической осью ЭРД, регистрации соответствующего выходного сигнала Uвых и температуры посадочного места датчика измерения усилия Т и расчета коэффициентов аппроксимации зависимости Uвых (Рк; Т); измерение тяги производят путем проведения серии включений ЭРД, регистрации выходного сигнала, температуры посадочного места датчика и расчета физической величины тяги F (Uвых; Т) с использованием коэффициентов аппроксимации, полученных при калибровке системы.

Еще одним недостатком способа прототипа является стационарное использование схемы (невозможность монтажа и проверки функционирования схемы вне вакуумной камеры), что снижает эксплутационные характеристики способа (затрудняет использование вакуумной камеры для иных задач, не позволяет при необходимости без разборки оборудования оперативно перенести схему в другую вакуумную камеру, например, при ремонте камеры).

Поэтому еще одной целью изобретения для способа является обеспечение мобильности схемы.

Эта цель (для способа) достигается тем, что монтаж ЭРД, сборку и проверку функционирования схемы измерения тяги ЭРД производят вне вакуумной камеры, перегрузку схемы в вакуумную камеру производят в виде сборки.

Из устройств, применяемых в настоящее время для определения тяги ЭРД, к наиболее характерным относятся устройства, описанные по патентам РФ №№2107186, 2204814, 2221995, 2243516.

Прототипом заявляемого изобретения (для устройства) выбрано устройство, описанное по патенту №2243516. Устройство содержит горизонтально расположенное и подвешенное на упругом стержне коромысло, на одном конце которого смонтирован вращательный механизм испытуемого ЭРД вокруг его продольной геометрической оси и монтажный узел. Вращательный механизм состоит из узла вращения, содержащего привод вращения и отсчетное устройство контроля угла вращения испытуемого ЭРД. На монтажном узле размещен испытуемый ЭРД. На другом конце коромысла размещены уравновешивающая масса и отсчетное устройство, регистрирующее крутящий момент. Между коромыслом и вращательным механизмом размещен поворотный механизм испытуемого ЭРД в горизонтальной плоскости. Технический результат заключается в снижении трудоемкости испытаний ЭРД за счет расширения функциональных возможностей тягоизмерительного устройства.

Недостатком прототипа является:

1. Не позволяет устанавливать испытываемый ЭРД вертикально;

2. Усилие калибровки, в случае калибровки эталонными грузами, совмещается с геометрической осью ЭРД через блок, действительное влияние которого на точность испытаний не учитывается;

3. Имеет значительные габариты;

4. Не имеет встроенных средств калибровки датчика измерения усилия;

5. Не имеет средств контроля температуры преобразовательных элементов.

Целью данного изобретения (для устройства) является:

1. Обеспечить возможность установки испытываемого ЭРД вертикально;

2. Предусмотреть средства совмещения оси усилия калибровки с геометрической осью ЭРД без применения промежуточных средств, искажающих результаты калибровки.

3. Снизить габариты устройства;

4. Предусмотреть средства калибровки датчика измерения усилия в процессе испытаний;

5. Предусмотреть средства контроля температуры преобразовательных элементов.

Эта цель достигается тем, испытываемый ЭРД установлен на монтажный узел таким образом, что его геометрическая ось направлена вертикально, монтажный узел закреплен на датчике измерения усилия, к монтажному узлу в точке, совпадающей с геометрическим центром приложения тяги ЭРД, по оси, совпадающей с геометрической осью ЭРД, на нити прикреплен набор эталонных грузов; датчик измерения усилия и привод перемещения эталонных грузов смонтированы на опорной плате, снабженной датчиком температуры, установленным в зоне установки датчика измерения усилия, средствами юстировки для совмещения геометрической оси испытываемого ЭРД с осью перемещения эталонных грузов и кронштейном для монтажа кабелей подвода электрической энергии и трубопровода подвода рабочего тела к ЭРД.

