Экспериментально-расчетное определение концентрации атомов металлов в факеле ЖРД спектрометрическим методом в интересах диагностики ЖРД при проведении наземных испытаний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

УДК 629.7.036.54-63:535.83

На правах рукописи

МошкинКонстантинБорисович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО - РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ В ФАКЕЛЕ ЖРД СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ В ИНТЕРЕСАХ ДИАГНОСТИКИ ЖРД ПРИ ПРОВЕДЕНИИ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Специальность 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника и 05.07.05 Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша», г. Москва

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник Завелевич Феликс Самуилович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: ФГУП «Конструкторское Бюро Химической Автоматики» (г. Воронеж)

Защита диссертации состоится « 28 » апреля 2004 года на заседании диссертационного совета К403.009.01 при ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша». Адрес: 125438, г. Москва, ул. Онежская, 8

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша»

Реферат разослан «_»_2004 года

Кочетков Юрий Михайлович,

кандидат физико-математических наук, доцент Кузнецов Евгений Петрович

Ученый секретарь диссертационного совета

Введение

Актуальность работы.

Для обеспечения безопасного вывода грузов и экипажей на околоземную орбиту и решения других задач, связанных с применением ракетной техники, ракетные двигатели (РД) должны обладать максимальной отказоустойчивостью в работе. При проведении наземных испытаний двигателей системы стенда и двигателя должны предотвращать аварийные ситуации. Применяя методы диагностики в задаче аварийной защиты двигателей возможно выявление и предупреждение различных неисправностей в узлах и агрегатах двигателей, которые могут привести к нарушению работоспособности или полному отказу двигателя.

Оптический метод диагностики позволяет получать информацию о состоянии двигателя, проводя дистанционное измерение излучения факела двигателя. Метод диагностики ЖРД по спектру излучения факела имеет очевидное преимущество перед традиционными:

• этот метод не требует никаких доработок двигательной установки;

• ввиду малой инерционности он позволяет получать информацию в реальном масштабе времени и, в случае необходимости, выдавать сигнал предупреждения;

• этот метод позволяет судить по спектральным линиям излучения металлов об эрозии деталей и узлов ЖРД, которая не может быть определена другими методами.

Применяя оптическую диагностику двигателя по спектру излучения факела можно определять концентрацию атомов тех или иных металлов, входящих в конструкционные материалы и, измеряя скорость уноса конструкции, определять в реальном времени ресурс двигателя и заблаговременно предотвращать аварийные ситуации.

Цель работы.

Адаптация аппаратуры для проведения натурных испытаний и создание расчетной модели для определения массового расхода конструкционных материалов двигателя по спектральным линиям металлов излучаемых факелом ЖРД.

Для достижения цели соискателем решены следующие задачи:

• Адаптированы аппаратные средства измерения спектров для проведения натурных испытаний;

• Разработаны программные средства обработки результатов измерения;

• Созданы расчетная модель излучения в спектральных линиях и методика сопоставления расчетной модели и измерений;

> .'УС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Научная новизна.

1. Впервые в России при огневых испытаниях натурных ЖРД на различных топливах тягой от 10 до 60 тн получены спектры излучения с частотой от 3 до 30 Гц с разрешением 0.2 нм в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, и получены данные о присутствии в факеле металлов.

2. На основе разработанной методики сопоставления экспериментальных и расчетных данных по излучению в спектральных линиях впервые получены количественные оценки нижней границы скорости уноса конструкционных материалов в процессе испытаний натурных ЖРД.

Практическая значимость.

Результаты работы используются при проведении отработочных испытаний, контрольно-выборочных испытаний (КВИ) и специальных проверочных испытаний (СПИ) ЖРД на стендах КБХА. По результатам спектрального анализа факелов двигателей 8Д49 и 8Д411 выявлено влияние вброса порошков конструкционных материалов в тракты двигателей на их работоспособность в рамках программы установления причин аварии РН «Протон» в 1999 году.

На защиту соискателем выносятся:

- адаптация аппаратуры для проведения натурных испытаний;

- программные средства обработки результатов измерений;

- расчетная модель излучения атомов в факеле двигателя;

- методика определения количественного уноса материалов ракетного двигателя во времени.

Основные результаты были доложены на конференциях:

- Fourth International Symposium on Liquid Space Propulsion: Scientific Progress in the Service of Space Access at the Beginning of the Third Millennium, DLR-Lampoldshausen, Germany, March 13-15,2000;

- 19 всероссийская научно-техническая конференции «Высокоскоростная фотография и фотоника». Москва, 2001;

- Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2003 год;

- Вторая международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы», Москва 2003;

и опубликованы в [1; 2; 3; 4].

Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения. Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель работы, задачи, которые были решены для ее достижения, указывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первый раздел посвящен обзору методов диагностики ЖРД. Основное внимание уделено новым контактным и бесконтактным методам диагностики.

1.1. Контактные методы.

Контактными методами хорошо диагностируются неисправности, связанные с турбонасосным агрегатом (ТНА).

Как показывает опыт экспериментальной отработки РД [5; 6], часть неисправностей, возникающих в двигателях, сопровождается изменением его виброакустических характеристик, особенно это обусловлено появлением вибраций ротора ТНА.

Для измерений этих вибраций был специально создан прибор МП САЗ, который был задействован в стендовую систему АВД.

Метод электромагнитной индукции [5; 6] основан на измерении ЭДС индукции, наведенной вихревыми токами в лопатках турбины, возникающими при пересечении лопатками магнитных силовых линий от постоянного магнита, который расположен вне корпуса турбины.

1.2. Бесконтактные методы.

Бесконтактные электрофизические методы диагностики ЖРД основаны на измерении параметров электрических и магнитных полей на внешней поверхности двигателя. Последние годы развитием электрофизических методов диагностики активно занимаются НПО ИТ и НПА "Техноприбор-РКТ" в рамках НИР "Зонд-ЖРД" [6; 7].

В РКК "Энергия" проведены исследования возможности применения эффекта акустической эмиссии при разрушении материалов в целях диагностики состояния ЖРД [6; 8].

Разработка оптических методов и оптико-электронных систем диагностики и аварийной защиты проводится в NASA (США) [9].

В ЦНИИМАШ ведутся работы по спектральному анализу факела ЖРД под руководством Любченко Ф. Н. В 2000 году проводились спектральные измерения факела ЖРД 11Д58М, работающего на компонентах кислород -керосин прибором «СРВ-48». Измерения проводились в спектральном диапазоне 250 - 530 нм [10]. Результаты недавних работ опубликованы в [11].

Начиная с 1997 года, в Центре Келдыша ведутся работы по оптической диагностике ЖРД лабораторией в составе: Ф. С. Завелевича, Ю. М. Головина, Ю. П. Мациикого, К. Б. Мошкина [6; 12; 13; 14; 15; 16].

Во втором разделе описывается измерительная аппаратура.

2.1. Состав аппаратуры

Для проведения измерений спектрометрическая аппаратура выбиралась по нескольким признакам: спектральный диапазон, разрешающая способность, спектральный интервал измерения и частота измерения спектров.

