RU2177113C1

RU2177113C1 - Device for measurement of propellant burning rate in solid-propellant rocket engine

Info

Publication number: RU2177113C1
Application number: RU2000112117A
Authority: RU
Inventors: Б.С. Игнатьев; М.Б. Игнатьев; В.Н. Аликин; Г.Э. Кузьмицкий; Н.Н. Федченко
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова"
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2001-12-20

Abstract

FIELD: monitoring of parameters of solid-propellant rocket engine. SUBSTANCE: the device has a combustion chamber of the solid-propellant rocket engine accommodating an end-burning solid-propellant charge and a rod with a number of orifices, whose geometric axes are positioned at known distances from one another and perpendicular to the geometric axis of the rod installed inside the charge in parallel with the combustion chamber axis and shortening at a rate equal to the rate of movement of charge burning front, radiation sensor, photoamplifier and a recording instrument with a time marker. Besides, each orifice of the rod accommodates a microdose of chemical compound of the alkaline group addition element. Installed before the radiation sensor is a monochromatic filter with a filtration wavelength equal to the wavelength of the central part of the spectral line of the alkaline group addition element. The sighting line of the radiation sensor with the monochromatic filter passes through the shear plane of the solid-propellant rocket engine nozzle. EFFECT: removal of modulated radiation from the combustion chamber of the solid- propellant rocket engine, as a result, enhanced number of the results of measurement of burning rate per experiment. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике контроля параметров ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ). The invention relates to techniques for controlling the parameters of a solid fuel rocket engine (solid propellant rocket engine).

Известно устройство для измерения скорости горения образца твердого топлива, содержащее герметичную камеру сгорания, размещенный в ней в бронированном стакане образец твердого топлива с двумя сигнальными металлическими нитями, расположенными на известном контрольном расстоянии Δ друг от друга в отверстиях, просверленных в образце перпендикулярно его оси, многоканальный регистратор с отметчиком времени (1). A device is known for measuring the burning rate of a sample of solid fuel, containing a sealed combustion chamber, a sample of solid fuel placed in it in an armored cup with two signal metal threads located at a known reference distance Δ from each other in holes drilled in the sample perpendicular to its axis, multi-channel recorder with a timer (1).

Данное устройство является малоэффективным, так как обеспечивает за один опыт получение только одного значения скорости горения U путем деления контрольного участка ΔL на время Δt между регистрируемыми многоканальным регистратором моментами перегорания металлических нитей при движении фронта горения: U = ΔL/Δt. This device is ineffective, because it provides for one experiment to obtain only one value of the burning rate U by dividing the control section ΔL by the time Δt between the moments of burnout of metal filaments recorded by the multichannel recorder when the combustion front moves: U = ΔL / Δt.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для измерения скорости горения образца твердого топлива (2) (принято за прототип), содержащее герметичную камеру сгорания с размещенными в ней образцом твердого топлива торцевого горения, расположенного внутри бронированного стакана, и светопроводом с рядом отверстий, геометрические оси которых перпендикулярны геометрической оси светопровода и расположены на известных расстояниях друг от друга, выполненным из материала, прозрачного в видимой области спектра и сублимирующего в зоне горения со скоростью, равной скорости горения образца топлива, и установленным по оси стакана с расположением входа и выхода со стороны открытого и термоизолированного торцов образца топлива, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени. Closest to the claimed solution is a device for measuring the burning rate of a sample of solid fuel (2) (adopted as a prototype), containing an airtight combustion chamber with a sample of end-face solid fuel placed inside it, located inside an armored cup, and a light guide with a number of holes, geometric axes which are perpendicular to the geometric axis of the light guide and are located at known distances from each other, made of a material that is transparent in the visible region of the spectrum and sublimates in the combustion zone at a speed equal to the burning speed of the fuel sample, and installed along the axis of the glass with the location of the entrance and exit from the open and thermally insulated ends of the fuel sample, a photo amplifier and a recording device with a timer.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением, включают камеру сгорания, с размещенным в ней бронированным зарядом твердого топлива торцевого горения, стержень с рядом отверстий, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси стержня, установленного внутри заряда параллельно оси камеры сгорания, и укорачивающегося со скоростью, равной скорости перемещения фронта горения заряда, приемник излучения, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени. Signs of the prototype, which are common with the claimed invention, include a combustion chamber with an armored solid fuel of end-face combustion placed in it, a rod with a number of holes, the geometrical axes of which are located at known distances from each other and perpendicular to the geometrical axis of the rod mounted inside the charge parallel to the axis combustion chamber, and shortening at a speed equal to the speed of movement of the combustion front of the charge, a radiation receiver, a photo amplifier and a recording device with a meter time.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в недопустимости вывода светопровода через переднюю крышку корпуса РДТТ, что исключает возможность получения информации о скорости горения топлива в условиях двигателя. Невозможность получения информации о скорости горения обусловлена недопустимостью образования отверстия в передней крышке РДТТ для вывода светопровода наружу. The reason that prevents obtaining the required technical result in the prototype is the inadmissibility of the output of the light guide through the front cover of the solid propellant motor housing, which excludes the possibility of obtaining information about the burning speed of the fuel under engine conditions. The impossibility of obtaining information about the burning rate is due to the inadmissibility of the formation of holes in the front cover of the solid-propellant rocket motor for outputting the optical fiber to the outside.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего осуществлять измерение скорости горения твердого топлива в условиях РДТТ. The objective of the invention is to provide a device that allows the measurement of the burning rate of solid fuel in solid propellant rocket engines.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в выводе модулированного излучения из камеры сгорания РДТТ, благодаря чему достигается получение большого числа результатов измерения скорости горения за один опыт. The technical result, which mediates the solution of this problem, is to output the modulated radiation from the solid propellant combustion chamber, due to which it is possible to obtain a large number of results of measuring the burning rate in one experiment.

