НОВЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ЗАРУБЕЖНОЕ ВОЕННОЕ ОБОЗРЕНИЕ № 10/2001, стр.37-41

НОВЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полковник В. ПАУКОВ

Военно-воздушные силы США придают большое значение получению информации об изменении свойств ракетного топлива и конструкционных материалов твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ) при их длительном хранении. Значительное внимание уделяется также совершенствованию испытательной базы, обеспечивающей экспериментальную проверку характеристик этих РДТТ.

В целях подтверждения соответствия РДТТ заданным требованиям проводятся испытания двигателей в ходе учебно-боевых пусков ракет, различные испытания (прежде всего огневые) РДТТ, заложенных на длительное хранение, периодическое обследование двигателей МБР, находящихся на вооружении, с помощью методов нераз-рушающего контроля. При этом стендовые огневые испытания считаются наиболее информативным и относительно недорогим способом проверки.

Для получения при проведении огневых испытаний достоверных данных требуется создать на стенде условия, близкие к реальным условиям работы РДТТ. В частности, для проверок вторых и третьих ступеней стратегических баллистических ракет необходимо обеспечить разрежение воздуха, соответствующее высотам 15-30 км. Так, в научно-исследовательском центре им. Арнольда (штат Теннеси), который уже располагал обеспечивающим имитацию этих условий испытательным сооружением - J-5, введена в строй новая, самая большая установка J-6 (рис. 1), предназначенная для испытаний мощных твердотопливных ракетных двигателей с тягой до 2300 кН и позволяющая создавать и поддерживать в процессе работы двигателя требуемое разрежение.

Она имеет горизонтальное расположение и находится примерно в километре от остальных испытательных стендов, чтобы избежать их разрушения в случае взрыва РДТТ.

Установка J-6 имеет следующие функциональные возможности: - длительные испытания РДТТ в условиях

моделирования заданной высоты полета;

- испытания сопел с большим коэффициентом расширения;

- испытания двигателей пространственной ориентации;

- испытания систем воспламенения топлива в РДТТ;

- испытания систем разделения ступеней;

- исследование тепловых процессов во время работы РДТТ;

- акустические и динамические испытания двигателей;

- моделирование и анализ различного вида неисправностей.

Эта установка признана американскими специалистами наиболее подходящей для испытаний РДТТ второй и третьей ступеней МБР «Минитмэн-3».

Основной частью рассматриваемой установки является стенд, представляющий собой сооружение, в котором расположены испытательная камера цилиндрической формы диаметром 8 м и длиной 19 м с системой крепления двигателя и измерительными устройствами (рис. 2), а также вспомогательное оборудование различного назначения. Камера снабжена системой термостатиро-вания, поддерживающей в ней заданную температуру в диапазоне от -10 до +43 °С. Для того чтобы обеспечить имитацию высотных условий и уменьшить рециркуляцию газов при прекращении работы РДТТ, стенд оборудован кольцевой системой форсунок для впрыска пара под давлением и охлаждаемыми водой сменными диффузорами для обеспечения расширения газового потока. Такие диффузоры создают необходимые высотные условия в диапазоне тяги двигателей от 45 до 2 300 кН. Стенд соединен газоводом с установкой охлаждения и осушения газов диаметром около 85 м и высотой 35 м, рядом с которой построена водонапорная башня объемом 10 000 м3. Установка охлаждения и осушения газов может быть полностью загерметизирована, что делает ее пригодной для проведения испытаний космических аппаратов в условиях низких давлений.

В связи с большим диапазоном измерения силы осевой тяги стенд оснащен дистанционно управляемым калибратором, имеющим дискретность 450 кН, при которой абсолютная погрешность измерений составляет 900 Н. Кроме того, используются приборы для измерения осевых сил до 500 кН, сил по каналу рыскания в передней части двигателя до 1 500 Нив задней - до 8 000 Н, а также по каналу вращения - до 200 Н.

Рис. 1. Испытательная установка J-6, моделирующая высотные условия работы РДТТ

Стенд оборудован пневматическими и гидравлическими системами. Для обеспечения их работы имеются хранилища газообразного азота площадью 70 000 м2 (газ находится под давлением 30 000 кН/м2), а также хранилище жидкого азота (четыре емкости объемом до 100 м3).

Конструкция установки исключает выход истекающих при работе двигателя газов в атмосферу до их нейтрализации. В зависимости от типа и размеров двигателя предусмотрено несколько вариантов переработки потока таких газов. Для данного двигателя используется процедура нейтрализации продуктов горения, в процессе которой к ним добавляется азот, и вся газовая смесь пропускается через водяной душ, где из нее удаляются вредные продукты горения.

В испытательном центре имеется одна на несколько стендов установка вакууммирования, предназначенная для создания в них первоначального разрежения.

Подготовка и проведение огневых испытаний РДТТ включает несколько этапов.

Сначала в испытательной камере, газоводе и установке охлаждения и осушения газов создается разрежение около 3 500 Н/м2. За несколько минут до запуска РДТТ начинают продув установки газообразным азотом и осуществляют его до момента запуска двигателя. В этот период может испытываться двигательная установка пространственной ориентации. Продув позволяет удалять продукты горения, появляющиеся при ее работе и сглаживать скачки давления в испытательной камере.

Непосредственно перед запуском РДТТ начинают продувку газообразным азотом установки охлаждения и осушения газов, чтобы поднять давление в системе, что позволяет успешно начать впрыск пара через кольцевую систему форсунок (давление пара достигает 500 кН/м2). Эта операция начинается примерно за одну минуту до запуска РДТТ и позволяет создать в испытательной камере давление заданной величины и исключить резкое его возрастание на начальном этапе работы двигателя. Впрыск пара после запуска РДТТ уменьшают медленно, чтобы исключить газодинамический удар. В процессе работы двигателя продукты горения, расширяясь и проходя через охлаждаемый водой диффузор, создают эффект струйного насоса и поддерживают в испытательной камере разрежение, необходимое для моделирования высотных условий работы РДТТ.

Продукты горения и пар поступают в установку охлаждения и осушения газов, в которую сверху подается вода из водонапорной башни, распыляясь через форсунки. Вода охлаждает продукты горения и конденсирует агрессивные компоненты, удаляя их из газовой смеси. После окончания работы РДТТ давление на стенде, в газоводе и установке охлаждения и осушения снижается до атмосферного.

Испытательный стенд оснащен мощной системой сбора и обработки данных о процессах, происходящих в испытываемом РДТТ. Установленная аппаратура позволяет снимать информацию о параметрах со скоростью до нескольких тысяч измерений в секунду и обрабатывать ее. Используются, в частности, высокоскоростные фото- и видеокамеры, обеспечивающие непрерывное наблюдение за испытаниями, а также компьютерная система для быстрой обработки данных. Кроме того, стенд оборудован аппаратурой акустических измерений, радиографической аппаратурой, выдающей информацию в реальном масштабе времени, а также фотоаппаратурой в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Рис. 2. Схема испытательного стенда

Перед испытаниями в обязательном порядке проводят исследования РДТТ на рентгеновском томографе в научно-исследовательском центре им. Арнольда или в других организациях. Непосредственно перед прожигом двигатель выдерживается в течение нескольких суток при температуре, которую должно иметь топливо во время испытаний.

В 1998 году на установке J-6 начаты первые «высотные» огневые испытания новых РДТТ второй и третьей ступеней ракеты «Минитмэн-3».

Информацию об испытаниях этих ракетных двигателей американские специалисты использовали при выработке предложений по совершенствованию таких РДТТ в интересах продления срока эксплуатации ракетного комплекса «Минитмэн-3» до 2020 года.