Для определения необходимого спектрального диапазона аппаратуры проведен анализ наиболее сильных спектральных линий металлов, наиболее часто используемых в конструкциях двигателей ракетоносителей.

В качестве спектрометров использовались монохроматоры: МДР 12 и МДР 23, работающие по горизонтальной схеме Эберта.

Из доступных приемников излучения, работающих в интересующей для данной работы спектральной области, подходят приборы с зарядной связью (ПЗС) - линейки и матрицы. Время накопления (экспозиция) может меняться в широком диапазоне. Считывание заряда с пикселей и их обнуление происходит за достаточно малое время. Использование ПЗС-линеек позволяет обеспечить требуемые быстродействие аппаратуры и спектральное разрешение.

Использовались ПЗС линейки Toshiba TDC2120 и Sony ILX511. Линейки устанавливались вместо выходных щелей монохроматоров. Сигнал оцифровывался и передавался в компьютер с помощью АЦП, разработанного под руководством А. С. Романовского (Научно-Учебный Комплекс (НУК) МГТУ им. Баумана) для этих линеек. Из компьютера через параллельный порт происходит управление экспозицией линейки.

2.2. Калибровка и юстировка приборов для проведения испытаний

Калибровка приборов.

Основными оптическими характеристиками аппаратуры являются относительная спектральная чувствительность, абсолютная чувствительность при длине волны, соответствующей максимуму спектральной чувствительности и порог чувствительности.

Соискателем были определены относительные спектральные чувствительности комплексов МДР-линейка-АЦП, которые, в основном, зависели от характеристик линеек. Для длины волны, соответствующей максимальной чувствительности, находится значение NEP (noise equivalent power) — мощность падающего излучения на один элемент ПЗС-линейки (пиксель), создающая на выходе АЦП сигнал за 1 с, равный по величине шуму. В качестве источника излучения использовались ленточные лампы накаливания, у которых были известны температуры вольфрамовой ленты при заданном токе.

Для ПЗС линейки Toshiba измерения проводились при б известных температурах лампы. Среднее значение погрешности измерений составило 5%. Спектральная чувствительность аппаратуры с линейкой Toshiba приведена на рис. 1:

Toshiba

400 450 500 550 Б00 650

Рис. 1. Спектральная чувствительность аппаратуры с линейкой Toshiba

Важной характеристикой спектрального прибора является величина, вызывающая увеличение сигнала на выходе АЦП на величину шума (порог чувствительности). В используемом комплекте аппаратуры шум определялся одним битом АЦП. При X = 550 им (максимальное значение чувствительности K(A.max)) NEP, приходящаяся на один пиксель вызывающая увеличение сигнала на выходе АЦП на 1, составляет 2-Ю"13 [Вт] в случае, если время накопления 1с. При изменении частоты опроса линейки NEP прямо пропорциональна частоте, так как при изменении экспозиции шум остается равным 1 биту АЦП. Эта величина - абсолютная чувствительность данного комплекта

монохроматор — линейка.

Ввиду высокой чувствительности линейки Sony для измерения спектральной чувствительности системы применялась иная методика, исключающая влияние вторых и более высоких порядков. Измерения проводились с использованием светофильтров. Среднее значение погрешности измерений 5СП составляет 2.8%. На рис. 2 приведен график спектральной чувствительность аппаратуры с линейкой Sony.

Шум определялся одним битом АЦП. При Л. = 610 нм (максимальное значение чувствительности) NEP, приходящаяся на один пиксель вызывающая увеличение сигнала на выходе АЦП на 1, составляет 2-Ю15 [Вт] в случае, если время накопления 1с. При изменении частоты опроса линейки NEP прямо пропорциональна частоте, так как при изменении экспозиции шум остается равным 1 биту АЦП. Эта величина WNш> = 2-Ю"'5 [Дж]- абсолютная чувствительность данного комплекта монохроматор - линейка.

Юстировка приборов.

Юстировка монохроматоров МДР-23 и МДР-12 заключалась в выставлении угла наклона решетки ДР, нахождению и установке конденсора на оптическую ось. Для юстировки использовался конденсор с согласованной с монохроматором светосилой (1:36). Источником света служила ртутная лампа.

Каждый реальный спектральный прибор можно охарактеризовать аппаратной функцией, которая есть распределение энергии в изображении монохроматической спектральной линии в фокальной плоскости камерного объектива. В монохроматорах аппаратную функцию можно аппроксимировать кривой Гаусса только при узких щелях, что имеет место в данных измерениях.

Аппаратная функция определяет разрешающую способность и реально она зависит от степени аппаратурных искажений, ширины щели. Для увеличения разрешающей способности надо уменьшать ширину аппаратной функции, например, уменьшая аберрации сферических зеркал. Использовались два способа: уменьшение диаметра внешнего фокусирующего зеркала и установка диафрагмы на дифракционную решетку.

2.3. Влияние акустических воздействий на вид спектров.

При проведении испьпаний на стендах КБХА было замечено, что ширина линий ртутной лампы, измеренная до запуска двигателя меньше, чем ширина линий Бе, Мп и других элементов, измеренная во время пусков. Увеличение ширины линий во время пуска связано с акустическим воздействием двигателя. на оптику и линейку. В результате воздействия даже при точной фокусировке спектра на линейку изображение перемещалось на несколько пикселей с частотой, превышающей опрос линейки. Этот эффект приводил к уширению линий (увеличению ширины аппаратной функции прибора). Влияние акустических воздействий подтверждается на кадрах, когда излучение от двигателя есть, а звуковая волна либо не дошла, либо ослабла. При выключении двигателя часто линии излучения фиксировались через с после выключения двигателя, что позволяло получить спектр с высоким разрешением. Во время измерений испытания 22 марта 2001 года двигателя РН «Протон» был зафиксирован спектр с высоким разрешением, на котором четко видны линии Бе и Мп. Ширина линий составляет 0.15 нм.

2.4. Обработка спектров

Выходной сигнал с каждого элемента линейки складывается из двух величин: реакция на световой поток и темновой сигнал. Световой поток-это та величина, которую необходимо измерять. Темновой сигнал - медленно меняющийся во времени сигнал, зависящий, в основном, от температуры линейки. Спектр, измеренный при закрытой входной щели, исключатся из измеренного спектра.

Увеличение отношения сигнал/шум.

АЦП преобразует входное напряжение диапазона 0...5 В в число диапазона 0...255. У АЦП зависимость числа на выходе и напряжения на входе линейная. АЦП, как и любое электронное устройство, имеет белый шум. Для используемого АЦП при постоянном напряжении на входе значение младшего бита не определено. Использовались два способа минимизировать влияние шума на измеренный спектр:

1) В случае, когда каждый пиксель линейки засвечивается постоянно в некотором интервале времени, имеет смысл усреднить некоторое количество последовательных спектров.