Задача решается за счет того, что в известном устройстве для измерения скорости горения твердого ракетного топлива в РДТТ, содержащем камеру сгорания РДТТ с размещенным в нем зарядом твердого ракетного топлива торцевого горения и стержнем с рядом отверстий, геометрические оси которых расположены на известных расстояниях друг от друга и перпендикулярны геометрической оси стержня, установленного внутри заряда параллельно оси камеры сгорания и укорачивающегося со скоростью, равной скорости перемещения фронта горения заряда, приемник излучения, фотоусилитель и регистрирующий прибор с отметчиком времени, в каждом отверстии стержня размещена микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы, перед приемником излучения установлен монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии добавочного элемента щелочной группы, а линия визирования приемника излучения с монохроматическим фильтром проходит через плоскость среза сопла РДТТ. The problem is solved due to the fact that in the known device for measuring the burning speed of solid rocket fuel in solid propellant rocket engine containing a solid propellant rocket chamber with a face rocket charge of solid rocket fuel and a rod with a number of holes, the geometrical axes of which are located at known distances from each other and perpendicular to the geometrical axis of the rod mounted inside the charge parallel to the axis of the combustion chamber and shortening at a speed equal to the speed of movement of the combustion front of the charge, the receiver from radiation, a photo amplifier and a recording device with a timer, a microdose of the chemical compound of the alkaline group additional element is placed in each hole of the rod, a monochromatic filter with a transmission wavelength equal to the wavelength of the saturated central part of the spectral line of the alkaline group additional element is installed in front of the radiation receiver, and the line of sight a radiation receiver with a monochromatic filter passes through the cut plane of the solid propellant nozzle.

