RU2492339C1 - Rocket engine body with system of information collection - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: rocket engine body is equipped with a source of supply, an electronic computing machine, an optical reflectometer, and also a generator and a light pulse receiver connected to each other by several fibre optic matrices. Fibre optic matrices are introduced directly into the structure of the rocket engine body. Some ends of optical fibres in the fibre optic matrix are assembled on the bottom of the rocket engine body and are optically connected with the light pulse generator, and other ones are assembled on the opposite bottom of the rocket engine body and are optically connected with a receiver of light pulses.

EFFECT: invention makes it possible to detect disturbances of rocket engine body integrity, and also to record variation of its surface temperature and exposure to ionising radiation.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, в частности к способам обеспечения непрерывного контроля над состоянием конструкции корпуса ракетного двигателя, выполненного из полимерного композитного материала. Эта проблема достаточно актуальна в связи с постоянной необходимостью обоснованного продления сроков эксплуатации ракет стратегического назначения (РСН), а также недостаточной изученностью механизма старения полимерного материала.The present invention relates to the field of rocket technology, in particular to methods for providing continuous control over the state of the structure of the housing of a rocket engine made of a polymer composite material. This problem is quite urgent due to the constant need for a reasonable extension of the life of strategic missiles (RSN), as well as insufficient knowledge of the aging mechanism of polymer material.

Предпосылки создания изобретения.The background of the invention.

В настоящее время важным вопросом исследований остается определение реальных сроков эксплуатации твердотопливных ракет и прогнозирование надежности выполнения ими задач в случае боевого применения. Для этих целей необходимо не только использовать существующие методы теоретического определения показателей надежности и проводить экспериментальные исследования прочности конструкций РСН с учетом факторов их длительной эксплуатации, а также с учетом развития вооружения, средств ПРО, имеющихся на вооружении или разрабатываемых ведущими мировыми странами, но и обеспечить индивидуальный контроль технического состояния каждой РСН в течение всего периода эксплуатации.Currently, an important research issue remains the determination of the actual terms of operation of solid-fuel rockets and the prediction of the reliability of their performance in case of combat use. For these purposes, it is necessary not only to use the existing methods of theoretical determination of reliability indicators and conduct experimental studies of the strength of the RSN structures taking into account the factors of their long-term operation, as well as taking into account the development of weapons and missile defense systems that are in service or are being developed by leading world countries, but also provide individual monitoring the technical condition of each RSN during the entire period of operation.

Известны способы измерения физических параметров объектов, в том числе целостности, основанные на применении волоконно-оптических датчиков (RU 2142115 С1 от 27.11.1999 Волоконно-оптическая система измерения физических параметров).Known methods for measuring the physical parameters of objects, including integrity, based on the use of fiber-optic sensors (RU 2142115 C1 of 11/27/1999 Fiber-optic system for measuring physical parameters).

Известны устройства, предназначенные для предотвращения проливов агрессивных, токсичных жидкостей из различных емкостей (RU 2309104 С1 от 27.10.2007 Композитный бак повышенной живучести с волоконно-оптической системой; RU 2305653 С1 от 10.09.2007. Композиционный бак для агрессивной жидкости повышенной живучести с волоконно-оптической матрицей).Known devices designed to prevent spills of aggressive, toxic liquids from various containers (RU 2309104 C1 of 10.27.2007 Composite tank of increased survivability with fiber-optic system; RU 2305653 C1 of 10.09.2007. Composite tank for aggressive liquid of increased survivability with fiber optical matrix).

Известно устройство, предназначенное для измерения механических напряжений (US 6776049 В2 от 17.08.2004). Причиной, препятствующей получению данным устройством технического результата, который обеспечивается предлагаемым техническим решением, является то, что данное устройство устанавливается в ракетный двигатель между твердотопливным зарядом и теплозащитным покрытием (US 6776049 В2 от 17.08.2004, фиг.2-3), что не обеспечивает диагностику технического состояния непосредственно корпуса ракетного двигателя, выполненного из композитного материала. Кроме того, ввиду конструктивной особенности датчика, являющегося составляющим элементом данного устройства (US 6776049 В2 от 17.08.2004 фиг.3-5), и его предназначением отсутствует возможность применения его для выявления и локализации нарушений структуры корпуса ракетного двигателя.A device is known for measuring mechanical stresses (US 6776049 B2 from 08/17/2004). The reason preventing this device from obtaining a technical result, which is provided by the proposed technical solution, is that this device is installed in a rocket engine between a solid fuel charge and a heat-shielding coating (US 6776049 B2 dated 08/17/2004, Fig.2-3), which does not provide diagnostics of the technical condition of the rocket engine housing itself, made of composite material. In addition, due to the design features of the sensor, which is an integral element of this device (US 6776049 B2 dated 08/17/2004 Fig.3-5), and its purpose is not possible to use it to detect and localize violations of the structure of the rocket engine body.