2) В случае, когда спектр меняется во времени и ширина аппаратной функции прибора больше размера пикселя, эффективным оказывается применение свертки с какой-либо сглаживающей функцией. Свертка использовалась в программе DIEM, разработанной под руководством А. С. Романовского НУК МВТУ им. Баумана.

Учет виньетирования.

В монохроматоре из-за виньетирования освещённость пикселей зависит от их положения на линейке. При проведении измерений не удалось ликвидировать факторы ослабления спектра на краях линейки, но вычислительными средствами учитывалось влияние суммарного ослабления излучения для каждого пикселя.

Получение временныхзависимостей.

Для анализа измерений часто бывает необходимо знать, как меняется во времени интенсивность каждой линии и излучение в широком спектральном диапазоне (фоновое излучение).

Для получения информации об излучении в широком спектральном диапазоне задается интервал пикселей (однозначно определяется интервал длин волн), суммируется сигнал на входящих в заданный интервал пикселях, который делится на количество пикселей. Полученное значение ставится в соответствие номеру измеренного спектра (времени измерения спектра).

Для построения временной зависимости излучения в линии задается номер пикселя, соответствующий центру линии и номера пикселей слева и справа от линии, соответствующие фоновому излучению. 2.5. Определение погрешности измерения.

Погрешность измерения складывается из двух основных величин: погрешность определения сигнала на выходе АЦП и погрешность определения спектральной чувствительности

Погрешность определения спектральной чувствительности 5СП для ПЗС-линейки Toshiba составляет 5%, а для Sony — 2.8% (п. 2.2.).

Погрешность определения сигнала на выходе АЦП определяется исходя из значения уровня шумов Jm и уровня сигнала

У АЦП не определено значение младшего бита при любой частоте опроса. прямо пропорционален КЕР и частоте опроса линейки V (п. 2.2.) и зависит от пропускания оптической системы 5, из-за виньетирования.

В таблице 1 приведены расчеты погрешности в % для некоторых значений отношения сигнал/шум для двух линеек:

Таблица 1

сигнал/шум 5 50 100

Toshiba 20.6 % 5.4 % 5.1 %

Sony 20.2 % 3.4% 3.0%

Из таблицы видно, что при малых уровнях сигнала погрешность, в основном, зависит от отношения сигнал/шум, а при больших уровнях сигнала зависит от погрешности определения спектральной чувствительности. Выводы к разделу 2.

• определена конфигурация аппаратного комплекса монохроматор - ПЗС линейка;

• разработана методика калибровки используемых комплектов аппаратуры;

• определена абсолютная спектральная чувствительность используемой аппаратуры;

• определено спектральное разрешение аппаратуры;

• измерена аппаратная функция приборов;

• разработаны программные средства обработки результатов измерений с помощью учета темнового сигнала ПЗС линейки, усреднения спектров, применения гауссового размытия, построение динамики излучения в широком спектральном диапазоне и в линии;

• проведена оценка погрешности измерительных комплексов;

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследований.

3.1. Эксперименты на кислород- водородной установке (КВУ).

Целью серии измерений на КВУ Центра Келдыша было:

- проверка работоспособности аппаратуры в условиях стендовых измерений;

- получение спектров излучения различных химических элементов в струе двигателя;

- проверка определения наиболее информативного спектрального диапазона для измерений на натурных ЖРД;

- определение порога разрешающей способности;

Аппаратура наводилась на срез сопла. Длительность испытаний модельного двигателя составляла »3 с, подача растворов солей, моделирующих аварийную ситуацию, в камеру сгорания (КС) происходила через 1.5 с после запуска двигателя.

Получены спектры излучения атомов спектры №, Мп, Сг, Си, N1, Бе. Натрий содержался в спирте, куда он попал с водой.

Результаты измерений на стенде КВУ показали:

- аппаратура пригодна к стендовым измерениям;

- получены экспериментальные спектры химических элементов используемых в конструкциях ЖРД;

- выбран наиболее информативный спектральный диапазон (350 ... 405 нм);

- определена разрешающая способность 0.26 нм (при ширине щели 0.2 мм и обратной линейной дисперсии 1.3 нм/мм)

3.2. Эксперименты на стендах КБХА

Опробованная на стенде КВУ аппаратура использовалась при проведении испытаний, проводимых для установления причин аварий РН «Протон» в 1999 году, КВИ и СПИ штатных двигателей РН «Протон» 8Д411(412) второй и 8Д49 третьей ступени, двигателя для РН «Ангара» и разрабатываемого кислородно-водородного двигателя на огневых стендах конструкторского бюро химической автоматики (КБХА). С января 2000 года по настоящее время соискателем проведены измерения при 29 испытаниях.

6 испытаний были проведены в рамках плана работ по выяснению причин двух аварий РН «Протон» в 1999 году. В качестве одной из причин аварий рассматривалась гипотеза возгорания соплового аппарата ТНА из-за попадания посторонних частиц металлов или других материалов.

палее приводится описание наиболее интересныхизмерений

Испытание двигателя второй ступени РН «Протон» 10 января 2000 года. Цель - проверка работоспособности двигателя при 50 секундном пуске. Аппаратура была сфокусирована на горячую область факела ниже диска Маха. Во время работы ЖРД все параметры оставались постоянными.

Зарегистрированы группы линий, принадлежащих железу. В течение всего пуска яркость излучения в линиях железа оставалась постоянной, за исключением одного кадра в момент включения и одного кадра после выключения двигателя (рис. 3). Во время запуска двигателя в факел попадают

частицы (опилки), которые обычно остаются в трактах и полостях двигателя по технологическим причинам. После выключения двигателя из сопла некоторое время продолжает выходить горячий газ, находящийся в газогенераторе, турбине и других полостях. Причина регистрации постоянного количества железа на протяжении всего пуска - наличие железа, растворенного в компонентах топлива. Химический анализ, проведенный химической лабораторией КБХА, показал, что железо содержалось в горючем в количестве 2.4-10"7 массы горючего.

Испытание двигателя 8Д49 III ступени РН "Протон" 4 февраля 2000

года. Цель - проверка работоспособности двигателя при вводе порошка сплава АМрб по линиям горючего и окислителя. Частицы вводились дозами по 700 мг перед фильтрами с размерами ячеек 0.3 мм, поэтому в зону горения проходило » 80 % от общего количества вводимого порошка.

Спектр излучения, полученный в начальный момент времени при запуске этого двигателя, отличается от спектров, полученных в других испытаниях. Яркость фонового излучения и излучения в линиях в несколько раз превышает соответствующие величины, полученные при других запусках двигателей, например, в испытании 10 января 2000. Наряду с сильными линиями Бе появилось много дополнительных спектральных линий Бе (рис. 4).

При запуске двигателя из-за заброса температуры в газогенераторе произошло возгорание соплового аппарата. Повышенное излучение в линиях железа наблюдалось в течении 17 с, постепенно убывая до нормы. Фоновое (сплошное) излучение пришло в норму в течение нескольких секунд. Сплошное

излучение вызвано наличием частиц в струе. Вероятнее всего это твердые или жидкие частицы от соплового аппарата, образовавшиеся из-за активного горения в первые секунды после запуска двигателя. Начиная со второй секунды, когда фоновое излучение пришло в норму, основная часть железа находилась в струе в атомарном состоянии.

