Главная | Двигатели => МА-40 => МА-40-7
МА-40-7 (Hors) Р-40-27 и Р-40-28
Введение Испытание двигателей Результаты испытаний Параметры двигателей Двигатели после испытания Сборка двигателей Выводы

Введение В начало

Да данном этапе разработки этого двигателя хочется оглянуться назад и подвести некоторые итоги проделанной работы.

Первое, с чем пришлось столкнуться – это применение хрупкого топлива в скреплённой схеме заряда. Двигатель под серийным номером Р-40-2 со скреплённым зарядом взорвался. Треснуло топливо, не выдержав внутреннего давления в канале, что повлекло за собой полное разрушение всего двигателя в момент выхода его на режим. На меньших калибрах такого не наблюдалось, но даже малейшая вероятность подобного исхода должна быть устранена. Общеизвестное решение с применением вкладного заряда плохо сказывается на массовом совершенстве двигателя и требует применения дополнительных материалов. Поэтому было придумано новое решение о разбиении кольцевого заряда на сектора вдоль всего корпуса двигателя с помощью обыкновенных бумажных перегородок. Данное решение позволило навсегда забыть о взрывном разрушении двигателя и полностью исключить растрескивание хрупкого заряда внутри двигателя. С момента испытания двигателя Р-40-2 было последовательно испытано без взрывов уже 27 двигателей! Такой высокой статистикой надёжности от взрывов не обладают даже прочно скрепленные «бессопловые» двигатели на обычном карамельном топливе, у которых в лучшем случае то и дело вылетают отколовшиеся куски топлива из корпуса…

Периодически возникающие прогары корпуса были устранены конструктивно. Была изменена технология склеивания много лепестковых осевых креплений обечаек двигателя, что позволило легко и быстро склеивать любое число лепестков сразу с помощью удержания их нитью. Это позволило делать их сразу целиковой лентой на всю длину окружности корпуса, благодаря чему удалось устранить образование свищей между отдельными листами в слое. Потом для надёжности был добавлен ещё второй слой осевых креплений с относительным кольцевым смещением лепестков относительно друг друга так, чтобы верхние закрывали зазоры нижних для 100%-ой герметизации камеры сгорания. Так же при стыковке сегментов торцевые поверхности топлива было решено не сваривать между собой по топливу, а просто покрывать тонким слоем силиконового герметика для их бронировки и уплотнения. Всё это постепенно позволило полностью решить проблему составного сегментного корпуса с прогарами и сохранить удобство сборки и надёжность работы двигателя без существенных потерь в массовом совершенстве двигателя.

Применение уникального композитного материала из обычного ватмана, пропитанного жидким стеклом, для изготовления корпуса двигателя, позволило добиться высокого массового совершенства, где масса топлива в 5 раз больше массы корпуса двигателя – это даже лучше, чем у «бессопловых» двигателей. При этом данный материал не горюч и не расслаивается под сдвиговыми нагрузками, благодаря чему детали его можно просто склеивать нахлёсточным типом без особых усложнений. А высокая точность сборки достигается за счёт качественной струйной печати чертежей на принтере. Так же за счёт вспенивания жидкого стекла происходит вздутие внутренних слоёв корпуса, что резко снижает теплопередачу вглубь стенки и позволяет существенно сэкономить на ТЗП в момент теплового удара после отработки двигателя. Толщина стенки бумажного корпуса двигателя чуть более 1мм на внутреннем диаметре 40мм!

Низкочастотное неустойчивое горение, возникшее в этом двигателе при использовании медленно горящих составов на основе нитрата натрия, было ошибочно определено и спутано с обычным нестационарным законом изменения площади критического сечения, что приводило к периодической случайной отсечке тяги двигателя. Реальный предел устойчивого горения для топлива, применённого в этом двигателе, составил всего лишь 1атм в абсолютных единицах, а не 50÷100атм, как указывалось в сторонних источниках.

