RU2615610C1 - Solid fuel jet engine with separation control system - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: solid rocket motor comprising a composite body and a protective layer consisting of a heat-resistant coating and protective of the fixing layer formed releasably to reduce the stress levels occurring during operation from the front and rear ends by means of sleeves, and is provided with peeling control. The peeling control system includes a system of magnetic field sensors based on the Hall effect, detectable system, as a group of neodymium magnetic elements, as well as the electronic computer. The detectable group of neodymium magnetic elements placed on securing the protective layer in the areas of peaks separation cuff bottoms of the motor housing, which are transition zones breakout of the charge in the bonding, as well as in the middle part of the length of the solid charge.

EFFECT: invention allows for control of delamination at the boundaries of the protective layer, a protective layer, and a charge body exfoliation to simplify the control system, as well as maintain the structural integrity of the engine in detecting delaminations.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, в частности к способам обеспечения непрерывного контроля состояния твердотопливных зарядов ракетных двигателей. Актуальность данного изобретения определяется необходимостью обоснованного продления сроков эксплуатации твердотопливных двигателей, а также недостаточной степени исследования длительной прочности вязкоупругих конструкций при сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС) и воздействием факторов внешней среды в процессе эксплуатации.The present invention relates to the field of rocket technology, in particular to methods for providing continuous monitoring of the state of solid propellant charges of rocket engines. The relevance of this invention is determined by the need for a reasonable extension of the life of solid-fuel engines, as well as an insufficient degree of study of the long-term strength of viscoelastic structures in a complex stress-strain state (VAT) and the influence of environmental factors during operation.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

В настоящее время важным вопросом исследований остается определение реальных сроков эксплуатации твердотопливных двигателей. При воздействии различных эксплуатационных нагрузок на корпус двигателя со стороны заряда действуют напряжения как по границе скрепления «защитный слой - заряд», так и по границе скрепления «защитный слой - корпус», приводящие к возникновению отслоений в зонах контакта. При воспламенении топлива в зоне отслоений возникают нерасчетные давления, что, как правило, приводит к дальнейшему росту площади отслоений. Заряды при этом проявляют нестабильное горение. Эти аномалии могут приводить к прорыву фронта горения, прожигу защитного слоя и корпуса и последующему разрушению двигательной установки. Прочность скрепления заряда с защитным слоем, состоящим из теплозащитного покрытия (ТЗП) и защитно-крепящего слоя (ЗКС), также подвержена изменению с течением времени [3]. Кроме того, из-за конструктивных особенностей современных двигательных установок возможные отслоения трудно обнаружить существующими методами неразрушающего контроля, особенно, если они имеют небольшие размеры или расположены в области переднего и заднего днищ. Препарация двигателя, с целью поиска и обнаружения отслоений, приводит к нецелесообразности его дальнейшей эксплуатации.Currently, an important research issue remains the determination of the actual life of solid-fuel engines. Under the influence of various operating loads on the engine casing, charges act on the charge side both along the “protective layer - charge” bond and on the “protective layer - housing” bond border, leading to delamination in the contact zones. When the fuel ignites in the exfoliation zone, off-design pressures arise, which, as a rule, leads to a further increase in the exfoliation area. Charges in this case exhibit unstable combustion. These anomalies can lead to a breakthrough of the combustion front, burning of the protective layer and the body and subsequent destruction of the propulsion system. The strength of the charge bonding with a protective layer consisting of a heat-shielding coating (TZP) and a protective-fixing layer (ZKS) is also subject to change over time [3]. In addition, due to the design features of modern propulsion systems, possible detachments are difficult to detect with existing non-destructive testing methods, especially if they are small or located in the area of the front and rear bottoms. The preparation of the engine, with the aim of finding and detecting delaminations, leads to the inexpediency of its further operation.

Для определения действительного состояния твердотопливных зарядов, находящихся в эксплуатации, необходимо не только использовать гипотезы, определяющие на длительное время те или иные закономерности поведения вязкоупругих конструкций, но и осуществлять прямые наблюдения за фактическим состоянием заряда в течение эксплуатации с использованием современных подходов к системам контроля технического состояния.To determine the actual state of solid propellant charges in operation, it is necessary not only to use hypotheses that determine for a long time certain patterns of behavior of viscoelastic structures, but also to directly monitor the actual state of charge during operation using modern approaches to control systems of the technical condition .