Испытание двигателя 8Д49 Ш ступени РН "Протон" 11 февраля 2000. Цель - проверка работоспособности двигателя при вводе в магистраль горючего и окислителя доз порошков по 700 мг из АМрб и стали Х18Н10Т по 2500 мг.

При Т = 5.3с появляются линии А1 и Мп вследствие ввода двух доз АМГ6 на Т = 5с. При Т = 75.31с появляются дополнительные линии Fe, Mn обусловленные вводом 2.5г порошка стали в момент Т = 75с.

Интенсивное свечение линий Fe и Мп регистрируется в течение 1с. Таким образом, расход стали в среднем соответствует 2.5 г/с, что соответствует среднему расходу Fe 1.75 г/с . Интересно отметить, что при увеличении содержания атомов железа в струе двигателя примерно в 100 раз по сравнению со случаем, когда железо попадало в факел только в растворенном в горючем виде, яркость излучения в области спектра 386 нм изменилась примерно в 8.5 раз (рис. 5). Так как излучение зависит от концентрации нелинейно, то слой не оптически тонкий и для расчетов надо учитывать самопоглощение в линиях, что и было проделано в разделе 4.

3.3. Дефектацип двигателей РН «Протон»

После испытаний двигатели подвергаются дефектации - разборке для осмотра износа узлов и агрегатов двигателя. Интересно сравнить результаты измерений спектров и дефектации. По результатам разборки двигателя, работавшего 4 февраля 2000 года, было обнаружено, что сопловой аппарат сильно обгорел.

В критическом сечении сопла происходит унос, хоть и незначительный, меди со стенок. Наиболее интенсивно процесс уноса наблюдается напротив форсунок. Камера сгорания и сопло состоят из двух слоев, между которыми по каналам течет горючее из баков. При продолжительном уносе меди из критического сечения вскрываются каналы с топливом (образуются пролизы), и оно начинает поступать непосредственно в область критического сечения сопла.

При этом в струе появляется циан, что фиксируется спектральной аппаратурой (рис. 6).

150--

140 130 120 110

380 382 384 386 388 . 390 392

Рис. б. Спектральная полоса циана

Выводы к разделу 3.

• Аппаратура пригодна для тестовых и натурных спектрометрических измерений;

• Во всех измерениях двигателей РН «Протон» регистрируется железо, растворенное в топливе;

• Метод позволил зарегистрировать все вбросы навесок Л1, Fe и ткани и показал, что нет влияния вбросов в тракты и магистрали двигателя навесок АМг6 в количестве от 0.7 до 9.5 г, стали в количестве 2.5 г и лоскутов асбестовой ткани на целостность и работоспособность двигателя;

• Определена динамика появления пролизов раньше, чем это регистрируется датчиками расхода;

• Сопоставление интенсивностей излучения в линиях железа при работе двигателя в обычном режиме и при вбросе стали показало, что слой оптически не тонкий. Поэтому для количественной оценки необходимо учитывать самопоглощение;

• Обнаружены ранее не известные временные зависимости свечения: во время запуска двигателя регистрируются линии железа и, иногда, марганца более интенсивные, чем во время штатной работы двигателя из-за технологических причин. После остановки двигателя спектральные линии продолжают регистрироваться еще в течение нескольких секунд. Это связано с тем, что из сопла выходят горячие газы, оставшиеся в полостях турбины и газогенератора.

• Изменения усредненного в некотором спектральном диапазоне излучения во времени хорошо объясняется изменением расхода горючего;

• Измерения позволили оперативно сделать заключение о несрабатывании устройства подачи порошка стали в тракт двигателя в одном из пусков;

В четвертом разделе описывается разработанная расчетная модель излучения в спектральных линиях и с ее использованием проведен анализ экспериментальных данных.

Расчетная модель излучения линий в факеле ЖРД строится на основании следующих предположений:

• Течение за диском Маха - химически равновесное;

• Конфигурация затопленной перерасширенной струи определяется течением идеального газа;

• Учитывается слой смешения, возникающий вдоль линии тангенциального разрыва за диском Маха;

• Учитывается перенос излучения в линиях в неизотермическом, неоднородном слое газа;

• Учитывается комбинированный (фойгтовский) механизм уширения линий;

4.1. Расчет излучения неизотермической струи с переменной концентрацией атомов вдоль луча наблюдения.

Уравнение переноса для монохроматического излучения вдоль луча / имеет вид (4):

Л

л _

(4)

Здесь «Д, - интенсивность излучения, Д - функция источника, X - длина волны, Кх - коэффициент поглощения.

Решение уравнения переноса излучения в виде квадратур имеет вид (5):

Л = /ВД ехрГ- кХ'Ъ?'

I V )

(5)

Где ^ -излучение при конкретной длине волны, So, S - крайние точки газа, вдоль которых ведется наблюдение.

Для численного решения интеграла (5) производилось разбиение излучающей толщи вдоль линии наблюдения на интервалы таким образом, чтобы в пределах каждого интервала концентрация атомов менялась не более чем на 10%, а температура не более чем на 5% (эти параметры для каждого расчета возможно изменять). Каждый такой слой считается изотермичным с постоянной концентрацией атомов и постоянным давлением. Следовательно, в пределах интервала разбиения величина К остается постоянной. Это позволяет записать излучение /-го интервала в виде:

(6)

Для расчёта монохроматического излучения всей толщи суммируется излучение от каждого слоя, умноженное на поглощение последующими слоями:

н

(7)

где S, - длина ь того интервала, п- число интервалов, К,-значение К на ьом интервале разбиения для рассчитываемой длины волны

Разбиения по длинам волн необходимо сделать такое, чтобы рассчитывать К в центре линии с шагом не более 1/10 ширины линии. Для ускорения расчета точки по оси длин волн ставятся неравномерно: расстояние от центра линии для каждой последующей точки равно /МО"6 [нм], где / — номер точки от центра линии.

Для каждого изотермического рассчитывается по формуле:

слоя и каждой длины волны К

(8)

где суммирование ведется по всем линиям, - интегральная интенсивность в линии,/- функция формы контура линии.

Так как интенсивность в линии в крыльях спадает очень быстро, то для > 1 нм значение функции контура линии можно брать равным нулю. Это проверено численным расчетом. Результат сравнения спектров рассчитанных для случая струи с концентрацией атомов соответствующей вбросу стали с _учетом бесконечных крыльев и с ограничением по расчету крыльев | Я^-Х., | > 1 нм приведен на рис. 7, где по оси абсцисс отложена длина волны, а по оси ординат погрешность при расчете крыльев линий, не превышающих 1 нм.

