Главная | Двигатели => МА-40 => МА-40-7
МА-40-7 (Hors) Р-40-25 и Р-40-26
Введение Испытание двигателей Результаты испытаний Параметры двигателей
Двигатели после испытания Сборка двигателей Подготовка испытания двигателей Выводы

Введение В начало

В целях отработки надёжности и уверенности в том, что неустойчивая работа двигателя устранена навсегда, было проведено ещё два испытания этого двигателя, но теперь уже на стенде. Стендовое измерительное оборудование предоставил участник форума Дмитрий (Ignis Caelum или Piroman). В целом оба двигателя отработали успешно. С измерительным оборудованием возникли некоторые технические трудности, которые были устранены на месте. В ходе испытания был получен только один график тяги, так как второй случайно не был сохранён из-за ошибки оператора, нажавшего не ту кнопку вместо записи. В целом испытания прошли удачно и весьма интересно. Получена масса новой и полезной информации.

При низком давлении это топливо не может полностью перевести весь шлак в дым, и он собирается каплями на дне и выплёвывается вместе со струёй. Шлак, попавший в канал шашки скапливается на её поверхности и вызывает преждевременное локальное или очаговое возгорание поверхности топлива, фактически разъедая его вглубь. Это приводит к медленному набору тяги и потери УИ двигателя.

Испытание двигателей МА-40-7 (Р-40-25 и Р-40-26) В начало

В этот день на месте испытания была температура воздуха +16°С. Поскольку в первый раз быстро организовать и наладить работу всех устройств не получилось, приходилось согреваться на месте, но, несмотря на все трудности, испытание было сделано и весьма успешно.

На этот раз испытание проводилось вблизи заброшенной стройки, где была открытая местность и все удобства для установки измерительного стенда Дмитрия.

Фактически для моих двигателей – это был первый раз, когда на точном оборудовании измерялась их тяга. После всех проблем с неустойчивым горением, наконец, можно было получить точные данные об удельном импульсе топлива и двигателей.

Рисунок 1 - Прорыв газов возле керамического сопла
Прорыв газов возле керамического сопла

В результате испытания второго двигателя повторно выявился конструктивный недостаток двигателя в сопловом блоке. Под конец работы двигателя происходит выгорание теплозащитных слоёв, и торцы бумажной обечайки, в которой находится керамическое сопло, подвергаются сильнейшему тепловому воздействию со стороны раскалённых газов. В месте, где происходит сложение первого и второго слоя образуется щель , через которую может произойти разгерметизация корпуса двигателя. Данная проблема решалась ещё после испытания двигателя МА-40-7 (Р-40-24), но введённое решение о применении дополнительных уплотнительных полос не дало желаемой надёжности.

Воспроизводимость результатов не менее 10% пока по субъективным оценкам.

Результаты испытаний двигателей МА-40-7 (Р-40-27 и Р-40-28) В начало

Прежде, чем представить графические данные по измеренной тяге, сделаю запись данных о калибровке стенда. И первое, что нужно было – это рассчитать массы калибровочных грузов, так как для калибровки стенда использовались не простые, а составные тела и в непростой схеме нагружения.

Таблица 1 - Расчёт массы используемых для калибровки стенда грузов.
Массы гантелей и грузов
Деталь Масса Итого
Блин (гантель 1), г 3320 7000
Блин + ось (гантель 1) , г 3607
Барашек (гантель 1) , г 73
Блин (гантель 2) , г 3305 7180
Блин + ось (гантель 2) , г 3802
Барашек (гантель 2), г 73
Гиря 1кг, г 1000 1000
Гиря 2кг, г 2000 2000
Верёвка 1, г 40 40
Верёвка 2, г 83 83

В следующей таблице представлена информация уже о непосредственно использованных калибровочных массах, которыми и калибровался датчик стенда Дмитрия.