Еще одним недостатком устройства-прототипа является отсутствие возможности испытаний полного комплекта ЭРД с измерением тяги каждого ЭРД (что не позволяет, например, выявить правильность адресации и характеристики бортового комплекта кабелей, взаимное влияние двигателей друг на друга, несанкционированную подачу питания и т.п.), а также невозможность использовать штатный комплект кабелей (из-за расстояний между коромыслами и габаритов испытательных устройств) без кабелей-удлинителей, снижающих достоверность испытаний.

Поэтому еще одной целью изобретения для устройства является обеспечение возможности испытаний комплекта ЭРД.

Эта цель (для устройства) достигается тем, что устройство предусматривает установку комплекта ЭРД таким образом, что геометрическая ось каждого испытываемого ЭРД, установленного на соответствующий монтажный узел, направлена вертикально, каждый монтажный узел крепится на отдельный датчик измерения усилия, к каждому монтажному узлу в точке, совпадающей с геометрическим центром приложения тяги ЭРД, по оси, совпадающей с геометрической осью ЭРД, на нити прикреплен набор эталонных грузов; датчики измерения усилия и привод перемещения эталонных грузов смонтированы на опорной плате, снабженной датчиками температуры, установленными в зонах установки датчиков измерения усилия, средствами юстировки для совмещения геометрической оси каждого испытываемого ЭРД с соответствующей осью перемещения эталонных грузов и кронштейнами для монтажа кабелей подвода электрической энергии и трубопровода подвода рабочего тела к ЭРД, а также опорная плата снабжена такелажными средствами и системой фиксации монтажных узлов для предохранения датчиков измерения усилия от механических повреждений.

Кроме этого, одним из требований к устройству, используемому для измерения тяги ЭРД, является отсутствие элементов, применяемых с использованием смазочных материалов (т.к. наличие паров масла в вакуумной камере приводит к ухудшению характеристик ЭРД). Поэтому еще одной целью изобретения для устройства является применение привода перемещения эталонных грузов, исключающего использование смазочных материалов (без использования электродвигателя и подшипников).

Эта цель достигается тем, что привод перемещения эталонных грузов выполнен в виде герметичного пневматического привода, перемещающегося под действием подаваемого в него избыточного давления.

Суть изобретения поясняется чертежами фиг.1, 2.

На чертеже фиг.1 приведена функциональная схема для реализации способа измерения тяги с вертикальным размещением одного ЭРД.

Конструктивно устройство состоит из ЭРД 1, вертикально закрепленного на монтажный узел 2, установленный на датчик измерения усилия 3, с преобразовательным элементом 4, работающим на принципе упругой деформации и преобразующим величину деформации в пропорциональный электрический сигнал (например, тензометрический датчик). Датчик измерения усилия установлен на опорную плату 5, снабженную механизмом юстировки 6 датчика измерения усилия и датчиком температуры 7, установленным в зоне установки датчика измерения усилия. К монтажному узлу в точке, совпадающей с геометрическим центром приложения тяги ЭРД (точка О), по оси, совпадающей с геометрической осью испытываемого ЭРД, на нити 8 прикреплен набор эталонных грузов 9, для перемещения которых при нагрузке (разгрузке) датчика измерения усилия на опорной плате размещен привод 10 с приемной чашей 11. Для компенсации веса и жесткости основного трубопровода подвода рабочего тела 12 и кабеля подвода электрической энергии 13 к ЭРД предусмотрен гибкий трубопровод 14 и гибкий кабель 15 (по длине значительно меньший бортового кабеля), монтаж которых производится на кронштейне 16, также прикрепленном к опорной плате. Питание и сбор информации с датчиков 4, 7 производится с помощью кабеля 17. Управление приводом 10 производится с помощью трубопровода 18. Трубопроводы 12, 18, кабель подвода электрической энергии 13 и кабель 17 через гермопроходную плату 19 выводятся из вакуумной камеры 20, в которую установлена вся сборка, и сообщаются с испытательным комплексом 21.

