Ракеты... Лаборатория:

Тягоизмерительный стенд ТСК-1

Простой тягоизмерительный стенд для ракетных двигателей

материалы изготовление тарировка запуск

Страничка ракетостроения. Последнее обновление:
Рано или поздно встает вопрос насколько характеристики твоих движков соответствуют расчетным. Многие характеристики замерить в кустарных условиях проблематично, но вот одну из самых важных оказывается несложно и даже с довольно приличной точностью. Речь идет, конечно, о тяге, точнее о зависимости тяги от времени. Имея такую функцию легко получить значение максимальной и средней тяги, полного и удельного импульса. Этого достаточно для предметного разговора о качестве мотора и для оценки некоторых основных параметров полета. Специально для этих целей я даже сделал программу ALTIMMEX. Она обсчитывает результаты стендовых испытаний и выдает все основные параметры двигателя. На базе тех же результатов, ALTIMMEX может подсчитать такие летные параметры, как максимальное ускорение, максимальную скорость и высоту полета, может соптимизировать массу ракеты. Кроме того, программа позволяет оценить необходимую длину направляющей пусковой установки, что невозможно сделать, не имея графика тяги двигателя.

Но вернемся к стенду. В качестве прототипа была взята конструкция Serge_77. Идея, в общем-то, на поверхности - использовать в качестве датчика обыкновенные механические весы. А вот реализация возможна различная. К моменту, когда у меня дошли руки до изготовления тягоизмерительного стенда, в эксплуатацию уже запущено три серии движков и на подходе четвертая. Поэтому при проектировании стенда упор был сделан на некоторое увеличение универсальности его использования, ну, и удобства тоже.

Приведенная конструкция это, очевидно, вариация на тему, но если бы не было заметных отличий, как в реализации, так и свойствах, не было бы особого смысла в данной статье. Есть свои плюсы и минусы, по крайней мере, у заинтересованного ракетчика появляется выбор с учетом собственных приоритетов. /19.01.2008, автор Козлов И., kia-soft/

Материалы
Конструкция стенда несложная, но название "простой" - это некоторое преувеличение. Не имея цифровой кинокамеры или цифрового фотоаппарата с возможностью съемки роликов, делать его бесполезно. Только покадровый анализ заснятых на камеру показаний весов позволяет построить нужную нам зависимость. В наше время, правда, трудно представить себе опытного, да и не очень, ракетчика без цифровика.
   Кроме камеры потребуются:
— простые хозяйственные механические весы с удобной для съемки шкалой - 400-800р.;
— стойка от подставки для дрели или что-то в этом роде, например, от старого фотоувеличителя;
— отрезок водопроводной трубы подходящего диаметра (я брал 2-х дюймовую), длиной 100-120 мм;
— отрезок дюралевой трубы с внутренним диаметром 50 мм и длиной 120-150 мм;
— стальные перфорированные пластинки длиной ~150 мм, шириной ~15 мм, толщиной ~1мм - 4шт.
— и, наконец, приличная кучка винтов, болтов, гаек с 4-6 миллиметровой резьбой, шайб к ним. Разберемся по ходу.

Изготовление
Собственно, конструкция стенда достаточно очевидна из фоток, так что размазывать кашу по стенкам не буду. Внесу только некоторые уточнения.

Весы взял 5-ти килограммовые недорогие фирмы Elenberg. Дно у них - тончайшая жестянка. Для фиксации весов к опорной поверхности стойки пришлось прикрепить к днищу весов с помощью винтов М4 стальную пластину толщиной 2.5 мм, и уже за нее цеплять притягивающий винт. Винт не должен уходить далеко внутрь корпуса весов, поскольку он может ограничить движение подвижного элемента весов и, значит, диапазон измерений.