Особенностью стенда Дмитрия является его непосредственное калибрование перед пуском двигателя, для этого на двигателях была предусмотрена специальная оснастка, чтобы обеспечить передачу нагрузки на датчик. Для калибровки использовались две гири 1кг и 2кг и две гантели по 7кг каждая. Усилие от них передавалось через рычаг, увеличивающий силу веса от грузов.

Таблица 2 - Массы калибровочных грузов.
Массы калибровочных грузов
Деталь Набор Масса Итого Калибровочная масса
Груз №1 – 1 кг Гиря 1кг 1000 1000 3000
Груз №2 – 2 кг Гиря 2кг 2000 2000 6000
Груз №3 – 3 кг Гиря 1кг + гиря 2кг 1000+2000 3000 9000
Груз №4 – 7 кг Гантель 1 + Верёвка 1 7000+40 7040 21120
Груз №5 – 14 кг Гантель 1 + гантель 2 + Верёвка 2 7180+7000+83 14263 42789

И вот уже таблица со всеми калибровочными значениями масса, которые были использованы для калибровки стенда.

Таблица 3 - Калибровка стенда Дмитрия.
Калибровка стенда Дмитрия
Деталь Множитель Калибровочная масса, г Частота, Гц
Без груза - 0 15300
Палка 0,5 830 15464
1,0 15455
1,5 15455
2,0 15438
2,5 15290
3,0 15464
Груз №1 – 1 кг 0,5 500 15449
1,0 1000 15430
1,5 1500 15422
2,0 2000 15409
2,5 2500 15391
3,0 3000 15373
Груз №2 – 2 кг 0,5 1000 15423
1,0 2000 15394
1,5 3000 15367
2,0 4000 15336
2,5 5000 15305
3,0 6000 15277
Груз №3 – 3 кг 0,5 1500 15415
1,0 3000 15360
1,5 4500 15320
2,0 6000 15272
2,5 7500 15220
3,0 9000 15178
Груз №4 – 7 кг 0,5 3520 15341
1,0 7040 15221
1,5 10560 15127
2,0 14080 15010
2,5 17600 14901
3,0 21120 14765
Груз №5 – 14 кг 1,0 14263 14580
1,5 21395 14624
2,0 28526 14360
2,5 35658 14090

Калибровочные данные сведены в таблицу, где представлены данные моей калибровки и ещё данные калибровки, которую сделал Дмитрий. Некоторые расхождения вызваны тем, что Дмитрий использовал постобработку данных и их корректировку с помощью своего софта. При этом почему-то получились несколько другие значения калибровочных масс, но возможно это из-за предварительных данных о массах, которые были не точны.

В итоге у меня получился коэффициент чувствительности стенда 30,3 г/Гц, а него 32,52 г/Гц.После неполадок с кроной и контактами несколько ушли значения. Были две точки, они сильно выпадали, их я отсёк. Линейность получилась очень хорошая.

После неполадок с кроной и контактами несколько ушли значения. Были две точки, они сильно выпадали, их я отсёк. Линейность получилась очень хорошая.

График 1 - Калибровочные данные мои и Дмитрия.

Калибровочные данные

В конечном счёте, по данным, полученным с микроконтроллера, получилось два графика тяги: мой и Дмитрия, так как использовалось два варианта калибровки.

График 2 - Тяга двигателя МА-40-7 (Р-40-25).

Тяга двигателя МА-40-7 (Р-40-25)

Для динамического расчёта полёта возможной ракеты МАВ-45-7 на данном двигателе я использовал данные тяги своей обработки и получил следующие данные по расчёту ракеты с массой корпуса 200г:

График 3 - Ориентировочный расчёт возможной ракеты МАВ-45-7 на данном двигателе.

Ориентировочный расчёт возможной ракеты МАВ-45-7

Расчёт выполнялся в моей программе.

Параметры двигателей В начало

Данные о двигателях сведены в одну таблицу.