На чертеже фиг.2 приведена функциональная схема для реализации способа измерения тяги с вертикальным размещением комплекта ЭРД.

Конструктивно устройство состоит из нескольких ЭРД 1, каждый из которых вертикально закреплен на собственном монтажном узле 2, установленном на датчик измерения усилия 3, с преобразовательным элементом 4, работающим на принципе упругой деформации и преобразующим величину деформации в пропорциональный электрический сигнал. Каждый датчик измерения усилия установлен на опорную плату 5, снабженную механизмами юстировки 6 и датчиками температуры 7, установленными в зонах установки датчика измерения усилия. К каждому монтажному узлу в точке, совпадающей с геометрическим центром приложения тяги ЭРД (точка О), по оси, совпадающей с геометрической осью испытываемого ЭРД, на нити 8 прикреплен набор эталонных грузов 9, для перемещения каждого набора эталонных грузов при нагрузке (разгрузке) датчика измерения усилия на опорной плате размещен привод 10 с приемной чашей 11. Для компенсации веса и жесткости основного трубопровода подвода рабочего тела 12 и кабеля подвода электрической энергии 13 к ЭРД предусмотрены гибкие трубопроводы 14 и гибкий кабель 15, монтаж которых производится на кронштейнах 16, также прикрепленных к опорной плате. Питание и сбор информации с датчиков 4, 7 производится с помощью кабеля 17. Управление приводами 10 производится с помощью трубопровода 18. Трубопроводы 12, 18, кабель подвода электрической энергии 13 и кабель 17 через гермопроходную плату 19 выводятся из вакуумной камеры 20, в которую установлена вся сборка, и сообщаются с испытательным комплексом 21. Для перемещения устройства в виде сборки предусмотрены такелажные средства 22 и система фиксации монтажных узлов 23 для предохранения датчиков измерения усилия от механических повреждений.

Реализация заявляемого способа производится следующим образом. Каждый из ЭРД устанавливается на соответствующий монтажный узел. На время сборки схемы, подготовительных работ и перегрузки монтажные узлы фиксируются системой фиксации монтажных узлов 23 от перемещений относительно опорной платы 5 с целью предохранения датчиков измерения усилия от механических повреждений. После завершения монтажа ЭРД и сборки электрической и пневматической схем производятся предварительные проверки системы. После чего опорная плата с помощью такелажных средств переставляется в вакуумную камеру, через гермопроходную плату схема испытаний ЭРД подключается к испытательному комплексу, в состав которого входит бортовой прибор управления. Система фиксации монтажных узлов выводится в нейтральное положение. С помощью механизмов юстировки производится юстировка каждого ЭРД, в процессе которой геометрическая ось каждого ЭРД совмещается с осью приложения усилия калибровки (по направлению натяжения нити 8). Вакуумная камера закрывается и откачивается до уровня вакуума, требуемого по условиям испытаний. Производится калибровка каждого датчика измерения усилия. Путем пошагового перемещения приводов 10 в крайнее нижнее и крайнее верхнее положение происходит нагружение и разгрузка каждого датчика измерения усилия и регистрация соответствующего выходного сигнала Uвых к. По мере выполнения калибровки получают зависимости:

,

где

Рк - усилие калибровки;

i - номер ЭРД в комплекте.

В процессе испытаний ЭРД изменяется температура посадочного места (и, следовательно, характеристики), чувствительного элемента датчика измерения усилия, температура (и, следовательно, жесткость) гибкого трубопровода 14 и гибкого кабеля 15. Поэтому в паузах между включениями ЭРД периодически производится калибровка, при этом учитываются показания датчика температуры 7, установленного в зоне установки датчика измерения усилия - Т. Результатом калибровки в этом случае являются коэффициенты аппроксимации, полученные по зависимостям:

,

где

j - номер предыдущего включения i-того ЭРД по программе испытаний.