К числу элементов щелочной группы относятся металлы: цезий, калий, литий, натрий. Все эти элементы имеют низкий потенциал возбуждения и дают интенсивное излучение прежде всего в виде резонансной линии спектра. Наиболее сильно излучает центральная часть линии, достигается насыщение (т.е. излучающая как абсолютно черное тело с коэффициентом черноты излучения ε_λ=1) при достаточной концентрации добавочного элемента. При этом требуемые добавки щелочного элемента настолько малы, что они не влияют на кинетику процесса горения топлива (3). Так, при использовании в качестве добавочного элемента натрия насыщенное излучение центральной части резонансной линии натрия с длиной волны λ_рез = 0,5893 мкм достигается при концентрации атомов натрия в пламени 10¹³ - 10¹⁴ атомов в 1 см³ и температурах порядка 2000 К (2). Температуры горения большинства современных топлив превышают указанное значение температуры ионизации атомов натрия. Поэтому все атомы натрия в зоне горения топлива будут находиться в ионизированном состоянии. Масса атомов натрия в микродозе химического соединения, например хлористого натрия, помещенная в каждом отверстии стержня концентрацией 10¹³ - 10¹⁴ атомов натрия в 1 см³, при продвижении фронта горения в любое отверстие стержня составляет 3,82 • 10^-10 - 3,82 • 10^-9 г, а их объем - 9,94 • 10^-16 - 3,94 • 10^-9 см³. Это очень малые величины. Поэтому микродозы хлористого натрия объемом 0,0001 - 0,001 см³, размещаемые в каждом отверстии стержня, легко обеспечат требуемое содержание 10¹³ - 10¹⁴ атомов натрия в 1 см³ пламени. Очевидно, что в этом случае прохождение фронта горения каждого из отверстий стержня будет сопровождаться значительным скачкообразным увеличением спектрального потока φ_рез излучаемого пламенем, соответствующего длине волны λ_рез = 0,5893 мкм, поскольку спектральный коэффициент черноты излучения для насыщенной центральной части резонансной линии ε_λ ₌ _0,5893 = 0,5893 = 1,0 и во много раз превышает значения спектрального коэффициента излучения для других длин волн.Among the elements of the alkaline group are metals: cesium, potassium, lithium, sodium. All these elements have a low excitation potential and give intense radiation primarily in the form of a resonance line of the spectrum. The central part of the line radiates most strongly, saturation is achieved (i.e., emitting as a completely black body with a radiation black factor ε _λ = 1) at a sufficient concentration of the additional element. Moreover, the required additives of the alkaline element are so small that they do not affect the kinetics of the fuel combustion process (3). Thus, when used as the additional saturated sodium element radiation center of the resonant line of sodium with a wavelength λ _res = 0.5893 microns is achieved when the concentration of sodium atoms in the flame October ¹³ - ^{14 October} atoms per 1 cm ^3, and temperatures of about 2000 K (2 ) The combustion temperatures of most modern fuels exceed the indicated value of the temperature of ionization of sodium atoms. Therefore, all sodium atoms in the combustion zone of the fuel will be in an ionized state. The mass of sodium atoms in a microdose of a chemical compound, for example sodium chloride, placed in each hole of the rod with a concentration of 10 ¹³ - 10 ¹⁴ sodium atoms in 1 cm ³ , while advancing the combustion front into any hole of the rod is 3.82 • 10 ^-10 - 3.82 • 10 ^-9 g, and their volume is 9.94 • 10 ^-16 - 3.94 • 10 ^-9 cm ³ . These are very small quantities. Therefore, microdoses of sodium chloride with a volume of 0.0001 - 0.001 cm ³ , placed in each hole of the rod, will easily provide the required content of 10 ¹³ - 10 ¹⁴ sodium atoms in 1 cm ^{3 of} flame. Obviously, in this case, the passage of the combustion front of each of the holes of the rod is accompanied by a significant abrupt increase spectral flux φ _res flame emitted corresponding to a wavelength λ _res = 0.5893 microns, the spectral transmittance of radiation as black for a saturated central portion of the resonant line ε _λ ₌ _0.5893 = 0.5893 = 1.0 and many times exceeds the values of the spectral emissivity for other wavelengths.

Установка монохроматического фильтра с длиной волны пропускания λ_рез = 0,5893 мкм обеспечивает прохождение на приемник излучения преимущественно спектрального потока φ_рез, соответствующего длине волны λ_рез = 0,5893 мкм, и сильное подавление спектральных потоков излучения, соответствующих другим длинам волн.Installation monochromatic filter transmission wavelength λ _res = 0.5893 microns allows the passage of radiation to the receiver advantageously spectral flux φ _res corresponding wavelength λ _res = 0.5893 microns, and strong suppression of spectral radiation flux corresponding to other wavelengths.