Таблица 4 - Параметры двигателей МА-40-7 под серийными номерами Р-40-25 и Р-40-26.
Топливо
Двигатель Р-40-25 Р-40-26
Окислитель NaNO3 (Нитрат натрия) - 59% NaNO3 (Нитрат натрия) - 59%
Окислитель примесь NH4NO3 (Нитрат аммония) - 1%* NH4NO3 (Нитрат аммония) - 1%*
Горючее связующее C6H14O6 (Сорбит) - 30% C6H14O6 (Сорбит) - 30%
Добавка S(сера) – 11% S(сера) – 11%
Плотность, г/см3 1,87 1,87
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с 0,28 0,28
Скорость горения в двигателе (средняя), мм/с 2,9 2,9
Конструктивные параметры
Внутренний диаметр корпуса, мм 40 40
Средний диаметр канала, мм 16 16
Длина заряда без конусных частей, мм 240 240
Полная длина канала, мм 295 295
Критический диаметр сопла, мм 9,5 9,5
Критический диаметр сопла после отработки, мм 12,5 12,5
Степень расширения сопла по диаметру (начальная ÷ конечная) 2 ÷ 1,6 2 ÷ 1,6
Масса корпуса двигателя (расчётная), г 107 107
Масса корпуса двигателя (измеренная), г 97 97
Масса топлива двигателя (расчётная), г 507 507
Масса топлива двигателя (измеренная), г 500 500
Масса двигателя (расчётная), г 614 614
Масса двигателя (измеренная), г 595 595
Коэффициент массового совершенства 0,194 0,194
Расчётная нагрузка разрушения цилиндрических обечаек, кгс/см2 57 57
Расчётная разрывная нагрузка сегментов по оси для креплений, кгс/см2 64 64
Время работы на режиме, с 3,8 2,5
Полный суммарный импульс, Нс 393 -
Удельный импульс топлива, м/с (с) 785,9 (80,1) -
Удельный импульс двигателя, м/с (с) 660,4 (67,3) -
Максимальная тяга двигателя, Н (кгс) 152,1 (15,5) -
Средняя тяга двигателя, Н (кгс) 103,4 (10,5) -
Классификация двигателя I 80 -
Начальное избыточное давление в камере сгорания, атм 7,5 -
Конечное давление в камере сгорания, атм 11,8 -

* Содержание нитрата аммония в нитрате натрия может доходить до 15%.

Двигатели после испытания В начало

Рисунок 2
Раскалённый шлак

Испытание первого в списке двигателя МА-40-7 (Р-40-25) прошло полностью успешно. Разрушений корпуса не обнаружено. Заметны лишь слегка пожелтевшие обечайки и относительно сильный тепловой обжиг корпуса в районе сопла, видимо от длительного остывания керамического сопла. Прочность и жёсткость корпуса остались в пределах нормы, и требуют значительного усилия, чтобы его можно было разрушить руками, что хорошо для будущих ракет и стабилизаторы спокойно можно крепить прямо к корпусу двигателя.

Рисунок 3
Раскалённый шлак

После испытания остался характерный след на грунте. Всё, что было не приколочено, сдуло.

Рисунок 4
Раскалённый шлак

Двигатель слегка пожелтел, даже черных обугленных пятен на корпусе не видно. Только в районе керамического сопла видно сильное тепловое воздействие из-за долгого остывания массивного горячего сопла. Можно снимать и ставить следующий двигатель.

Рисунок 5
Раскалённый шлак

Взвешивание второго двигателя МА-40-7 (Р-40-26) после испытания для того, чтобы определить точно конечную массу корпуса. Вместе с оснасткой отработанный корпус двигателя имеет массу 111г.

Рисунок 6
Раскалённый шлак

Второй двигатель отработал аналогично первому за исключением вновь образовавшегося под конец работы прогара в районе сопла на месте стыка сопла и конического днища соплового блока. По всей видимости, применённое решение о заполнении щели между корпусом сопла и соплом бумагой, не дало должного надёжного соединения.

Рисунок 7
Раскалённый шлак

Часть корпуса обечайки, в которой находится сопло, просто срезало полностью струёй горячих газов. Тем не менее – это не привело к взрыву двигателя или каким-то ещё дополнительным его разрушениям. Само керамическое сопло осталось на месте, но режимар работы двигателя был нарушен.