В случае линейной зависимости выходного сигнала от усилия калибровки при определенной температуре Тк ij в результате аппроксимации зависимость (2) будет иметь вид:

,

где k_ij и b_ij - коэффициенты линейной аппроксимации.

Измерение тяги каждого из ЭРД из состава комплекта производится следующим образом. В ходе испытаний производится цикл последовательных включений и калибровок каждого из ЭРД. При включении каждого из ЭРД, входящего в комплект, в электронный протокол (таблица 1) испытаний заносятся значения выходного сигнала и температуры посадочного места датчика измерения усилия для, отнесенные к текущему времени испытаний.

Таблица 1
Результаты измерения характеристик i-того ЭРД по программе испытаний при j-том включении
Текущее время работы ЭРД	Выходной сигнал датчика измерения усилия	Температура посадочного места датчика измерения усилия
T1	Uвых (t1)	T (t1)
t2	Uвых (t2)	T (t2)
...	...	...
tn	Uвых (tn)	T (tn)

После каждого включения любого ЭРД производится калибровка всех ЭРД, входящих в комплект, результаты калибровки каждого ЭРД заносятся в электронный протокол испытаний (таблица 2). Так как в вакууме теплообменные процессы идут достаточно медленно, принимается, что температура посадочного места датчика измерения усилия на период калибровки Тк ij постоянна (действительную динамику изменения Тк ij возможно определить, замерив температуру в начале и конце цикла калибровки).

Таблица 2
Результаты калибровки i-того ЭРД по программе испытаний после j-того включения при температуре посадочного места датчика измерения усилия на период калибровки Тк ij
Усилие калибровки	Выходной сигнал датчика измерения усилия	Коэффициенты линейной аппроксимации
Рк 1=m1·g	Uвых к 1	kij	bij
Рк 2=(m1+m2)·g	Uвых к 2
Рк 3=(m1+m2+m3)·g	Uвых к 3
Рк 3=(m1+m2+m3+m4)·g	Uвых к 4

Примечание:

1) m1, m2, m3, m4 - массы эталонных грузов, используемых для калибровки i-того ЭРД;

2) g - ускорение свободного падения;

3) коэффициенты k_ij и b_ij - определяются выражением (3).

По мере проведения испытаний в электронном протоколе испытаний накапливаются данные по включениям и калибровке каждого ЭРД. После проведения испытаний для каждого i-того ЭРД составляется зависимость калибровочных коэффициентов аппроксимации от температуры посадочного места датчика измерения усилия на период калибровки (таблица 3).

Таблица 3
Температурапосадочного местадатчика измеренияусилия	Тк i 1	Тк i 2	...	Тк i j
Коэффициенты линейнойаппроксимации	ki1	ki2	...	kij
bi1	bi2	...	bij

Расчет действительного значения тяги каждого из ЭРД на текущий момент времени при определенном значении температуры посадочного места датчика измерения усилия производится после проведения испытаний путем обработки электронного протокола испытаний по следующему алгоритму. Для каждого значения выходного сигнала Uвых i (t), зафиксированного при температуре посадочного места датчика измерения усилия Т i (t) (таблица 1), из таблицы 3 подбирают коэффициенты аппроксимации, соответствующие температуре калибровки Тк i j, по величине наиболее близкой к Т i (t) - k_iA и b_iA. Соответственно, тяга i-того ЭРД на текущий момент времени F i (t) будет рассчитываться как:

.

Таким образом, рассчитывается тяга каждого ЭРД, входящего в бортовой комплект КА. Технический результат: повышение достоверности, сокращение длительности и стоимости испытаний, обеспечение возможности испытаний комплекта ЭРД с измерением тяги, адаптация схемы испытаний к условиям вертикальной вакуумной камеры.