Известен магнитоиндукционный датчик (патент RU 2122742 от 27.11.1998), который характеризуется возбуждением от постоянных магнитов. Датчик содержит индукционный элемент и кольцевой постоянный магнит.Known magnetic induction sensor (patent RU 2122742 from 11/27/1998), which is characterized by excitation from permanent magnets. The sensor contains an induction element and an annular permanent magnet.

Известен корпус ракетного двигателя с системой сбора информации (патент RU 2492339 от 10.09.2013), определяющий общий принцип контроля и локализации внешнего воздействия и изменения состояния двигательной установки.A well-known rocket engine housing with a data collection system (patent RU 2492339 from 09/10/2013) that defines the general principle of control and localization of external influences and changes in the state of a propulsion system.

Известно устройство, предназначенное для измерения деформаций в зарядах твердотопливных ракетных двигателей (патент US 2014/0130480 от 15.05.2014). Причиной, препятствующей получению данным устройством технического результата, который обеспечивается предлагаемым техническим решением, является то, что детектируемый элемент размещается в ракетном двигателе на поверхности ЗКС в зонах раскрепления торцов заряда (патент US 2014/0130480 фиг. 8B), обеспечивающих изменение существующего зазора между корпусом и зарядом при воздействии эксплуатационных нагрузок. Данный подход не направлен на обеспечение контроля отслоений заряда и защитного слоя, как в зонах перехода раскрепленной части заряда в скрепленную (зонах соединения раскрепляющей манжеты с корпусом, являющихся концентраторами напряжений), так и контактирующей поверхности цилиндрической части заряда твердотопливного двигателя.A device is known for measuring deformations in charges of solid rocket engines (patent US 2014/0130480 from 05.15.2014). The reason preventing this device from obtaining a technical result, which is provided by the proposed technical solution, is that the detected element is placed in a rocket engine on the surface of the ZKS in the zones of the free ends of the charge (patent US 2014/0130480 Fig. 8B), providing a change in the existing gap between the housing and charge when exposed to operational loads. This approach is not aimed at providing control of detachments of the charge and the protective layer, both in the areas of transition of the unfastened part of the charge to the bonded one (zones of connection of the unfastening cuff with the body, which are stress concentrators), and the contact surface of the cylindrical part of the charge of the solid fuel engine.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка твердотопливного двигателя с системой контроля отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус», с минимальным воздействием на механические, баллистические и физико-химические свойства материалов двигателя. Техническим результатом изобретения является:The problem to which the claimed invention is directed is to develop a solid-fuel engine with a peeling control system at the borders of the bond “protective layer - charge”, “protective layer - body”, with minimal impact on the mechanical, ballistic and physicochemical properties of the engine materials. The technical result of the invention is:

непрерывный контроль возникающих в ходе эксплуатации отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус» твердотопливного двигателя;continuous monitoring of delaminations arising during operation at the boundaries of the bonding “protective layer - charge”, “protective layer - body” of the solid fuel engine;

оценка возможности успешного выполнения задач твердотопливными двигателями, находящимися в эксплуатации;assessment of the possibility of successfully completing tasks with solid-fuel engines in operation;

накопление статистической информации о формоизменении внешней поверхности заряда в процессе эксплуатации.accumulation of statistical information on the shape change of the external surface of the charge during operation.