За счёт программирования скорости разгара критической части сопла с помощью геометрии профиля и материала, можно получить от этого двигателя как прогрессивный, так и постоянный или даже регрессивный закон тяги. Для уменьшения прогрессии и получения постоянной тяги, двигатель легко может быть дополнен сверху одной шашкой с звездообразным каналом. Всё это делает его очень гибким для выбора требуемого режима работы.

Вариации этого двигателя с разной длиной корпуса показали, что он легко может быть масштабирован по габаритам. В будущем на основе этой конструкции предполагается проектирование ещё таких же аналогов с внутренним диаметром корпуса до 60мм и даже до 80мм.

Новая пара двигателей МА-40-7 под серийными номерами Р-40-27 и Р-40-28 предназначена для повторного стендового испытания на определение тяги с воспроизводимостью результатов и дополнительной отработки надёжности ТЗП в районе соплового блока, так как на предыдущих испытаниях на двигателях Р-40-24 и Р-40-26 в этом месте возникла разгерметизация. Для чего был сконструирован новый оптический стенд Т6, предназначенный для измерения средней тяги двигателей до 40кгс. А также были введены следующие конструктивные изменения в конструкцию двигателя:

  • Для более резкого выхода двигателя на режим решено отказаться от использования разделительного кольца в первом сегменте двигателя. Технологически такое решение не меняет последовательности сборки двигателя и не усложняет её, а наоборот упрощает. При этом повышается и массовое совершенство двигателя. Суть данного решения состоит в том, что наиболее резкий выход на режим наблюдался у двигателя Р-40-9-1, поэтому схема конструктивного исполнения канала и системы воспламенения взята на его подобие.
  • Для предотвращения расслоения обечайки сопла, её торцевая поверхность, которая выходит внутрь камеры сгорания, утоплена ближе к месту крепления сопла с конусной обечайкой, а в высвободившееся пространство просто заливается ЭДП. Очень простое решение, которое должно полностью исключить разгерметизацию соплового блока и не вносит никаких дополнительных усложнений в конструкцию двигателя или его технологию сборки. Дополнительный слой из ЭДП в 4мм позволит значительно продлить термостойкость в этом месте.
  • Для дополнительного облегчения конструкции корпуса двигателя изменена форма сопла – внешний диаметр сопла уменьшен с 25мм до 23мм. Число слоёв силикатного ватмана в обечайке сопла также уменьшено вдвое с 4-х слоёв до 2-х слоёв – пропорционально внутреннему диаметру обечаек. Также дополнительно снижена концентрация жидкого стекла до требуемой, что позволило получить среднюю массу цилиндрических обечаек двигателя 16,8г – как было у двигателей до Р-40-15. Завышенная концентрация жидкого стекла обусловлена закупкой новой партии жидкого стекла и недостаточным её разбавлением водой.
  • Для предотвращения осевого перекоса сопла при его соединении с конической обечайкой соплового блока были сделаны специальные технологические приспособления (см. ниже), которые позволяют точно выставлять глубину посадки сопла относительно торцевой поверхности конической обечайки и выставить его концентричность относительно конической обечайки с требуемой точностью.

До этого момента я использовал два основных типа воспламенительных составов: топливо NaNO3(58%) + NH4NO3(1%) + Сорбит(30%) + S(11%) (поскольку это установившийся состав в моей практике, то ему дано кодовое имя NNSS) и обыкновенная селитра на бумаге. Оба состава хорошо горят при атмосферном давлении, образуют мало шлаков. Но у селитры низкая плотность и довольно большая скорость горения, поэтому с ней не получается эффективно использовать объём в двигателе под воспламенительный состав. У топлива NNSS как оказалось всё же есть некоторое шлакообразование при горении в атмосферном давлении. От селитры я уже давно отказался, сейчас она используется только как инициирующее вещество в двигателях. А вот, что происходит внутри двигателя при использовании в качестве воспламенительного состава топлива NNSS в районе соединения первого и второго сегментов двигателей Р40:

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-40-27 и Р-40-28) В начало

Испытание двигателей было основательно подготовлено. Был сделан новый оптический стенд более удобной и простой конструкции для монтажа на готовую площадку из бетона или кирпичей, что упрощало его развёртывание на месте. За день до испытания были установлены крепления стенда на подготовленной площадке и полностью отрепетирован весь процесс монтажа стенда и двигателя на месте испытания, что позволило исключить возможные непредвиденные ситуация при проведении самого испытания.

