Private Space Launch - создание ракеты на ГРД

Проведены 08/06/11 очередные огневые испытания гибридного ракетного двигателя.
Тяга ниже расчетной. Причина - не понятна. При расходе окислителя прим. 800г/с тяга ниже 100кгС. Канал ф60мм, L-175мм. Парафин зачернен. Дыма почти нет, что указывает на избыток окислителя. В прошлый раз дыма не было вообще, но тяга по внешним эффектам была много, много выше. Тензодатчик тогда невесть что показывал, так что цифры сравнить не можем.
Критика разгорелась с 26,5 до 27мм (текстолит).
В этой же камере с соплом, правда 25мм, получали 150 кгС. Что произошло не ясно.
Есть мнение, что надо повторить предпоследний прожиг, чтоб было с чем сравнивать.

Так же видна отчетливая "промежуточная" фаза при запуске двигателя, длительностью 0,18 сек. Необходимо сократить ее по времени до 0,01-0,03 сек.
В остальном, зажигание и останов, а так же работа клапана - штатно.
Раскадровка дает следующее время:
1) подача напряжения - поджиг стартовой шашки - 0,8 сек
2) Поджиг старт. шашки - открытие ПК - 0,1 сек
3) Открытие ПК - предварительная - 0,13 сек
4) Предварительная - Основная - 0,18 сек
5) Основная - 1 сек (прим)
6) Основная - Останов - 2,5 сек.

Тензометрия обрабатывается.

График

Уточняются подробности испытания. Окислителя заправлено было 680 гр. Улетело парафина 102 гр. Критика 26мм. Внутренний канал был 73х175 (ранее ошибся написав ф60мм) и разгорелся до 80мм. Расход основной части окислителя пришелся на первые 0,5 сек. Это Видно и по графику и по видео (максимальная засветка видеокамеры). Соотношение компонентов 6,6, почти оптимум. Но где тяга?

Просчет понятен...

С учетом последних данных по уносу парафина 1,75мм/с, надо делать канал ф72мм (свод по 5,5мм на стенку) и длину шашки увеличивать до 400мм. Тогда площадь канала шашки будет 904см*2 х 0.175см/сек х 0.8гр/см*3 = 126 гр/сек. Это соотношение 6,2 на старте. В конце работы площадь будет 1042см*2 х 0,175см х 0.8 = 146 гр/сек. При условии снижения подачи окислителя, соотношение где-то 4,5-5.

Вывод по результатам - недостаток парафина. Контрольное взвешивание после испытаний показало, что парафина израсходовано 102 гр за прим 2,2 сек. Цифра стыкуется с первоначальной площадью канала шашки и его разгаром. 401см*2 х 0.35мм = 112 гр. Т.е секундный расход был ок.48-56 гр/сек. Если основываться на этих фактических данных, то соотношение выше 14.

В ночь с 12.06 на 13.06 проведены огневые испытания монокока на вертикальном стенде. Выезжали в поле за 35 км от МКАД.

Если оценивать с точки зрения срабатывания всех механизмов и пиротехники - прекрасно. Т.е. убрали предварительную "ступеньку" на графике, которая свидетельствовала о задержке зажигания и потере ок.150 гр окислителя (была раньше длительностью 0.2 сек). Ввели стеклопластиковую теплозащиту всей камеры толщиной 1.5мм. В нее же вставляли графитовое сопло. После прожига камера была чуть теплая. Инжекторную головку "подвесили" на задней заправочной крышке внутри монокока на стальном стержне (это позволило не делать силовую бронировку, на которую давила бы инж. головка (нагрузка 4.6 тонны) и в последствии можно менять объем бака. Манжетные уплотнения и О-ринги сработали отлично, хотя было небольшое травление из-под заправочной крышки. Поставим еще один О-ринг.

А вот в части измерений, испытания не информативные. Выяснилось, что двигатель в сборе весит более 10 кг, что не позволило определить кол-во залитого окислителя. Моя недоработка, конечно. Контролировали по началу выход жидкой фазы из дренажного крана в верхней крышке. Заправку закончили, когда "засвистела" жидкая фаза. Если верить глазам, то по расчетам выходит 2700 гр окислителя было влито. Грамм 100 улетело за время установки двигателя на стенд и последующие подготовительные процедуры.

На улице было +10С, а нагреватель на монокок не ставили. Обычно все испытания проводим при нагреве бака до +30С, чтобы обеспечить одинаковые условия. Так что давление в баке было ок. 40-41 кг/см*2 вместо 70 кг/см*2.

Двигатель запустился отлично, без явной задержки. Плавно выходил на "режим" в теч. 0,3 сек. А что произошло дальше, сложно интерпретировать. Тяга в пике - всего 90кг, а через 0,2 сек уже 30 кг и остается на таком уровне в течение ок. 2 сек. По расчету должно быть ок 200 кг в пике.

Если исходить из того, что бак заполнен полностью, то расход ок. 850 гр/сек. Длинна топливной шашки - 400мм при канале 57мм. На последних прожигах, секундный расход парафина был 1,75мм/сек, т.е. рассчитывали на 142 гр/с при указанных габаритах.