В областях спектра, где присутствуют сильные линии, погрешность минимальна, так как вклад крыльев далеких линий незначителен. В тех областях, где сильные линии отсутствуют, и, излучение формируется в основном за счет крыльев линий, погрешность за счет пренебрежения далекими линиями наибольшая. В таких областях (394 — 396 нм, 398 — 400 нм) абсолютное значение излучение намного меньше, чем в области с сильными линиями. Здесь максимальной погрешностью 7% можно пренебречь, что дает увеличение скорости расчетов в 75 раз.

При исследовании излучения газовых объемов необходимо учитывать как лоренцевский, так и доплеровский механизмам уширения. Достаточно хорошим

приближением к контуру спектральных линий в этих условиях является профиль Фойгта. В расчетах используется именно он.

4.2. Определение температуры, давления и распределения по радиусу концентрации частиц в струе.

Для расчета излучения струи ЖРД надо предварительно определить температуру, давление и концентрацию частиц в области, непосредственно примыкающей к диску Маха. Для определения температуры и давления автором диссертации использовались таблицы [17].

Таблицы [17] не позволяют рассчитать слой смешения. Для расчета термодинамических параметров в зоне за диском Маха и в зоне смешения использовалась теория, разработанная А. В. Ивановым. По этой теории была рассчитана форма профиля скоростей газа и длина зоны смешения.

Концентрация атомов железа в свободном состоянии в факеле двигателя при различных давлениях и температурах рассчитывалась Н. Н. Ушаковым по программе термодинамического расчета, разработанной в Казанском авиационном институте.

43. Сопоставление экспериментальных данных с расчетной моделью.

Проведено сравнение расчетной модели и экспериментов по абсолютному значению мощности излучения.

11 февраля 2000 года перед проведением испытаний на заводе КБХА химической лабораторией был проведен анализ содержания растворенного железа в горючем. Массовая концентрация составила 2.4-10"7. В факеле двигателя это соответствует 2-1017 атомов в м3 в свободном и связанном, состояниях. По методике расчета, используемой в математической модели, рассчитанные значения яркости имеют размерность [Вт/ (м2 нм ср)].

На рисунках представлены спектры, где по оси ординат отложена мощность, приходящая на пиксели [Вт • 10"13]. На рисунке 8 приведено сопоставление спектров от 11 февраля 2000 года и расчетного с концентрацией атомов 2-Ю17 [м"3], что соответствует растворенному железу в топливе.

90

во 70 60 50 40 30 20 10 о -10

380 382 384 386 388 390 392 394 396 398 400 402

Рис. 8. Сопоставление спектров от II февраля 2000 года и расчетного с концентрацией атомов 2 'Ю" м"'

6 Августа 2003 г были проведены измерения другим комплектом аппаратуры. Массовая концентрация железа в топливе составляла 8.4-10 \

На рисунке 9 представлены результаты измерения и расчета для данного

случая.

Из приведенных расчетов и сопоставлений видно, что измеренные значения соответствуют расчетным. Совпадение удовлетворительное. Расхождение в области спектра 394 - 400 нм на рис. 9 связано с неточностью обработки спектра из-за низкого уровня сигнала. Также на основании сопоставления спектров можно сделать вывод, что спектры, наблюдаемые во время штатной работы двигателей содержат линии железа, растворенного в горючем.

На основании проведенных экспериментов и сопоставлений их с расчетами можно сделать вывод, что расчетная модель позволяет определить нижнюю границу концентрации частиц. Это связано с тем, что регистрируются только атомы в свободном состоянии.

4.4. Определение массового расхода конструкции по спектру факела.

4 Февраля 2000 года во время запуска двигателя произошло возгорание соплового аппарата. Подробно это испытание было описано ранее. Ниже производится оценка количественного расхода материала соплового аппарата (жаропрочная сталь 10Х11Н23ТЗМР) на основании расчетной модели.

На рис. 10 показана зависимость ординаты в единицах АЦП соответствующей длине волны 386 нм от номера измеренного кадра. Горение или интенсивный унос конструкции продолжался около 17 секунд, что соответствует 51 зарегистрированному спектру. Из рисунка видно, что в начиная с кадра 195 излучение убывает до кадра 260

Для того чтобы не проводить расчеты для каждого измеренного спектра, вбирались кадры, чтобы наиболее точно линейной интерполяцией приблизить экспериментальную функцию.

Температура, определяемая расчетом (см. 4.2), получается с некоторой погрешностью. Концентрация атомов железа, присутствующих в топливе,

Рис. 10. Динамика изменения излучения в линии железа

определяется точно. Оказывается возможным подобрать температуру так (считая профиль известным), чтобы расчетный спектр максимально соответствовал экспериментальному при номинальном режиме работы. Полученное таким образом уточненное значение температуры позволяет исключить погрешность из-за неточного задания температуры. Подбор температуры показал наилучшее соответствие при 3090 К. Предполагается, что температура исследуемой области факела не меняется во времени.

Для измеренных спектров подбирается концентрация такой, чтобы расчетная модель давала спектр, наиболее близкий по абсолютным значениям к экспериментальному при температуре 3090 К. Выбранная концентрация пересчитывается в абсолютное значение [г] и ставится в соответствие времени регистрации спектра. Рассчитав достаточное количество точек, можно определить общий расход железа в виде атомов во время горения соплового аппарата. В табл. 2 приведены значения концентраций атомов в факеле, секундные массовые расходы железа и стали для выбранных кадров, полученные сопоставлением спектров. Таблица 2

№ кадра Концентрация атомов в факеле Расход железа, г/с Расход стали, г/с

195 б-Ю" 5.1 10.2

198 2.5-1019 2.13 4.26

201 1.5-1019 1.23 2.46

204 8-Ю18 0.68 1.36

207 5-Ю18 0.41 0.82

210 4-1018 0.34 0.68

220 1.5-1018 0.123 0.246

Интегрирование полученных величин расхода по времени дает абсолютное значение массы стали М = 22.4 г. В интервал времени с 191 по 195 кадр произошла временная неисправность аппаратуры. Судя по рис. 10 унос материала конструкции по времени не возрастает с момента возгорания (функция монотонная). Для определения нижней границы суммарного уноса в интервал времени с 191 по 195 кадр можно считать, что расход не меньше, чем на кадре 195. Таким образом, в интервал времени с 191 по 195 кдар (1.3 с) в факеле унеслось 13.26 г. Итого - нижняя граница массового расхода (только в виде атомов без учета соединений, твердых и жидких частиц) конструкции во время горения соплового аппарата без учета погрешности составляет 35.6 г.

4.5. Влияние неточности в задании начальных значений на погрешность определения концентрации.

Математическая модель позволяет на основании начальных данных и параметров оптической системы рассчитать спектр излучения факела, каким его можно было бы наблюдать с помощью аппаратуры, используемой на стенде КБХА. В качестве начальных данных задаются: формы профилей температуры и концентрации частиц, максимальная температура и концентрация атомов в свободном и связанном состоянии, профиль давления. Параметрический анализ проведен с концентрацией атомов в струе. Для определения погрешности в определении концентрации атомов в струе при данной оптической толщине необходимо учитывать погрешность измерения мощности и влияние оптической толщины. Относительная погрешность определения концентрации атомов 5к при конкретной оптической толщине определяется по формуле:

(9)

5цг- относительная погрешность определения мощности, — отношение излучения в спектре при концентрации, отличающейся в 2 раза.