Само испытание двигателей прошло успешно и без заморочек. Единственное, что напрягало – это скорое завершение дня и ветер, который дул в направлении камер, что мешало объективной съёмке измерительной шкалы стенда. Но всё получилось, и данные удалось точно снять по видео с помощью моей программы.

Рисунок 1 - Выход двигателя Р-40-27 на режим
Выход двигателя Р-40-27 на режим

После испытания были получены очень красочные кадры работы двигателей. Мощное ярко-жёлтое пламя вырывалось наружу из сопла. А двигатели светились насквозь почти всё время работы на режиме.

Рисунок 2 - Выход двигателя Р-40-28 на режим
Выход двигателя Р-40-28 на режим

Второй двигатель отработал точно так же, как и первый. Внешних отличий почти не видно.

Рисунок 3 - Двигатель Р-40-27 на режиме
Двигатель Р-40-27 на режиме

Под конец работы у обоих двигателей корпус стало просвечивать насквозь так, что были видны вдоль всего корпуса перегородки и кольцевые крепления сегментов двигателя, как на рентгене. А само сопло, кажется, повисло где-то на струе газа ничем не удерживаемое)))

Рисунок 4 - Двигатель Р-40-28 на режиме
Двигатель Р-40-28 на режиме

Так как ветер дул из окна стены на камеры, то к концу работы двигателей в этом пространстве надуло выхлопного дыма двигателей, и те приобрели некое волшебное свечение в этой дымке)))

Рисунок 5 - Лазерный луч стенда показывает тягу двигателя Р-40-27
Лазерный луч стенда показывает тягу двигателя Р-40-27

Несмотря на сильное задымление, лазерный луч было видно на видео. А главное было чётко видно пятно от него на шкале, что и позволило программе снять данные по видео, так как ей вовсе необязательно видеть для этого деления шкалы, так как в её памяти уже заведомо загружены данные калибровки стенда и масштаба видео.

Рисунок 6 - Лазерный луч стенда показывает тягу двигателя Р-40-28
Лазерный луч стенда показывает тягу двигателя Р-40-28

Второй двигатель и на этом видео скопировал работу первого.

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

График 1 - Тяга двигателя МА-40-7 (Р-40-27).

Тяга двигателя МА-40-7 (Р-40-27)
График 2 - Тяга двигателя МА-40-7 (Р-40-28).

Тяга двигателя МА-40-7 (Р-40-28)
График 3 - Тяга двигателей МА-40-7 (Р-40-25, Р-40-27 и Р-40-28).

Тяга двигателей МА-40-7 (Р-40-25, Р-40-27 и Р-40-28)

Сравнительный график тяги некоторых двигателей по удельному импульсу топлива. Результат средний для карамельного топлива, но далеко не предел для данного двигателя.

Главное, что на этот раз удалось добиться высокой воспроизводимости результатов для двух двигателей, которые несколько превысили по УИ ранее полученные на двигателях МА-40-7 (Р-40-25 и Р-40-26). Я бы даже сказал, что этот факт уже сам по себе рекорд, так как пока ещё на своей памяти я такого не видел ни у одного самодельного любительского двигателя на твёрдом топливе.

График 4 - Удельный импульс топлива.

Удельный импульс топлива

Сравнительный график некоторых двигателей по коэффициенту массового совершенства.

По коэффициенту массового совершенства (К.М.С.) данный двигатель превзошёл почти всех.

График 5 - Массовое совершенство двигателей.

Массовое совершенство двигателей

Сравнительный график некоторых двигателей по их удельному импульсу.