К характерным примерам применения данного изобретения можно отнести испытания комплекта электрореактивных двигателей поставки Исследовательского Центра им. Келдыша совместно с бортовым прибором управления поставки Научно-производственного центра Полюс в Научно-производственном объединении Прикладной Механики им. М.Ф.Решетнева в вакуумной камере КВУ-400 (рабочая высота - 11 м, рабочий диаметр - 5,6 м).

1. Способ измерения тяги электрореактивного двигателя (ЭРД), включающий монтаж ЭРД на тягоизмерительное устройство с датчиком измерения усилия, балансировку тягоизмерительного устройства с установленным на нем ЭРД, включение ЭРД и проведение испытаний с измерением тяги, преобразования величины тяги в пропорциональный сигнал и определения величины тяги по величине сигнала, отличающийся тем, что монтаж ЭРД на тягоизмерительное устройство производят установкой ЭРД в вертикальное положение, в процессе испытаний, в паузах между включениями ЭРД, производят калибровку датчика измерения усилия путем нагружения его калибровочным усилием Рк по вертикальной оси, совпадающей с геометрической осью ЭРД, регистрации соответствующего выходного сигнала Uвых и температуры посадочного места датчика измерения усилия Т и расчета коэффициентов аппроксимации зависимости Uвых (Рк; Т), измерение тяги производят путем проведения серии включений ЭРД, регистрации выходного сигнала, температуры посадочного места датчика и расчета физической величины тяги F (Uвых; Т) с использованием коэффициентов аппроксимации, полученных при калибровке системы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что монтаж ЭРД, сборку и проверку функционирования схемы измерения тяги ЭРД производят вне вакуумной камеры, перегрузку схемы в вакуумную камеру производят в виде сборки.

3. Устройство измерения тяги ЭРД, содержащее монтажный узел, на котором размещены испытуемый ЭРД, гибкие кабели подвода электрической энергии и гибкие трубопроводы подвода рабочего тела к ЭРД, датчик измерения усилия с преобразовательным элементом, работающим на принципе упругой деформации и преобразующим величину деформации в пропорциональный электрический сигнал, отличающееся тем, что испытываемый ЭРД установлен на монтажный узел таким образом, что его геометрическая ось направлена вертикально, монтажный узел закреплен на датчике измерения усилия, к монтажному узлу в точке, совпадающей с геометрическим центром приложения тяги ЭРД, по оси, совпадающей с геометрической осью ЭРД, на нити прикреплен набор эталонных грузов, датчик измерения усилия и привод перемещения эталонных грузов смонтированы на опорной плате, снабженной датчиком температуры, установленным в зоне установки датчика измерения усилия, средствами юстировки для совмещения геометрической оси испытываемого ЭРД с осью перемещения эталонных грузов и кронштейном для монтажа кабелей подвода электрической энергии и трубопровода подвода рабочего тела к ЭРД.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство предусматривает установку комплекта ЭРД таким образом, что геометрическая ось каждого испытываемого ЭРД, установленного на соответствующий монтажный узел, направлена вертикально, каждый монтажный узел крепится на отдельный датчик измерения усилия, к каждому монтажному узлу в точке, совпадающей с геометрическим центром приложения тяги ЭРД, по оси, совпадающей с геометрической осью ЭРД, на нити прикреплен набор эталонных грузов, датчики измерения усилия и привод перемещения эталонных грузов смонтированы на опорной плате, снабженной датчиками температуры, установленными в зонах установки датчиков измерения усилия, средствами юстировки для совмещения геометрической оси каждого испытываемого ЭРД с соответствующей осью перемещения эталонных грузов и кронштейнами для монтажа кабелей подвода электрической энергии и трубопровода подвода рабочего тела к ЭРД, а также опорная плата снабжена такелажными средствами и системой фиксации монтажных узлов для предохранения датчиков измерения усилия от механических повреждений.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что привод перемещения эталонных грузов выполнен в виде герметичного пневматического привода, перемещающегося под действием подаваемого в него избыточного давления.