Фактически, контрольное взвешивание шашки до и после прожига дало разницу 380 гр. с учетом 30 гр вытекшего после останова. Разгар канала от 57 до 67мм, дает общий расход 375 гр. с учетом прим. 30 гр вытекшего после останова. Цифры примерно сходятся, что уже радует. На 1/3 длины от головки, выгорание сильнее (диаметр канала 70мм). Далее опять плавно переходит к 67мм.
Если верить расчетам, то соотношение в начале было 6.6

Независимо от вопроса фактического расхода окислителя, не понятно, что вызвало падение тяги до 30 кг. через 0,65 сек после запуска? Вскрытие головки не выявило наличие посторонних частиц в канале подачи окислителя. Даже если силиконовые манжетные уплотнения раздуло окислителем, то канал подачи находится в 25-ти мм от края манжеты. Так раздуть не могло. К тому же, этот график похож на предыдущий, записанный при испытаниях с отдельным баком без каких-либо уплотнений. Там падение тяги не столь резко, но присутствует и она так же "топчется" в виде почти горизонтальной полки в районе 30 кг с сильными "шумами".

Вчера проверил механику стенда. Даже при сильном изгибе ложа двигателя, платформа имеет свободный ход.

Думаю, надо:
1) купить весы и повторить испытания с контролем заправки по весу.
2) обеспечить в том или ином виде подогрев бака окислителя. "Кипятильник" можно исполнить в виде металлической медной или AL трубки с МГТФ проводом. чтоб не мотать провода снаружи.

Надо срочно определить расход окислителя. Причем, возможно надо провести один прожиг (без выезда) только на газовой фазе при штатном нагреве до +30С.

Собственно стенд. Вес ок. 100-120 кг. + стальные болванки. Высота ок. 2,5 мера.
Внизу лежат круглый "пенек" и за ним квадрат стальной ок. 40 кг. Последний был снесен потоком на 0,5 метра в траву.

Весы заказал. Сегодня привезут. Максимальный вес - 30кг, дискрета 5гр. Автономное питание 24 часа.

19.06.11 провели первые стендовые испытания малого ГРД. Опять подвела меня плохая учеба в школе. Не правильно посчитал площадь парафина. Так же выявился сильный недостаток окислителя.
Запланированные ТТХ:
Isp = 180s
F= 250N
t=2 sec
P(к/с) = 426psi
P(бак) = 711 psi
F/O=6

Зажигание сработало нормально, клапан открылся быстро. Сначала пик тяги был ок. 100N, потом резкое падение до прим. 5кг и горизонтальная полка секунды на 3. Пик обеспечивался работой стартовой шашки. Она как раз горит 0,4 сек. Это некая новость для меня.

Следующие действия:
1) устроить ревизию впускного тракта на предмет, где же сечение меньше ф2.2мм. Подозреваю игольчатый клапан.
2) Переделать камеру сгорания, на шашку L=180мм канал ф25,5.

Требуемый расход NOX = 0,118 kg/s
Ф(инж) = 2,2 мм
ф(крит) = 8,7мм
Расход парафина = 20гр/сек.

На фото вертикальный стенд. На нем закреплен "стакан" для установки мини ГРД. Стакан снимается и крепится большой двигатель. Если открутить 2 винта от стены, то снова будет горизонтальный стенд.

Собственно график с 19.06.11 малого ГРД.

Проверка каналов подачи окислителя не выявила мест, где площадь была бы меньше 3,8мм*2. Варианта 2:
1) канал подачи окислителя сложной формы с меняющимся профилем и имеет неколько сужений (если от бака смотреть,то: 2хф4мм - ф2,3мм - ф5мм - ф4мм. Необходимо привести их к одной площади.
2) или мы наблюдаем тот же эффект, что и на большом двигателе. Пик тяги, а потом частичное закрытие пироклапана с падением расхода Nox.

Провели 50-е по счету ОТИ на стенде. Обсчитав в ручном режиме двигатель, и результаты не заставили себя ждать. Обсчета тензометрии пока нет, но можно сказать, что это, пожалуй лучший из всех прожигов.
Материальная часть сработала превосходно. Время реакции клапана ок. 0.07 сек. Предварительная ступень зажигания (она, как выяснилось в процессе ряда испытаний, нужна для гарантированного запуска двигателя), менее 0,03 сек. (по видео). Расход, близок к оптимальному.
Похоже, пропала повторяющаяся "полка" в 30 кгс, которую боялись и не понимали.
В принципе, этот двигатель без доработок можно ставить на ракету. Но, когда будут данные тензометрии, посмотрим, как его можно оптимизировать, скорее всего, надо еще немного поднять расход, дотянув до 180 кгс.

На этом двигателе использовали нагреватель, погруженный в окислитель. Выводы через верхнюю крышку. Напряжение регулировали Латром. Нагрев до 25С и получив по манометру 52кг/см*2, (датчик никак не привезет фима), остановили нагрев. Была едва слыйшая течь из верхней заглушки, но она самоустранилась.
Заправка осуществляется через обратный клапан (покупной). Он, гад, бракованный и травит безбожно. Пришлось накрутить на него заглушку. Это мелочи, к которым привыкли.

Впечатляет. Чувствуется, что добились ровной и мощной тяги.