Рисунок 8
Раскалённый шлак

Взвешивание первого двигателя МА-40-7 (Р-40-25) после испытания для того, чтобы определить точно конечную массу корпуса. Вместе с оснасткой отработанный корпус двигателя имеет массу 112г.

Рисунок 9
Раскалённый шлак

Далее идут три фотографии корпусов двигателя после их отработки. На каждой последующей фотографии корпуса повёрнуты примерно на 120 градусов так, чтобы было полностью видна вся поверхность их обечаек.

Рисунок 10
Раскалённый шлак

Как видно, наиболее сильное тепловое воздействие приходится на сопловую часть корпуса и на верхнюю крышку, где стенка корпуса раньше оголяется, чем в основных цилиндрических обечайках корпуса.

Рисунок 11
Раскалённый шлак

Несмотря на тепловое воздействие и пожелтение корпусов, они ещё достаточно прочны и могут послужить на пользу дела по испытанию системы парашютирования. Так на одном из них уже закреплён парашют. А вообще, планируется провести испытания различных парашютных тканей, чтобы выбрать из них наиболее подходящую. В данном случае получается весьма близкое натурное моделирование системы спуска хвостового отсека ракеты на парашюте.

Рисунок 12
Раскалённый шлак

После испытания, дома я начал препарацию второго двигателя с прогаром на предмет изучения целостности его корпуса в разрезе. В итоге было получено много интересной и наглядной информации. Здесь, например, виден весь сопловый блок в разрезе. Видно, что осталось немного теплозащитного покрытия на стенках конического днища. А сама стенка осталась целой и нетронутой, только лишь местами почернел первый внутренний слой, но это уже, скорее всего, произошло из-за догорания остатков топлива, когда давление в двигателе было почти атмосферным.

Рисунок 13
Раскалённый шлак

Ответная отпиленная часть соплового блока мало чем отличается от первой своей половинки, но заметно, что после сильного термического воздействия на корпус, последний не только пожелтел, но теперь легко стал расслаиваться по слоям, как буд-то они и вовсе не были склеены между собой.

Рисунок 14
Раскалённый шлак

Ещё не распиленный сопловый блок, вид сверху. Хорошо видно отверстие прогара на стыке керамического сопла с конусным днищем корпуса. Оно находится именно в том месте, где торец от обечайки самого сопла выходил в камеру сгорания. Очевидно, что такое конструктивное решение более не допустимо, так как газы, заходя промеж слоёв бумаги, похоже расслаивают их постепенно, что и приводит к подобным последствиям.

Рисунок 15
Раскалённый шлак

Впечатляет то, насколько всё же велико было тепловое воздействие на сопло. На данном фото хорошо видна продольная трещина на керамическом сопле.

Рисунок 16
Раскалённый шлак

Вид на сопловый блок со стороны сопла, где видно, что внутренняя поверхность осталась достаточно ровной и гладкой, но не без трещин. С торца сопло слегка покрошилось, но, возможно, это из-за того, что я его отмывал проточной водой. Могло просто унести частички в раковину.

Рисунок 17
Раскалённый шлак

Разрез соплового блока и вынутое из него керамическое сопло. Теперь видна вся внутренняя поверхность корпуса соплового блока. Видно и степень теплового воздействия. ТЗП хватило только-только ни больше, ни меньше. А, значит, всё было подобрано правильно по толщине корпуса и тепловой защите.

Рисунок 18
Раскалённый шлак

Остатки теплозащитного слоя на внутренней стенки конического днища соплового блока.

Рисунок 19
Раскалённый шлак

Отдельно и крупно сфотографировано само керамическое сопло. Видно, что поверхность волнистая, но достаточно ровная, испещрённая множеством пор. Похоже, что поверхность керамики кипела во время работы двигателя. Хотя это могло быть ещё и следствием термохимического воздействия на глину конденсированными остатками, содержащимися в выхлопе газовой струи.