А вот по удельному импульсу двигателя результат вплотную подошёл к двигателям, в которых используются более калорийные топлива, и если бы непонятные пока потери в УИ, то результат был бы и здесь в числе первых…

График 6 - Удельный импульс двигателей.

Удельный импульс двигателей

Сравнительный график некоторых двигателей по динамическому совершенству. Динамическое совершенство – это пока некий надуманный параметр оценки качества двигателей с учётом их силовой отдачи и продолжительности действия силы реакции, равный произведению удельного импульса двигателя на полное время его работы. Иными словами, чем больше у двигателя его удельный импульс в снаряжённом состоянии и чем дольше он этот импульс выдаёт, тем лучше. Этот параметр важен для оценки качества двигателей для высотных ракет, так как в определённых пределах высоты полёта и полного времени работы любительских двигателей, оптимальнее лететь дольше, чтобы забраться повыше, для лучшего преодоления сил сопротивления атмосферы. Здесь двигатель МА-40-7 под серийным номером Р-40-27 превзошёл даже торцевик ТРДК-1 с временем работы 7с! Но их тут их сложно сравнить между собой, так как существенна разница в габаритах.

График 7 - Динамическое совершенство двигателей.

Динамическое совершенство двигателей

Если на таком двигателе сделать ракету по пока ещё проектирующимся моделям, то получаются следующие данные о высоте и скорости её полёта:

График 8 - Ориентировочный расчёт возможной ракеты МАВ-45-7 на данном двигателе.

Ориентировочный расчёт возможной ракеты МАВ-45-7

Параметры двигателей В начало

Данные о двигателях сведены в одну таблицу.

Таблица 1 - Параметры двигателей МА-40-7 под серийными номерами Р-40-27 и Р-40-28.
Топливо
Двигатель Р-40-27 Р-40-28
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 2,75 2,75
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 13 13
Степень расширения сопла по диаметру (начальная ÷ конечная) 2 ÷ 1,6 2 ÷ 1,6
Масса корпуса двигателя (расчётная), г 91,7 91,6
Масса первого сегмента (измеренная), г 9,9±0,05 9,8±0,05
Масса второго сегмента (измеренная), г 17,1±0,05 17,1±0,05
Масса третьего сегмента (измеренная), г 16,8±0,05 16,8±0,05
Масса четвёртого сегмента (измеренная), г 16,9±0,05 16,9±0,05
Масса соплового блока без ТЗП (измеренная), г 21,9±0,05 21,9±0,05
Масса соплового блока с ТЗП (измеренная), г 24,4±0,05 24,4±0,05
Масса осевых креплений (измеренная), г 6,55±0,05 6,55±0,05
Масса первого сегмента с топливом (измеренная), г 30,2±0,05 30,3±0,05
Масса топлива двигателя (расчётная), г 520 520
Масса топлива двигателя (измеренная), г 510 510
Масса двигателя (расчётная), г 610 610
Масса двигателя (измеренная), г 605 605
Масса отработанного двигателя (измеренная), г 86 87
Коэффициент массового совершенства 0,186 0,186
Масса вспомогательной оснастки, г 9 9
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 4,0 4,0
Полное время работы, с 4,4 4,4
Полный суммарный импульс, Нс 476,3 464,2
Удельный импульс топлива, м/с (с) 934 (95,2) 910 (92,8)
Удельный импульс двигателя, м/с (с) 791,6 (80,7) 767,3 (78,2)
Максимальная тяга двигателя, Н (кгс) 159,5 (16,26) 151,9 (15,48)
Средняя тяга двигателя, Н (кгс) 100 (10,2) 96,7 (9,86)
Классификация двигателя I 100 I 97
Начальное давление в камере сгорания, атм 9,3 9,7
Конечное давление в камере сгорания, атм 11,9 11,3

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

Двигатели после испытания В начало

Рисунок 7
Раскалённый шлак

Осмотр корпусов отработанных корпусов двигателей со всех сторон наглядно показывает, что при уменьшении общего времени горения топлива внутри корпуса, снижается и общее тепловая нагрузка на корпус. Так, как при этом происходит более быстрое догорание остатков топлива, большей частью протекающее на режиме работы двигателя, под значительным давлением в камере сгорания. В противном случае, догорание остатков топлива на низком давлении, близком к атмосферному, в камере сгорания приводит очень длительному процессу горения в медленногорящих топлива. Образующийся шлак при этом сильно жжёт корпус до черна.