Заявлен твердотопливный ракетный двигатель, показанный схематично на фиг. 1 и фиг. 2, с композитным корпусом 1 и защитным слоем 4, состоящим из ТЗП и ЗКС, раскрепленный для снижения уровня напряжений, возникающих при эксплуатации со стороны переднего и заднего торцов, при помощи манжет 5, снабженный системой контроля отслоений. Данная система состоит из системы датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла 2, детектируемой системы в виде группы неодимовых магнитных элементов 3, а также электронно-вычислительной машины (ЭВМ) 6. Группа неодимовых магнитных элементов размещается на поверхности ЗКС, после нанесения клеевого состава, до начала процесса заливки топливной массы в корпус двигательной установки. Монтаж датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла осуществляется на поверхности корпуса твердотопливного двигателя с применением клеевого способа соединения или точечной сварки, соосно с неодимовыми магнитными элементами. Линии магнитного поля должны быть при этом перпендикулярны плоской поверхности датчика. Выбор количества расположения датчиков и детектируемых элементов зависит от массово-габаритных характеристик двигателя и основывается на том, что получаемые данные должны давать возможность максимально контролировать состояние заряда, быть достаточными для оценки площади поверхности отслоений, а также не нарушать адгезионных свойств защитно-крепящего слоя.A solid propellant rocket engine is shown schematically in FIG. 1 and FIG. 2, with a composite casing 1 and a protective layer 4, consisting of TZP and ZKS, unfastened to reduce the level of stresses that arise during operation from the front and rear ends, using cuffs 5, equipped with a peeling control system. This system consists of a system of magnetic field sensors based on the Hall effect 2, a detectable system in the form of a group of neodymium magnetic elements 3, and also an electronic computer (computer) 6. A group of neodymium magnetic elements is placed on the surface of the ZKS, after applying the adhesive, to the beginning of the process of pouring fuel mass into the body of the propulsion system. The installation of magnetic field sensors based on the Hall effect is carried out on the surface of the solid-fuel engine housing using the adhesive bonding method or spot welding, coaxially with neodymium magnetic elements. The magnetic field lines must be perpendicular to the flat surface of the sensor. The choice of the location of the sensors and the detected elements depends on the mass-dimensional characteristics of the engine and is based on the fact that the data obtained should provide the opportunity to control the state of charge as much as possible, be sufficient to estimate the surface area of the delaminations, and also not violate the adhesive properties of the protective-fixing layer.

Предлагаемое изобретение отличается от известных технических решений тем, что детектируемая группа неодимовых магнитных элементов размещается на ЗКС в зонах вершин раскрепляющих манжет днищ корпуса двигателя, являющихся зонами перехода раскрепленной части заряда в скрепленную, а также в средней по длине части твердотопливного заряда.The present invention differs from the known technical solutions in that a detectable group of neodymium magnetic elements is placed on the ZKS in the areas of the vertices of the detent cuffs of the engine body bottoms, which are the zones of transition of the unfastened part of the charge to the fastened one, as well as in the middle part of the solid fuel charge.

Заявленный технический результат достигается тем, что температурный диапазон стабильной работы датчиков Холла составляет -25°С…+80°С. Датчик не требует дополнительной температурной стабилизации, так как изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды на 1°С составляет всего 0,02% [1]. Конструкция датчика позволяет легко размещать его на корпусе твердотопливного двигателя. Датчик не требует постоянного профилактического обслуживания, его легко монтировать и демонтировать. Неодимовые магниты также обладают высокой устойчивостью к размагничиванию в течение длительных сроков эксплуатации. Система датчиков магнитного поля соединена с ЭВМ, позволяющей обрабатывать, анализировать и обобщать снимаемую информацию.The claimed technical result is achieved in that the temperature range of the stable operation of the Hall sensors is -25 ° C ... + 80 ° C. The sensor does not require additional temperature stabilization, since the change in the output voltage with a change in the ambient temperature by 1 ° C is only 0.02% [1]. The design of the sensor makes it easy to place it on the body of a solid fuel engine. The sensor does not require constant preventive maintenance; it is easy to mount and dismantle. Neodymium magnets are also highly resistant to demagnetization over long periods of use. The system of sensors of the magnetic field is connected to a computer that allows you to process, analyze and summarize the information taken.