Задачей изобретения является разработка корпуса ракетного двигателя, выполненного из композитного материала, с системой, обеспечивающей возможность оперативного выявления нарушений его структуры.The objective of the invention is to develop a housing of a rocket engine made of composite material, with a system that provides the ability to quickly detect violations of its structure.

Заявлен корпус ракетного двигателя 1, выполненный из композитного материала методом намотки, показанный схематично на фиг.1, снабженный источником питания 3, электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) 4, оптическим рефлектометром 5, а также генератором 7 и приемником световых импульсов 6, соединенных между собой несколькими волоконно-оптическими матрицами 2 из оптического волокна, введенными непосредственно в структуру корпуса ракетного двигателя. Волоконно-оптические матрицы вводятся в состав корпуса ракетного двигателя на этапе его изготовления путем чередования намотки на оправку слоев жгутов арамидных нитей со слоями оптического волокна. При этом один ряд оптических волокон в слое расположен в композите эквидистантно вдоль оси вращения корпуса ракетного двигателя, а другой ряд оптических волокон расположен эквидистантно по одновитковым винтовым линиям. Чередование слоев в композите может быть последовательным либо с определенной периодичностью [3]. Одни концы оптических волокон в волоконно-оптической матрице собраны на днище корпуса ракетного двигателя и оптически соединены с генератором световых импульсов, а другие собраны на противоположном днище корпуса ракетного двигателя и оптически соединены с приемником световых импульсов.The claimed housing of the rocket engine 1, made of a composite material by the method of winding, shown schematically in figure 1, is equipped with a power source 3, an electronic computer (PC) 4, an optical reflectometer 5, as well as a generator 7 and a light pulse receiver 6 connected between a few optical fiber matrices 2 of optical fiber inserted directly into the structure of the housing of the rocket engine. Fiber optic arrays are introduced into the rocket engine housing at the stage of its manufacture by alternating winding on the mandrel layers of aramid strands with layers of optical fiber. In this case, one row of optical fibers in the layer is located in the composite equidistant along the axis of rotation of the rocket engine, and the other row of optical fibers is located equidistantly along single-turn helical lines. The alternation of layers in the composite can be sequential or with a certain periodicity [3]. Some ends of the optical fibers in the fiber optic matrix are assembled on the bottom of the rocket engine housing and are optically connected to the light pulse generator, while others are assembled on the opposite bottom of the rocket engine housing and are optically connected to the light pulse receiver.

Предлагаемое изобретение отличается от известных корпусных конструкций с волоконно-оптическими матрицами тем, что корпус является корпусом ракетного двигателя.The present invention differs from the known hull structures with fiber optic matrices in that the housing is a rocket engine housing.

Техническим результатом изобретения является возможность оперативного выявления нарушений структуры корпуса ракетного двигателя, выполненного из полимерного композитного материала (образование микротрещин, трещин, расслоений) и их локализации, обнаружения последствий воздействия высокоскоростных кинетических ударников, регистрации изменения температуры поверхности корпуса двигателя, регистрации воздействия ионизирующего излучения и, как следствие, оценки возможности дальнейшего успешного выполнения задач боевого применения ракетами, находящимися в эксплуатации.The technical result of the invention is the ability to quickly detect violations of the structure of the rocket engine made of a polymer composite material (the formation of microcracks, cracks, delaminations) and their localization, detect the effects of high-speed kinetic impactors, detect changes in the surface temperature of the engine housing, detect the effects of ionizing radiation and, as a result, assessing the possibility of further successful implementation of combat missions p Kets, are in operation.

Требуемый технический результат достигается тем, что оптическое волокно физически и химически совместимо с композитными материалами, а процесс внедрения компонентов системы сбора информации осуществляется непосредственно в момент изготовления корпуса ракетного двигателя, что обеспечивает надежную интеграцию системы сбора информации в структуру корпуса ракетного двигателя, выполненного из композитного материала [2].The required technical result is achieved by the fact that the optical fiber is physically and chemically compatible with composite materials, and the implementation of the components of the information collection system is carried out immediately at the time of manufacture of the rocket engine housing, which ensures reliable integration of the information collection system in the structure of the rocket engine housing made of composite material [2].