Таким образом, размещенная в отверстиях стержня, выполненного из материала заряда, оргстекла и т.п., микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы и установка приемника излучения, ось визирования которого перпендикулярна геометрической оси РДТТ и проходит через плоскость сечения среза сопла, позволяет получить информацию о скорости горения твердого топлива по излучению резонансной спектральной линии, равной, в случае использования натрийсодержащего химического соединения, длине волны λ_рез = 0,5893 мкм.Thus, a microdose of a chemical compound of an additional alkaline group element and a radiation receiver placed in the holes of a rod made of a charge material, plexiglass, etc., and installing a radiation detector, the axis of sight of which is perpendicular to the geometrical axis of the solid propellant rocket tube and passes through the section plane of the nozzle exit section, provides information of solid fuel burning rate at the resonance radiation spectral line, equal, in the case of sodium-containing chemical compound, the wavelength λ _res = 0.5893 microns.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения скорости горения топлива в РДТТ. На фиг. 2 показаны осциллограммы сигналов приемника излучения (кривая 1) и отметчика времени (кривая 2). In FIG. 1 is a structural diagram of a device for measuring the burning rate of a fuel in a solid propellant rocket engine. In FIG. Figure 2 shows the waveforms of the signals of the radiation receiver (curve 1) and the timer (curve 2).

Устройство (фиг. 1) содержит бронированный заряд топлива 1, корпус 2, стержень 3 с отверстиями 11, монохроматический фильтр 4, приемник излучения 10, фотоусилитель 5, регистрирующий прибор с отметчиком времени 6, датчик давления 8, тензометрическую станцию 9. В отверстиях стержня размещены микродозы химического соединения добавочного элемента щелочной группы 7, например в случае хлористого натрия микродоза составляет 0,0001 - 0,001 см³.The device (Fig. 1) contains an armored fuel charge 1, housing 2, rod 3 with holes 11, a monochromatic filter 4, a radiation receiver 10, a photo amplifier 5, a recording device with a timer 6, a pressure sensor 8, a strain gauge station 9. In the holes of the rod microdoses of a chemical compound of an additional element of an alkaline group 7 are placed, for example, in the case of sodium chloride, the microdose is 0.0001 - 0.001 cm ³ .

Давление в камере P_к контролируется датчиком 8 (например, ЛХ-410). В качестве приемника излучения может использоваться фотоприемник типа Д-9Э111, сигнал которого усиливается фотоусилителем, выполненным на основе известной схемы на стр. 35 (3). В качестве тензостанции может быть использована тензостанция типа ЛХ-7000, в качестве регистрирующего прибора с отметчиком времени может быть использован светолучевой осциллограф Н-700.The pressure in the chamber P _{k is} controlled by a sensor 8 (for example, LH-410). A photodetector of the D-9E111 type can be used as a radiation detector, the signal of which is amplified by a photo amplifier based on the well-known circuit on page 35 (3). As a strain gauge station, a strain gauge station of the LH-7000 type can be used, as a recording device with a timer, an N-700 light-beam oscilloscope can be used.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При воспламенении с помощью электровоспламенителя заряда твердого топлива 1 начинается процесс горения топлива параллельными слоями. При этом фронт горения, оставаясь перпендикулярным геометрической оси РДТТ, перемещается влево. При достижении фронтом горения первого отверстия стержня 3 с микродозой добавочного элемента щелочной группы 7 происходит мгновенная ионизация щелочного элемента. Образующиеся при горении твердого топлива продукты сгорания вместе с атомами ионизированного элемента перемещаются вдоль камеры к срезу сопла со скоростью ~10 м/с. При появлении атомов ионизированного элемента на срезе сопла приемник излучения 10 формирует скачкообразный электрический сигнал, усиливаемый фотоусилителем 5 и регистрируемый регистрирующим прибором 6. Этот сигнал вызывает появление на кривой 1 (фиг. 2) остроконечного импульса (пика), причем число пиков соответствует числу отверстий в стержне. When ignited using an electric igniter, the charge of solid fuel 1 begins the process of burning fuel in parallel layers. In this case, the combustion front, remaining perpendicular to the geometrical axis of the solid propellant rocket motor, moves to the left. When the combustion front reaches the first opening of the rod 3 with a microdose of the additional element of the alkaline group 7, instantaneous ionization of the alkaline element occurs. The combustion products formed during the combustion of solid fuel together with the atoms of the ionized element move along the chamber to the nozzle exit at a speed of ~ 10 m / s. When atoms of an ionized element appear at the nozzle exit, the radiation receiver 10 generates a stepwise electric signal amplified by a photo amplifier 5 and detected by a recording device 6. This signal causes a sharp pulse (peak) to appear on curve 1 (Fig. 2), and the number of peaks corresponds to the number of holes in the rod.