Расчеты проводились для двух случаев: концентрация атомов порядка 2-10" и концентрацией порядка Ы019при температуре 3200 К в обоих случаях.

На основании проведенного параметрического анализа модели с постоянной температурой можно оценить погрешность измерения массового расчета. Для данного расчета погрешность составляет 15%. Несмотря на увеличение оптической толщины, относительная погрешность уменьшилась из-за высокого уровня сигнала, наблюдаемого в факеле при данных концентрациях.

В случае излучения струи, как черного тела (непрозрачная струя для любой длины волны) измеряя яркость струи определить концентрацию атомов -невозможно.

Расчет погрешности для случая горения соплового аппарата (п. 4.4.) дал максимальную погрешность 16%. Переходя к массе, получаем окончательный результат 35.6 ± 2.8 г.

Выводы к разделу 4.

• разработана расчетная модель излучения факела ЖРД;

• проведено сопоставление расчетов с измерениями контролируемых концентраций атомов в факеле;

• показана адекватность расчетной модели;

• проведена количественная оценка уноса конструкции во время горения соплового аппарата РД 8Д49 №1202956132 4 февраля 2000 г;

Заключение

В работе решена задача определения нижней границы скорости уноса конструкций РД по спектру факела ЖРД. Выводы к диссертационной работе:

• Проведена апробация аппаратных средств на стенде Центра Келдыша и на стендах КБХА. С помощью данной аппаратуры в 2000 году была проведена работа по установлению причин аварии РН «Протон» в 1999 году. Было показано, что нет влияния вбросов в тракты и магистрали двигателя навесок АМгб в количестве от 0.7 до 9.5 г, стали в количестве 2.5 г и лоскутов асбестовой ткани на целостность и работоспособность двигателя. Данный комплект аппаратуры может применяться для любых высокотемпературных струй.

• Разработаны программные средства обработки измеренных спектров. Применение данных программных средств для измерений факелов ЖРД позволило увеличить отношение сигнал/шум аппаратно-программного комплекса. Разработанное программное обеспечение позволило установить существование зависимости между яркостью факела и массовым расходом горючего.

• Создана расчетная модель излучения в спектральных линиях металлов в струях ЖРД применительно к анализу экспериментальных данных. Адекватность модели проверена сравнением расчетов и измерения струй с известными концентрациями атомов в них. С помощью данной модели проводилось исследования наличия или отсутствия интересующих атомов конструкционных материалов в факеле во время измерения спектров струи натурных ЖРД.

• Разработана методика сопоставления расчетной модели и измерения и определения динамики уноса материалов конструкций двигателя во время его работы. Разработанная методика позволяет установить нижний предел уноса. По этой методике при огневых испытаниях двигателя РД 8Д49 №1202956132 4 февраля 2000 г во время горения соплового аппарата была установлена нижняя граница уноса конструкции в количестве 35.6±2.8 г.

Списоклитературы

1.F.S. Zavelevich, Yu.M. Golovin, Yu.P. Matsitsky, K.B. Moshkin, A.S. Romanovsky. Engine Health Monitoring with Exhaust Plume Emission Spectroscopy. Fourth International Symposium on Liquid Space Propulsion: Scientific Progress in the Service of Space Access at the Beginning of the Third Millenium. DLR-Lampoldshausen, Germany, March 13-15,2000.

2. Головин Ю. М., Завелевич Ф. С, Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., Горохов Ю. Д., Круголь В. С, Кучин А. П. «Спектрофотометрический метод диагностики жидкостных ракетных двигателей.» «Научно-технический юбилейный сборник» ФГУП «КБХА», Воронеж, 2001

3. Завелевич Ф. С, Головин Ю. М., Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., «Спектрофотометрический метод количественной оценки уноса материалов ЖРД.» 19 всероссийская научно-техническая конференция «Высокоскоростная фотография и фотоника». Москва, 2001

4. Головин Ю. М., Завелевич Ф. С, Кучин А. П., Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., Романовский А. С. «Спектрофотометрический метод диагностики жидкостных ракетных двигателей». Инженерно-физический журнал. Белоруссия, 2002.

5. "Экспериментально-теоретическое обоснование перспективных методов аварийной защиты и диагностики технического состояния двигателей и двигательных установок". НТО по НИР "Защита-А", РКК "Энергия", 1994г.

6. Завелевич Ф. С, Головин Ю. М., Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., и др. Научно-технический отчет по теме НИР «САЖ-ЖРД» «Исследование в обеспечение разработки перспективных методов и систем диагностики и аварийной защиты ЖРД», инв. № 3079, Центр Келдыша, 1999.

7. "Проведение стендовых измерений параметров магнитных полей ЖРД, разработка методов контроля ЖРД на основе измерения параметров поверхностных магнитных полей". Итоговый НТО по НИР "Зонд-ЖРД", НПА "ТЕХНОПРИБОР-РКТ", 1998 г.

8. "Исследование возможности контроля негерметичности турбоприводов, емкостей и клапанов методом АЭ". НТО, РКК "Энергия". 1994 г.

9. G.D.Tejwani et. al. "Space Shuttle main engine health monitoring with exhaust plume emission spectroscopy". J. Spac. Rock. № 3,1998 r.

10.Итоговый научно-технический отчет №851-5453/98-6-4448-11/2000 «Испытания в условиях испытательных огневых стендов РКК «Энергия» им. С. П. Королева, конструкции прибора для бесконтактной диагностики состояния ракетных двигателей в режиме реального времени путем регистрации и анализа спектра свечения факела кислород-керосинового ракетного двигателя (11Д58М), работающего в штатном режиме. Проведение предварительной энергетической калибровки макетного образца прибора для конкретного типа двигателя» .

П.Алехин А. А., Баранов В. А., Любченко Ф. Н. «Исследование спектральных характеристик двигателя 11Д38М» Сборник научных трудов. Теоретические и экспериментальные вопросы общей физики. ЦНИИМАШ 2003. Стр. 3-18.

12.Головин Ю. М., Завелевич Ф. С, Мацицкий Ю. П., и др. Научно-технический отчет по теме НИР «ДИЭМ - 2» «Исследование и разработка метода и макетного образца системы измерений спектров излучения факела для оперативного контроля состояния ЖРД с целью предотвращения аварийных ситуаций при стендовых испытаниях» инв. №3014 Центр Келдыша, 1999.

13.Головин Ю. М., Завелевич Ф. С, Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., и др. Научно-технический отчет по теме НИР «САЗ-ЖРД» «Исследование и разработка перспективных методов и систем контроля, диагностики и аварийной защиты ЖРД» инв. № 3324, Центр Келдыша, 2000.

Н.Головин Ю. М, Завелевич Ф. С, Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., и др. Научно-технический отчет «Определение следов конструкционных материалов в факеле двигателей 8Д411К (8Д412К), 8Д49 и РД0124А по спектрам излучения», инв. №3206, Центр Келдыша, 2000.