Рисунок 20
Раскалённый шлак

На входе в критическое сечение ситуация с разрушением поверхности сопла аналогичная. От теплозащитного слоя, нанесённого на всю внутреннею поверхность сопла, естественно ничего не осталось. Возможно, что его просто сдуло еще при выходе двигателя на режим.

Рисунок 21
Раскалённый шлак

Разгар сопла оказался весьма большим, но в пределах нормы. Фактически стационарность эрозионного разрушения керамического сопла, выполненного таким способом, обеспечивает заданный закон давления в камере сгорания, при котором давление остаётся почти постоянным на протяжении всего времени работы двигателя. Но только вот это самое давление оказалось не 20атм, как хотелось, а всего лишь в районе 10атм.

Сборка двигателей В начало

Рисунок 21
Раскалённый шлак

Опираясь на опыт предыдущего испытания данного двигателя, было решено устранить щелевой прогар вдоль корпуса сопла с помощью тонкого сложенного бумажного заполнителя, который должен был уплотнить место нахлёста ватмана. Для чего использовалась тонкая полоска из офисной бумаги, просто приклеенная на цилиндрическую поверхность готового керамического сопла.

Рисунок 22
Раскалённый шлак

Поверх, как и раньше, накладывается и приклеивается адгезионный слой из пропитанной жидким стеклом обычной газетной бумаги. Всё клеится на обычный канцелярский клей или само жидкое стекло.

Рисунок 23
Раскалённый шлак

После сопловые блоки собираются, как обычно.

Рисунок 24
Раскалённый шлак

Уже почти собранные первый и второй сегменты двигателя. В данном случае произведена их торцевая стыковка на слой силиконового герметика, и уже приклеены осевые крепления, но пока ещё не зафиксированы.

Рисунок 25
Раскалённый шлак

А здесь осевые крепления, соединяющие первый и второй сегменты двигателя, приклеены и зафиксированы нитью, которая помогает качественно приклеить сразу все лепестки осевых креплений без особого напряга.

Рисунок 26
Раскалённый шлак

Отдельно взвешивание цилиндрической обечайки третьего сегмента первого двигателя вместе с перегородками в нём. Итого 17г.

Рисунок 27
Раскалённый шлак

Отдельно взвешивание цилиндрической обечайки третьего сегмента второго двигателя вместе с перегородками в нём. Итого 17г. Воспроизводимость отличная.

Рисунок 28
Раскалённый шлак

Сегменты двигателей после первой стадии заправки. Идёт процесс твердения. Не заправленными остались лишь третьи сегменты, так как они будут надстраиваться к сборке первого и второго сегментов, а потом дозаправляться поверх топливом.

Рисунок 29
Раскалённый шлак

Пошёл типичный для натриевой карамели процесс коробления поверхности.

Рисунок 30
Раскалённый шлак

От поверхностной деформации торцов топлива перед их соединением, делается их выравнивание с помощью поверхностного плавления под 100Вт лампочкой. В данном случае проведена была уже вторая стадия заправки сегментов двигателя топливом, и они полностью готовы к последней завершающей стадии сборки – закрытию двигателя.

Рисунок 31
Раскалённый шлак

После, собранные двигателя, идут на взвешивание. Масса собранного двигателя вместе со стендовой оснасткой составляет 606г каждый.

Рисунок 32
Раскалённый шлак

Масса самого двигателя после сборки составляет 593г каждый. И снова отличная воспроизводимость результатов конуструкции двигателей.

Рисунок 33
Раскалённый шлак

Небольшая фотосессия готовых к испытаниям двигателей для оценки их качества сборки.

Рисунок 34
Раскалённый шлак

Двигатели МА-40-7 (Р-40-25 и Р-40-26) вид слева.

Рисунок 35
Раскалённый шлак

Двигатели МА-40-7 (Р-40-25 и Р-40-26) вид от сопла.