Действие твердотопливного двигателя с системой контроля отслоений заключается в следующем: ЭВМ производит непрерывный опрос системы датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла, путем отслеживания величины индуктивности магнитного поля неодимовых магнитов. При возникновении отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус» происходит изменение положения неодимовых магнитных элементов в пространстве, вследствие чего изменяется величина индуктивности магнитного поля. Датчики магнитного поля регистрируют данное изменение, ЭВМ производит обработку и последующее сравнение полученного результата с эталонным значением. При использовании математических расчетов ЭВМ детектирует, локализует и определяет суммарную площадь отслоения. Кроме того, ЭВМ производит обобщение и накопление полученных результатов, что позволяет отслеживать динамику формоизменения внешней поверхности заряда и получать статистическую информацию о характере данного изменения.The action of a solid-fuel engine with a peeling control system is as follows: a computer continuously polls a system of magnetic field sensors based on the Hall effect by monitoring the magnitude of the magnetic field inductance of neodymium magnets. When delamination occurs at the boundaries of the bond “protective layer - charge”, “protective layer - case”, the position of neodymium magnetic elements in space changes, as a result of which the magnitude of the inductance of the magnetic field changes. Magnetic field sensors record this change, the computer processes and then compares the result with the reference value. When using mathematical calculations, the computer detects, localizes and determines the total area of delamination. In addition, the computer generalizes and accumulates the results, which allows you to track the dynamics of the shape change of the external surface of the charge and obtain statistical information about the nature of this change.

Таким образом, положительный эффект твердотопливного ракетного двигателя с системой контроля отслоений заключается:Thus, the positive effect of a solid propellant rocket engine with a delamination control system is:

в обеспечении непрерывного контроля наличия отслоений на границах скрепления «защитный слой - заряд», «защитный слой - корпус» в зонах концентрации напряжений, не поддающихся современным методам неразрушающего контроля;in ensuring continuous monitoring of the presence of delaminations at the boundaries of the bonding “protective layer - charge”, “protective layer - case” in stress concentration zones that are not amenable to modern methods of non-destructive testing;

в невысокой стоимости предлагаемого изобретения, так как его составные части просты в изготовлении и освоены отечественной промышленностью;at a low cost of the invention, since its components are simple to manufacture and mastered by domestic industry;

в сохранении конструктивной целостности твердотопливного двигателя при выявлении отслоений.in maintaining the structural integrity of the solid-fuel engine in identifying delaminations.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 2. – М.: 2002. - 691 с.1. Baranochnikov M.L. Micromagnetoelectronics. T. 2. - M .: 2002. - 691 p.

2. Воробей В.В. Основы технологии и проектирование корпусов ракетных двигателей - Н.: Наука, 2003. - 164 с.2. Sparrow VV Fundamentals of technology and design of rocket engine housings - N .: Nauka, 2003. - 164 p.

3. Яскин А.В. Конструкции и отработка ракетных двигателей на твердом топливе. Алт. гос. Техн. университет, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 200 с.3. Yaskin A.V. Design and development of solid propellant rocket engines. Alt. state Tech. University, BTI. - Biysk: Publishing house Alt. state tech. University, 2010 .-- 200 p.

Claims (1)

Твердотопливный ракетный двигатель с композитным корпусом и защитным слоем, состоящим из теплозащитного покрытия и защитно-крепящего слоя, раскрепленный для снижения уровня напряжений, возникающих при эксплуатации со стороны переднего и заднего торцов, при помощи манжет, снабженный системой контроля отслоений, состоящей из системы датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла, детектируемой системы, в виде группы неодимовых магнитных элементов, а также электронно-вычислительной машины, отличающийся тем, что детектируемая группа неодимовых магнитных элементов размещается на защитно-крепящем слое в зонах вершин раскрепляющих манжет днищ корпуса двигателя, являющихся зонами перехода раскрепленной части заряда в скрепленную, а также в средней по длине части твердотопливного заряда.A solid propellant rocket engine with a composite casing and a protective layer consisting of a heat-protective coating and a protective-fixing layer, unfastened to reduce the level of stresses that arise during operation from the front and rear ends, using cuffs, equipped with a peeling control system consisting of a magnetic sensor system fields based on the Hall effect, a detectable system, in the form of a group of neodymium magnetic elements, as well as an electronic computer, characterized in that the detected group odimovyh magnetic elements placed on the protective layer in fastening zones vertices releasable cuffs bottoms of the motor housing, the transition zones are releasably bonded to part of the charge, as well as in the middle portion along the length of the solid charge.

Images