Слева приведены три фотографии обоих двигателей с трёх разных углов поворота для регистрации степени обжига корпуса.

Рисунок 8
Горячий шлак

При таком, слегка пожелтевшем цвете, бумага ещё сохраняет достаточно высокую жёсткость, что обеспечивает необходимую прочность и жёсткость хвостового отсека ракеты после прохождения активного участка полёта.

Рисунок 9
Фрагмент шлака

Легкая помятость внешней поверхности корпуса отработанного двигателя так же не вносит существенных геометрических нарушений в корпусе хвостового отсека ракеты и не влияет на устойчивость и точность полёта.

Сборка двигателей В начало

Рисунок 10
Раскалённый шлак

Поскольку разработка данного двигателя подходит к концу, то необходимо было позаботиться о точности его исполнения, особенно по части соосности сопла относительно главной оси двигателя. Для чего была сделана специальная технологическая приблуда, которая позволяет выставить перпендикулярно сопло относительно основания большого конуса корпуса соплового блока, так как эта поверхность является определяющей и базой. Но эта приспособа, как-то не очень помогла. Только у одного из двух двигателей удалось добиться необходимой точности, а у второго всё равно возникло довольно сильное отклонение в одну сторону градусов 3-4.

Рисунок 11
Горячий шлак

Три составляющие для формирования керамического сопла из глины. Форма сопла, корпус и белая косметическая глина. Корпус для формования сделан достаточно толстым из большого числа слоёв ватмана, чтобы при съёме спрессованного сопла не деформировать сильно его при сжатии и не нарушать круглости. А между этим корпусом и самим соплом предусмотрена бумажная изоляция из 3-х слоёв офисной бумаги, которая предотвращает прилипание сопла к стенкам корпуса и защищает корпус от износа глиной.

Рисунок 12
Фрагмент шлака

Важной технологической особенностью формования глиняного сопла является быстрое извлечение готового сопла из формы сразу после опрессовки. Если оставить сопло высыхать внутри корпуса формы, то оно растрескается в радиальном направлении и станет совершенно непригодным для дальнейшего использования. Данный брак является неисправимым. Свободно сохнущее глиняное изделие высыхает равномерно со всех поверхностей и не даёт трещин.

Рисунок 13
Последствия испытания

Все обечайки двигателя и сопла вместе, последний осмотр перед заправкой топливом и контрольное взвешивание.

Рисунок 14
Последствия испытания

Контрольное взвешивание обоих корпусов будущих двигателей без элементов осевого соединения показало массу в 153г или по 76,5г на каждый двигатель. Эта даёт примерную ориентировку на конечное значение массы корпуса двигатели и показывает, что всё хорошо укладывается в расчётные значения.

Рисунок 15
Воспламенительный сегмент после испытания

Сборка заглушек и сопловых блоков двигателей. Несколько утопленное положение воспламенителя оказалось неудобным для монтажа системы зажигания, так как нихром могло просто залепить топливом, что могло привести к сильной задержке при пуске. Позднее эта проблема будет решена с помощью небольшого удлинения воспламенителя. Толщина ТЗП в сопловом блоке непостоянная и постепенно увеличивается от кромки к соплу, что позволяет максимально эффективно и экономно распределить массу.

Рисунок 16
Последствия испытания

Вид на сопловые блоки с обратной стороны. Вся внутренняя поверхность сопла покрыта слоем 1-2мм из клея TITAN с целью повышения теплозащиты сопла от перегрева на начальной стадии работы двигателя, когда идёт процесс разогрева и воспламенения топлива.