Действие корпуса ракетного двигателя с системой сбора информации заключается в следующем. Оптический рефлектометр производит непрерывное тестирование волоконно-оптических матриц путем отслеживания мощности и непрерывности световых импульсов, посылаемых генератором 5 и принимаемых приемником 6 световых импульсов. При возникновении нарушения целостности структуры корпуса ракетного двигателя с системой сбора информации (возникновение трещин, микротрещин, расслоений), воздействия внешних кинетических ударников возникнет повреждение, изгиб, либо микроизгиб элемента волоконно-оптической матрицы, вследствие чего изменятся его оптические параметры (френелевское отражение, релеевское рассеивание, мощность и др.). А при изменении температуры поверхности корпуса ракетного двигателя воздействия ионизирующего излучения произойдет изменение длины волны светового потока и потери оптического волокна в волоконно-оптической матрице. Рефлектометр 5 регистрирует изменение оптических параметров, а ЭВМ 4 сравнивает полученные результаты с эталонными, которые соответствуют невозмущенному состоянию волоконно-оптических матриц, и детектирует нарушение целостности структуры корпуса ракеты либо внешнее воздействие. При использовании математических расчетов ЭВМ локализует конкретный поврежденный сектор корпуса двигателя или место воздействия, а также по величине изменения оптических параметров определяет степень поврежденности корпуса ракеты.The action of the rocket engine housing with a data collection system is as follows. The OTDR performs continuous testing of fiber optic arrays by monitoring the power and continuity of the light pulses sent by the generator 5 and received by the receiver 6 light pulses. If there is a violation of the structural integrity of the rocket engine body with an information collection system (cracks, microcracks, delaminations), the effects of external kinetic impactors, damage, bending, or microbending of the fiber-optic matrix element will occur, as a result of which its optical parameters (Fresnel reflection, Rayleigh scattering) will change , power, etc.). And when the surface temperature of the rocket engine’s body changes due to ionizing radiation, the wavelength of the light flux and the loss of optical fiber in the fiber optic matrix will change. A reflectometer 5 registers a change in the optical parameters, and a computer 4 compares the results with the reference ones, which correspond to the undisturbed state of the fiber-optic matrices, and detects a violation of the integrity of the structure of the rocket body or external influence. When using mathematical calculations, the computer localizes a specific damaged sector of the engine body or the place of impact, and also determines the degree of damage to the rocket body by the magnitude of the change in optical parameters.

Таким образом, положительный эффект предложенного корпуса ракетного двигателя с системой сбора информации состоит:Thus, the positive effect of the proposed rocket engine housing with an information collection system consists of:

- в обеспечении мониторинговой оценки степени поврежденности и эксплуатационного ресурса корпусов ракетных двигателей, выполненных из композиционных полимерных материалов;- in providing a monitoring assessment of the degree of damage and the operational life of rocket engine housings made of composite polymer materials;

- в оценке возможности успешного выполнения задач боевого применения ракетами, длительное время находящимися в эксплуатации;- in assessing the possibility of successfully completing missile combat missions that have been in operation for a long time;

- в повышении общей надежности группировки РВСН по данным проведения пусков наименее надежных образцов, а также за счет замены наименее надежных ракет на новые.- to increase the overall reliability of the Strategic Missile Forces groupings according to the launching of the least reliable samples, as well as by replacing the least reliable missiles with new ones.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Львов А.И. Конструкция, прочность и расчет систем ракет. - М.: ВА им. Ф.Э.Дзержинского, 1980.1. Lvov A.I. Design, strength and calculation of missile systems. - M .: VA them. F.E. Dzerzhinsky, 1980.

2. В.В.Воробей. Основы технологии и проектирование корпусов ракетных двигателей - Н.: Наука, 2003.2. V.V. Vorobey. Fundamentals of technology and design of rocket engine bodies - N .: Nauka, 2003.

3. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.3. Okosi T. et al. Fiber optic sensors. Per. with japan. - L .: Energoatomizdat, 1990.

Claims (1)

Корпус ракетного двигателя с системой сбора информации, выполненный из композитного материала, снабженный источником питания, электронно-вычислительной машиной, оптическим рефлектометром, а также генератором и приемником световых импульсов, соединенных между собой несколькими волоконно-оптическими матрицами из оптического волокна, отличающийся тем, что волоконно-оптические матрицы введены непосредственно в структуру корпуса ракетного двигателя, при этом одни концы оптических волокон в волоконно-оптической матрице собраны на днище корпуса ракетного двигателя и оптически соединены с генератором световых импульсов, а другие собраны на противоположном днище корпуса ракетного двигателя и оптически соединены с приемником световых импульсов, что обеспечивает возможность оперативного выявления нарушений целостности собственной структуры (образование микротрещин, трещин, расслоений) и их локализации, обнаружения последствий воздействии высокоскоростных кинетических ударников, регистрации изменения температуры поверхности корпуса двигателя, регистрации воздействия ионизирующего излучения и, как следствие, оценки возможности дальнейшего успешного выполнения задач боевого применения ракетами, находящимися в эксплуатации. A rocket engine housing with an information collection system made of composite material, equipped with a power source, an electronic computer, an optical reflectometer, and a light pulse generator and receiver interconnected by several optical fiber arrays of optical fiber, characterized in that the fiber -optical matrices are inserted directly into the structure of the rocket engine housing, while some ends of the optical fibers in the fiber optic matrix are assembled on the bottom rocket engine housings and are optically connected to the light pulse generator, while others are assembled on the opposite bottom of the rocket engine housing and optically connected to the light pulse receiver, which makes it possible to quickly detect violations of the integrity of its own structure (microcracks, cracks, delaminations) and their localization, detection the consequences of exposure to high-speed kinetic projectiles, recording changes in the surface temperature of the engine housing, recording the effects of Ia ionizing radiation and, consequently, the possibility of further successful evaluation tasks combat use rockets that are in operation.

Images