Введение На этой странице представлены результаты первого огневого испытания (LDX-001) нового РДТТ Lambda. Двигатель Lambda разработан для использования во второй ступени ракеты Cirrus Two.
Это испытание имело четыре основные задачи:

• Проверить прочность двигателя, самого большого сделанного автором.
• Измерить реальные характеристики двигателя и сравнить с расчётными.
• Испытать теплоизоляцию корпуса, изготовленную из листового ПВХ, и неопреновую бронировку топливных зарядов.
• Определить пригодность двигателя Lambda в качестве маршевого для ракеты Cirrus Two.

Конструкция двигателя описана на странице Lambda двигатель - предварительный проект. Полный вес топлива (KNO3-декстроза) 2900г, четыре сегмента длиной по 134 мм, внешний диаметр (без бронировки) 65.6 мм. На сегментах не было видно никаких дефектов, измеренная плотность была 1.80 г/см³, что составляет хорошие 96% от идеальной.

Бронировка топлива имела толщину 0.32 мм, состояла из хлопковой ткани, пропитанной неопреном (2 покрытия клеем).

Теплоизоляция корпуса изготовлена из листового ПВХ толщиной 0.31 мм, который был свёрнут горячим и склеен внахлёст.

Четыре топливных сегмента с бронировкой, корпус и теплоизоляция корпуса показаны на рисунке 1.

Рис. 1

Воспламенитель двигателя lambda состоял из маленького ракетного двигателя, что обеспечивало быстрое воспламенение. Топливом в воспламенителе был KNO3-сахар, этот состав был выбран благодаря его высокой скорости горения и лёгкому воспламенению. Для уменьшения адсорбции влаги заряд KNO3-сахар был покрыт смесью KNO3-уголь-изопропиловый спирт.

Испытательный стенд STS-5000 позволяет измерять тягу и давление в двигателе. Тяга измерялась гидравлическим датчиком , соединённым с манометром на 0-1000psi (0-70 атм). Для измерения давления в двигателе через отверстие в передней крышке подключался манометр на 0-2000psi (0-140 атм). Для предотвращения повреждения манометра горячими газами соединительная трубка заполнялась маслом (SAE 30). Показания манометров записывались видеокамерой, расположенной на расстоянии 3.7м. Лист оргстекла защищал камеру как от возможных осколков при аварии, так и от ударных волн, создаваемых нормально работающим двигатеоем. Вторая (цифровая) видеокамера использовалась для съёмки самого двигателя с расстояния 45 м.

Ход испытания 10 февраля 2002г --

Испытательный стенд был установлен на небольшом причале замёрзшего озера.(рис. 2).

Рис. 2-- Автор с двигателем перед испытанием.

Первым признаком начала работы двигателя был шипящий звук воспламенителя, за ним немедленно последовал оглушительный визг двигателя, вышедшего на полную мощность. Горение было очень ровным, с большими клубами дыма, взлетающими на 50 метров вверх. Однако менее чем через секунду двигатель взорвался. Остатки топлива выбросило из двигателя, они упали на снег и погасли.

Предварительный осмотр повреждённого двигателя показал, что корпус разорван в области сопла, в остальном почти не пострадал. Сопло было немного изогнуто в расширяющейся части. Передняя крышка была продырявлена упором стенда. Сам стенд был немного погнут (его устройство позволяет просто заменять отдельные детали). Манометры серьёзно не пострадали.

Рис.3-- испытание двигателя Lambda, слева направо.

Анализ Корпус двигателя разорвало под действием слишком большого давления. Это видно на рисунке 4, на котором изображены измеренное давление в двигателе и тяга. Измеренные значения тяги заканчиваются на 460 lbs (208 кг), что соответствует пределу измерений. Пунктирная кривая - это тяга, рассчитанная на основании давления в двигателе и коэффициенте C_f равном 1.50, принятом постоянным.

Рис. 4-- Измеренные тяга (шкала слева) и давление (шкала справа).

Видно, что разрыв корпуса произошёл при давлении приблизительно 16.2 MPa, что вдвое превышает проектное давление 7.8 MPa, и в пределах 5% от расчётного давления разрыва, предсказанного программой CASING.XLS. Осмотр корпуса показал, что произошёл классический кольцевой разрыв из-за превышения давления. Начало разрыва пришлось на участок на расстоянии около 7 см от сопла.

Рис. 5-- Разорванный корпус.

Свидетельства указывают на прогар или отрыв бронировки заряда как причину повышения давления. Бронировка хлопок/неопрен была использована впервые (для двигателя Kappa успешно использовалась бронировка хлопок/полиэфир). При просмотре видеозаписи видно, что вскоре после воспламенения двигателя дым, который обычно белый, вдруг чернеет (первый кадр на рис. 3). Вероятная причина этого - горение бронировки одного или нескольких сегментов. После этого дым становится белым (второй кадр на рис. 3) и свежевскрытая поверхность топлива начинает гореть. Судя по всему, бронировка была нарушена у двух нижних сегментов, которые нагреваются больше всех за счёт наибольшего потока горячих газов в этой части двигателя. Нижняя треть термоизоляции была выброшена из двигателя и не найдена, однако на оставшейся части заметен прогар, соответствующий расположению второго снизу сегмента (рис. 6, жёлтые стрелки).

Рис. 6-- ПВХ термоизоляция (пунктирная линия показывает первоначальный размер).

Если предположить, что два нижних сегмента лишились бронировки после 0.25 секунды (что соответствует резкому изменению кривой на рис.4), Kn при этом вырос до 570. Это соответствует давлению в двигателе около 14.5 MPa. Таким образом, возможность катастрофического роста давления в двигателе возможна при прогаре немногим более половины всей бронировки.

Двигатель был спроектирован так, что при давления выше 140 атм. должны были разорваться болты, удерживающие переднюю крышку. Однако испытание этих болтов показало, что они имеют большую прочность, чем ожидалось.

Осмотр уплотнительных колец показал, что они не допустили утечки даже при таком высоком давлении.

Выводы Интересно, что две из поставленных задач этого испытания были выполнены. Была подтверждена прочность конструкции двигателя, который выдержал давление гораздо больше проектного.

Задача испытания ПВХ теплоизоляции корпуса была частично выполнена. Поскольку горение топлива происходило не в нормальном режиме, теплоизоляция подверглась гораздо большей нагрузке. Кроме того, поскольку время горения составило только 1/3 расчётного, невозможно сделать чётких выводов. Однако осмотр остатков теплоизоляции позволяет сделать некоторые выводы. Верхняя половина, где горение шло нормально, практически не пострадала. Толщина остатков в этой части составляет от 0.55 до 0.81 мм, что свидетельствует о допустимой скорости эрозии Всё это говорит о том, что теплоизоляция ПВХ может быть вполне пригодной.

Остальные две задачи не были выполнены, будут проведены повторные испытания.

Будут проведены отдельные испытания бронировок на основе хлопок/неопрен и хлопок/полиэфир (на установке аналогичной использовавшейся для экспериментов по воспламенению топлив). Результаты этих экспериментов помогут подтвердить или опровергнуть гипотезу о причинах катастрофы двигателя.