15.Головин Ю. М., Завелевич Ф. С, Мацицкий 10. П., Мошкин К. Б., и др. Научно-технический отчет «Определение следов конструкционных материалов в факеле двигателей 8Д411К (8Д412К), 15Д96 и 15Д113 по спектрам излучения», инв. №3363, Центр Келдыша, 2000.

16.Головин Ю. М., Завелевич Ф. С, Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., и др. Научно-технический отчет по теме НИР «ДИЗА» «Диагностика и аварийная защита ЖРДУ: требования к алгоритмам идентификации для математической модели ЖРД; анализ причин возгораний турбонасосных агрегатов ЖРД; разработка аппаратуры для измерения обзорных спектров факела ЖРД». инв. №3395, Центр Келдыша, 2001.

П.Аверенкова Г. И. и др. «Сверхзвуковые струи идеального газа» ч. 2 «Истечение струй в затопленное пространство» МГУ 1971.

Формат 60x90/16. Бумага типографская № 1. Набор па компьютере. Шрифт Times New Roman Уч.- изд. л. 1,1. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 70 экз. Заказ 13 Отпечатано в типографии Центра Келдыша 125438, Москва, Онежская, 8.

i- 5683

Введение.

1. Обзор методов диагностики ЖРД.

1.1. Контактные методы.

1.2. Бесконтактные методы.

2. Измерительная аппаратура.

2.1. Состав аппаратуры.

2.2. Калибровка и юстировка приборов для проведения испытаний.

2.3. Влияние акустических воздействий на вид спектров.

2.4. Обработка спектров.

2.5. Определение погрешности измерения.

Выводы к разделу 2.

3. Результаты экспериментальных исследований.

3.1. Эксперименты на кислород - водородной установке.

3.2. Эксперименты на стендах КБХА.

3.3. Дефектация двигателей РН «Протон».

3.4. Сопоставление измеренных спектров с режимами работы двигателя.

Выводы к разделу 3.

4. Расчетная модель излучения в спектральных линиях и ее применение к анализу экспериментальных данных.

4.1. Расчет излучения неизотермической струи с переменной концентрацией атомов вдоль луча наблюдения.

4.2. Определение температуры, давления и распределения по радиусу концентрации частиц в струе.

4.3. Сопоставление экспериментальных данных с расчетной моделью.

4.4. Определение массового расхода конструкции по спектру факела.

4.5. Влияние неточности в задании.начальных значений на погрешность определения концентрации.

Выводы к разделу 4.

Актуальность работы.

Для обеспечения безопасного вывода грузов и экипажей на околоземную орбиту и решения других задач, связанных с применением ракетной техники, ракетные двигатели (РД) должны обладать максимальной отказоустойчивостью в работе. При проведении наземных испытаний двигателей системы стенда и двигателя должны предотвращать аварийные ситуации. Диагностика РД является важной задачей в обеспечении безопасности полетов и испытаний и подразумевает целый комплекс мероприятий, как на этапе конструкторской проработки изделий, так и на этапах стендовых и летных испытаний. Применяя методы диагностики в задаче аварийной защиты двигателей возможно выявление и предупреждение различных неисправностей в узлах и агрегатах двигателей, которые могут привести к нарушению работоспособности или полному отказу двигателя.

Необходимость раннего обнаружения неисправности в двигателе обуславливается тем, что своевременное предупреждение развития аварийных ситуаций позволяет сохранить не только сам двигатель, но и предотвратить разрушения стендовых сооружений, пусковых установок или носителя в целом.

Системы аварийной защиты и диагностики появились задолго до начала пилотируемых полетов. С началом конструирования, производства и использования носителей тяжелого класса, таких как 8К71 и "Атлас" системы диагностики начали использоваться на всех двигателях. В системах аварийной защиты двигателей МТКС "Спейс-Шаттл" и МКС "Энергия-Буран" предусмотрены системы, отключающие аварийные двигатели или изменяющие режимы их работы до начала разрушения.

В настоящее время накоплен большой статистический материал по системам диагностики двигателя [1; 2; 3]. Особое внимание при создании этих систем было обращено на перечень контролируемых параметров двигателя и времена срабатывания системы аварийной защиты.

К наиболее часто используемым параметрам при создании систем диагностики и аварийной защиты следует отнести следующие:

- давление в камере сгорания (КС),

- пульсации давления в КС,

- обороты ротора турбонасосного агрегата (ТНА),

- температура газа после (до) турбины,

- давление за насосом окислителя и горючего,

- давление газа за турбиной ТНА,

- перемещение осевого вала ТНА,

- параметры электро-гидро пневматики.

Количество контролируемых параметров у различных двигателей различно. Обычно для системы аварийной защиты используются от 3х до 5й параметров. В некоторых двигателях, которые применяются для больших носителей или для пилотируемых аппаратов, число диагностируемых параметров может быть увеличено до 7, как для SSME, или даже до 9 - для РД 11Д122. Для создания более надежных систем защиты некоторые разработчики в список контролируемых параметров включают измерения пульсации давления в газогенераторе, температуру поверхности сопла, давление и обороты в бустерных насосах по линии окислителя и т.д.

Большинство параметров системы защиты двигателей диагностируются с помощью измерения основных параметров работы двигателя датчиками, установленными непосредственно в двигателе, что достигается путем внесения доработок в конструкцию двигателя и может усложнять проведение испытаний. Время срабатывания датчиков определяется инерционностью системы. Оптический метод диагностики позволяет получать информацию о состоянии двигателя, проводя дистанционное измерение излучения факела двигателя. Метод диагностики ЖРД по спектру излучения факела имеет очевидное преимущество перед традиционными:

• этот метод не требует никаких доработок двигательной установки;

• ввиду малой инерционности он позволяет получать информацию в реальном масштабе времени и, в случае необходимости, выдавать сигнал предупреждения;

• этот метод позволяет судить по спектральным линиям излучения металлов об эрозии деталей и узлов ЖРД, которая не может быть определена другими методами.

Требования к времени срабатывания системы защиты определяется скоростью развития аварийной ситуации, что в свою очередь определяет время диагностики параметра.

Ограничения, накладываемые на времена срабатывания средств аварийной защиты, требуют поиска новых мероприятий по предотвращению возникновения аварийных ситуаций в ракетных двигателях. Одним из наиболее эффективных способов является поиск методов и средств ранней диагностики разрушения и износа узлов и агрегатов ракетных двигателей.

Применяя оптическую диагностику двигателя по спектру излучения факела можно определять концентрацию атомов тех или иных металлов, входящих в конструкционные материалы и, измеряя скорость уноса конструкции, определять в реальном времени ресурс двигателя и заблаговременно предотвращать аварийные ситуации.

Цель работы.

Адаптация аппаратуры для проведения натурных испытаний и создание расчетной модели для определения массового расхода конструкционных материалов двигателя по спектральным линиям металлов излучаемых факелом ЖРД.