Рисунок 17
Последствия испытания

Заправленные топливом обечайки после первой стадии заправки. Это по две цилиндрические обечайки от каждого двигателя 2-ой и 4-ий сегменты, а также заглушка и сопло 1-ый и 5-ый сегменты. Третьи сегменты заправляются топливом на второй стадии после досборки корпуса.

Рисунок 18
Последствия испытания

На этой стадии идёт процесс загустевания топливной массы, важно проследить за тем, чтобы оправки не прилипли к каналу, пока топливо не застынет.

Рисунок 19
Последствия испытания

Досборка корпусов двигателей производится после первой стадии заправки топливом. При этом соединяются 1-ый, 2-ой и 3-ий сегменты корпуса в одно целое, а третий сегмент дозаправляется топливом. После чего все три оставшиеся части двигателя соединяются в одно целое и сборка двигателя заканчивается.

Рисунок 20
Последствия испытания

Подготовленные сегменты двигателя для последней стадии сборки корпуса двигателя. Стыковочные поверхности пригнаны и выровнены. Торцевые поверхности корпуса двигателя зачищены от остатков топлива. После чего на торцевые поверхности топлива наносится слой из силиконового герметика толщиной в 1мм, для герметизации соединения и бронирования торцевых поверхностей топливных шашек.

Рисунок 21
Последствия испытания

Почти готовые двигателя перед завершающей стадией сборки.

Рисунок 22
Последствия испытания

После сборки двигателей, была сделана вылазка на будущее место их испытаний, где необходимо было воспроизвести всю компоновку стендоизмерительного и установочного оборудования вместе с двигателем. Главной целью было определение точных координат для крепления хомутовой пары, удерживающей двигатель в заданном положении и приклеивание их к кирпичам с помощью клея TITAN. Всё делалось по месту. Излишки цемента убирались с помощью тяжелого инструмента для того, чтобы выровнять поверхность и исключить болтание и качание тел.

Рисунок 23
Последствия испытания

Новый вариант оптического стенда был упрощен и ориентирован на относительно подготовленное место испытаний, в котором предполагалось использовать готовый и прочный упор. В данном случае его роль выполнял специально приклеенный для этого кирпич на том же клее TITAN. Это служило хорошей опорой для стенда и позволяло быстро устанавливать его на месте без лишней мороки.

Рисунок 24
Последствия испытания

Поскольку уже стемнело было сделано две фотки: со вспышкой и без неё. Со вспышкой получилось так, как будто уже ночь настала)))

Рисунок 25
Последствия испытания

Далее несколько фотографий уже готовой смонтированной испытательной позиции стенда и двигателя вместе.

Рисунок 26
Последствия испытания

Осталось только провести испытание...

Рисунок 27
Последствия испытания

Выбранное место для испытание оказалось весьма фотогеничным и удачным для красивых кадров)))

Выводы В начало

  1. Полученный низкий удельный импульс двигателя подтвердился. Но результат превзошёл ожидания. Время работы двигателя увеличилось примерно на 0,5с, и удельный импульс подрос с 80с до 95с. Что было результатом принятого решения об изменении схемы воспламенения двигателя, это дало более полное дожигание топлива в двигателе на уровне второго сегмента.
  2. Впечатляет результат по воспроизводимости! Качественно оба графика тяги, как копии! Расхождение по удельному импульсу топлива не превысило 3%!
  3. Давление в двигателе оказалось ниже ожидаемого. Диаметры сопла выбирались из расчёта на большее давление для перестраховки на случай превышения допустимого давления, но этого не произошло. В итоге сопло получилось несколько великовато для этого двигателя.
  4. Весьма печально и удивительно, что сопла из каолиновой глины так сильно разрушаются под давлением всего лишь в 10атм. Похоже, что придётся искать другой материал…
  5. В ближайшем будущем необходимо будет сделать дорабоку двигателя на полноту сгорания и точнее оптимизировать сопло, для получения большего удельного импульса двигателя.
SashaMaks © 30.06.2011
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016