Измерив на осциллографе интервалы времени Δt_i, соответствующие соседним пикам, и, зная расстояние Δl_i между соседними отверстиями, находят значения скорости горения: U_i = Δl_i/Δt_i для разных участков сгоревшего заряда.By measuring the time intervals Δt _i on the oscilloscope corresponding to neighboring peaks, and knowing the distance Δl _i between adjacent holes, the values of the burning rate are found: U _i = Δl _i / Δt _i for different sections of the burnt charge.

При большом количестве отверстий в стержне число получаемых значений U_i также значительно, что обеспечивает получение значительного объема измерительной информации о скорости горения твердого топлива в условиях РДТТ.With a large number of holes in the rod, the number of obtained values of U _{i is} also significant, which provides a significant amount of measuring information on the burning rate of solid fuel in solid propellant rocket engines.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Синаев К.И., Казбан Б.М. Лабораторные работы по внутренней баллистике. Издательство Казанского химико-технологического института. 1962.SOURCES OF INFORMATION
1. Sinaev K.I., Kazban B.M. Laboratory work on internal ballistics. Publishing house of the Kazan Institute of Chemical Technology. 1962.

2. Игнатьев Б.С., Игнатьев М.Б., Дадиомов Ю.Р., Стафейчук Б.С., Ямов А. И. Усовершенствованный фотоэлектрический метод измерения скорости горения полимерных композиционных материалов. Международная научно-техническая конференция. Пермь, 1998 г. 2. Ignatiev BS, Ignatiev MB, Dadiomov Yu.R., Stafeychuk BS, Yamov A. I. An advanced photoelectric method for measuring the burning rate of polymer composite materials. International scientific and technical conference. Perm, 1998

3. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электрические схемы на операционных усилителях. Киев. Техника. 1983. 3. Scherbakov V.I., Grezdov G.I. Electrical circuits on operational amplifiers. Kiev. Equipment. 1983.

4. Патент РФ N 2122683, МКИ 6 F 23 N 5/08. Устройство для измерения скорости горения образца топлива. Игнатьев Б.С. и др., "Бюллетень изобретений", 1998, N 33. 4. RF patent N 2122683, MKI 6 F 23 N 5/08. A device for measuring the burning rate of a fuel sample. Ignatiev B.S. and others, "Bulletin of inventions", 1998, N 33.

Claims

A device for measuring the burning speed of solid rocket fuel in a solid propellant rocket engine (RDTT), comprising a solid propellant combustion chamber with a face rocket solid rocket charge and a rod with a number of openings whose geometric axes are located at known distances from each other and perpendicular to the geometric the axis of the rod installed inside the charge parallel to the axis of the combustion chamber and shortening at a speed equal to the speed of movement of the combustion front of the charge, the radiation receiver , a photo amplifier and a recording device with a timer, characterized in that a microdose of the chemical compound of the alkaline group additional element is placed in each hole of the rod, a monochromatic filter with a transmission wavelength equal to the wavelength of the saturated central part of the spectral line of the alkaline group additional element is installed in front of the radiation receiver, and the line of sight of the radiation receiver with a monochromatic filter passes through the cut plane of the solid propellant nozzle.