Эленберговские весы, в отличие от отечественных, имеют значительно более легкую рабочую часть. Диапазона установки нуля хватает с запасом.
Испытуемый двигатель устанавливается вертикально в легкий дюралевый стакан, который с помощью рычагов крепится к опорной муфте из водопроводной трубы. Такая подвеска позволяет сохранять вертикальную ориентацию при работе движка. Вся рычажная подвеска сделана съемной для удобства эксплуатации и настроек. Опорная муфта фиксируется от вертикального и горизонтального смещения винтом М6. Для фиксации нужного вертикального положения при установке использована родная муфта от стойки для дрели. Она не обязательна, но очень облегчает установку.
   Расстояние между верхними и нижними рычагами 105 мм. Плечо нагрузки 1/2, что соответствует максимально замеряемой тяге в 10 кг. При небольшой доработке этот диапазон можно расширить, поменяв плечо. Ход рычагов на осях должен быть максимально легким, поэтому посадка сделана с небольшим люфтом.
Оси могут быть сделаны из винтов М5, но лучше из болтов М6. Необходимые зазоры между шайбами и рычагами фиксируюся парными гайками.

Усилие на весы передаются двумя свободно вращающимися на оси нижних рычагов роликами из твердой резины. Мотор в стакане фиксируется двумя кольцами из пористой резины. Это позволяет быстро снимать и устанавливать движок. Снизу он упирается через круглую прокладку из жесткой 10-ти мм резины в ось из болта М6, проходящую стакан насквозь, и, таким образом, выполняющую роль дна стакана. Прокладка ставится в стакан жестко внатяг для защиты весов от нештатных режимов. Для надежности можно сделать дно стакана более солидным, но это уже на ваше усмотрение и фантазию.

Тарировка
Для тарировки стенда, то бишь для статической проверки, вместо движка устанавливал трубу с верхней площадкой. На этот импровизированный столик грузил всяко-разно железо, предварительно взвешенное на электронных весах с точностью 1 г. Очень удобны в качестве гирек блины от разборных гантелей. Показания снимал в двух направлениях, т.е. при погрузке и при разгрузке разновесок. Среднее значение с приличной точностью совпало с зависимостью у="х/2" заданной соотношением плеч. Среднеквадратичная ошибка не превысила 3%.

Запуск
Ждать каких-то неожиданностей от такой несложной конструкции не приходится. Первый же эксплуатационный запуск это подтвердил. Испытанию подвергся новый движок РДК-4, (см. видео). Полностью результаты его выложены в статье "Перезаряжаемый ракетный мотор РДК-4". Эксперимент прошел штатно. Был построен график зависимости тяги по времени и определены основные характеристики двигателя.

По результатам запуска в эксплуатацию можно отметить несколько положительных моментов. Из-за вертикального расположения движка установка стенда не представляет никакой сложности. Достаточно поставить конструкцию на ровную поверхность и слегка зафиксировать любым способом от случайного падения. Теоретически и этого можно не делать, но лучше подстраховаться от неожиданностей и нештатных режимов. Установка мотора, тоже делается элементарно и занимает несколько секунд. Показания снимаются достаточно плавно, без сильных биений стрелки весов. Полученные данные вполне адекватны. По-крайней мере, расхождение с расчетом такой интегральной характеристики, как суммарный импульс, составило всего 1.2%. Это не совсем корректно оценивать качество эксперимента расчетом, но, поскольку программа SRM, по которой расчет проводился, хорошо себя зарекомендовала, то можно говорить о том, что стенд дает реальную картину работы тестируемого ракетного движка.

Что касается универсальности, то, во-первых, вместо указанных весов могут быть элементарно и быстро установлены любые аналогичной конструкции. Габариты этих весов ограничиваются только высотой стойки. Подстройка под размер весов делается еще проще - передвижением плечевого блока по направляющей. Во-вторых, размер испытуемых движков ограничен только диаметром дюралевого стакана. И, в-третьих, предел измеряемых значений может быть установлен в достаточно широком диапазоне за счет изменения плеча рычагов. Естественно здесь есть ограничения, но, все же, это не отдельный стенд для отдельного двигателя.

P.S.
    Кто не знаком с методикой обработки данных, полученных на стенде, может посмотреть в статье "Обработка данных тягоизмерительного стенда". /19.01.2009 kia-soft/

***