Рисунок 36
Раскалённый шлак

Двигатели МА-40-7 (Р-40-25 и Р-40-26) вид от торца.

Рисунок 37
Раскалённый шлак

Двигатели МА-40-7 (Р-40-25 и Р-40-26) вид справа.

Подготовка испытания двигателей В начало

Рисунок 38
Раскалённый шлак

Контрольное взвешивание двигателей непосредственно перед их испытанием. К общей массе ещё добавилась масса набалдашины, давящей на датчик стенда. Теперь полная собранная масса двигателя вместе с оснасткой составляет 611г.

Рисунок 39
Раскалённый шлак

Первый двигатель МА-40-7 (Р-40-25) установлен на стенде и готов к испытанию. Сам стенд был зафиксирован в грунте и упёрт в холм, а также привален двумя булыжниками, чтобы защитить электронику от возможного повреждения.

Рисунок 40
Раскалённый шлак

Двигатель подвешивался на качели стенда, закрепляясь под стальным уголком пластиковыми хомутами. Нагрузка при калибровке передавалась от штанги качели через уголок на упор корпуса двигателя, переходила через весь двигатель на датчик стенда, в который упирался двигатель через специальную надстройку. Во время же самого испытания, двигатель просто висел на качели, не оказывая никакой нагрузки на датчик.

Рисунок 41
Раскалённый шлак

Поскольку настройка электронного измерительного оборудования заняла значительное время, то сопло пришлось заткнуть, чтобы не намокла воспламеняемая поверхность, так как топливо гигроскопично.

Рисунок 42
Раскалённый шлак

Место испытание двигателей было разбито на две части. Место полигона, где проводилось само испытание и место для аппаратной, где проводился замер и снятие данных со стенда.

Рисунок 43
Раскалённый шлак

Аппаратная. Хоть и улица, а некий сервис всё равно присутствует)))

Рисунок 44
Раскалённый шлак

Измерительно-оцифровывающий блок Дмитрия.

Рисунок 45
Раскалённый шлак

Он же в разобранном виде со снятой верхней крышкой.

Рисунок 46
Раскалённый шлак

Пошёл процесс калибровки ёмкостного датчика стенда.

Рисунок 47
Раскалённый шлак

Первая гиря на 1кг подвешивалась по делениям рычага, давая различное усилие на датчик.

Рисунок 48
Раскалённый шлак

Здесь уже была связка из двух гирь по 1кг и по 2кг. Стали заметны деформации алюминиевого рычага и слышны потрескивания в районе его крепления. Напряжение поднималось как на пластинах датчика, так и у меня)))

Рисунок 49
Раскалённый шлак

И всё же груз на 7кг был подвешен на самое дальнее деление на палке, создавая нагрузку более 21кгс. Сам рычаг заметно прогнулся. А я смотрел и не верил, что всё это передаётся через бумажную конструкцию двигателя и упоров.

Рисунок 50
Раскалённый шлак

А вот все 14кг я не рискнул вешать до конца. Остановились на усилие почти в 43кгс. С меня тогда аж семь потов сошло, ведь всё могло просто чпок и рухнуть. Стенд всё же не был рассчитан на такие нагрузки при калибровке, как и на испытание таких больших двигателей…

Рисунок 51
Раскалённый шлак

Но калибровка стенда Дмитрия прошла успешно, и всё было готово непосредственно к проведению испытания двигателей.

Выводы В начало

  1. Достигнута весьма высокая воспроизводимость результатов при изготовлении двигателей.
  2. Неустойчивое горение действительно устранено.
  3. Результат УИ вызывает большие сомнения.
  4. Попытка исправить конструктивный недостаток в сопловом блоке, из-за которого происходит разгерметизации в конце работы двигателя, не прошла, так как применённое решение о заделывании щели слоями тонкой бумаги не дало надёжного результата.

Выражаю благодарность Дмитрию за предоставление измерительного оборудования для испытания этих двигателей.

SashaMaks © 30.04.2011
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016