Для достижения цели должны быть решены задачи:

• Разработка и адаптация аппаратных средств измерения спектров для проведения натурных испытаний;

• Разработка программных средств обработки результатов измерения;

• Создание расчетной модели излучения в спектральных линиях и методики сопоставления расчетной модели и измерений;

Научная новизна.

1. Впервые в России при огневых испытаниях натурных ЖРД на различных топливах тягой от 10 до 60 тн получены спектры излучения с частотой от 3 до 30 Гц с разрешением 0.2 нм в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, и получены данные о присутствии в факеле металлов.

2. На основе разработанной методики сопоставления экспериментальных и расчетных данных по излучению в спектральных линиях впервые получены количественные оценки нижней границы скорости уноса конструкционных материалов в процессе испытаний натурных ЖРД.

Практическая значимость.

Результаты работы используются при проведении отработочных испытаний, контрольно-выборочных (КВИ) и специальных проверочных испытаний (СПИ) ЖРД на стендах КБХА. По результатам спектрального анализа факелов двигателей 8Д49 и 8Д411 выявлено влияние вброса порошков конструкционных материалов в тракты двигателей на их работоспособность в рамках программы установления причин аварии РН «Протон» в 1999 году.

На защиту соискателем выносятся: адаптация аппаратуры для проведения стендовых испытаний; программные средства обработки результатов измерений;

- расчетная модель излучения атомов в факеле двигателя;

- методика определения количественного уноса материалов ракетного двигателя во времени.

Основные результаты были доложены на конференциях:

- Fourth International Symposium on Liquid Space Propulsion: Scientific Progress in the Service of Space Access at the Beginning of the Third Millennium, DLR-Lampoldshausen, Germany, March 13-15, 2000;

19 всероссийская научно-техническая конференции «Высокоскоростная фотография и фотоника». Москва, 2001;

- Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2003;

Вторая международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы», Москва 2003; и опубликованы в [4; 5; 6; 7].

Выводы к разделу 4.

• разработана расчетная модель излучения факела ЖРД;

• проведено сопоставление расчетов с измерениями контролируемых концентраций атомов в факеле;

• показана адекватность расчетной модели;

• проведена количественная оценка уноса конструкции во время горения соплового аппарата РД 8Д49 №1202956132 4 февраля 2000 г;

Заключение

В работе решена задача определения нижней границы скорости уноса конструкций РД спектру факела ЖРД.

• Проведена апробация аппаратных средств на стенде Центра Келдыша и на стендах КБХА. С помощью данной аппаратуры в 2000 году была проведена работа по установлению причин аварии РН «Протон» в 1999 году. Было показано, что нет влияния вбросов в тракты и магистрали двигателя навесок АМгб в количестве от 0.7 до 9.5 г, стали в количестве 2.5 г и лоскутов асбестовой ткани на целостность и работоспособность двигателя. Данный комплект аппаратуры может применяться для любых высокотемпературных струй.

• Разработаны программные средства обработки измеренных спектров. Применение данных программных средств для измерений факелов ЖРД позволило увеличить отношение сигнал/шум аппаратно-программного комплекса. Разработанное программное обеспечение позволило установить существование зависимости между яркостью факела и массовым расходом горючего.

• Создана расчетная модель излучения в спектральных линиях металлов в струях ЖРД применительно к анализу экспериментальных данных. Адекватность модели проверена сравнением расчетов и измерения струй с известными концентрациями атомов в них. С помощью данной модели проводилось исследования наличия или отсутствия интересующих атомов конструкционных материалов в факеле во время измерения спектров струи натурных ЖРД.

• Разработана методика сопоставления расчетной модели и измерения и определения динамики уноса материалов конструкций двигателя во время его работы. Разработанная методика позволяет установить нижний предел уноса. По этой методике при огневых испытаниях двигателя РД 8Д49 №1202956132 4 февраля 2000 г во время горения соплового аппарата была установлена нижняя граница уноса конструкции в количестве 35.6±2.8 г.

1. Новости космонавтики. Журнал АОЗТ "Компания Видеокосмос", 1991 1999 гг.

2. Спектрофотометрический метод диагностики жидкостных ракетных двигателей. Головин Ю. М., Завелевич Ф. С., Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б., Горохов Ю. Д., Круголь В. С., Кучин А. П. «Научно-технический юбилейный сборник» ФГУП «КБХА», Воронеж, 2001

3. Спектрофотометрический метод количественной оценки уноса материалов ЖРД. Завелевич Ф. С., Головин Ю. М., Мацицкий Ю. П., Мошкин К. Б. 19 всероссийская научно-техническая конференция «Высокоскоростная фотография и фотоника». Москва, 2001

4. R. Bickford, G. Madzsar. "Fabry-Perot interferometer development for rocket engine plume spectroscopy", AIAA 90-2234. 1990 r.

5. G.D.Tejwani et. al. "Space Shuttle main engine health monitoring with exhaust plume emission spectroscopy". J. Spac. Rock. № 3,1998 r.

6. D.A.Benzing, K.W.Whitaker. "Approach to Space Shuttle main engine health monitoring using plume spectra". J. Spac. Rock. № 6, 1998 r.

7. Научно-технический отчет по теме НИР «САЗ-ЖРД» «Исследование и разработка перспективных методов и систем контроля, диагностики и аварийной защиты ЖРД» инв. №3324, Центр Келдыша, 2000.

8. Научно-технический отчет «Определение следов конструкционных материалов в факеле двигателей 8Д411К (8Д412К), 8Д49 и РД0124А по спектрам излучения», инв. №3206, Центр Келдыша, 2000.

9. Научно-технический отчет «Определение следов конструкционных материалов в факеле двигателей 8Д411К (8Д412К), 15Д96 и 15Д113 по спектрам излучения», инв. №3363, Центр Келдыша, 2000.

10. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М. Наука, 1979

11. De Vos J. A New Determination of the Emissivity of Tungsten Ribbon. Physica, 1954. v. 20, p. 690

12. Дмитриев В. Д., Хлопов Г. К. Спектральная лучеиспускательная способность вольфрамовой ленты в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. ЖПС, 1967. т. 6, с. 425

13. Ландсберг Г. С. Оптика. М. Наука, 197626. «Стекло оптическое цветное» Издательство стандартов, 1981

14. Адаме Дж., Роджерс Д. «Математические основы машинной графики», МИР, 2001

15. Отчет Центра Келдыша «Разработка методик диагностики состояния агрегатов ЖРД по излучению факела» № 2587 1997г

16. Отчет Центра Келдыша «Определение следов конструкционных материалов в факеле двигателей 8Д411 К, 8Д49 и РД0124А по спектрам излучения, 2000 года»

17. Р. Гуди «Атмосферная радиация», Мир, М. 1966

18. Р. Зигель «Теплообмен излучением», Мир, М. 1975

19. Физические величины. Справочник. Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. Москва, Энергоатомиздат. 1991

20. Ч. Корлиз, У. Бозман Вероятности переходов и силы осциляторов 70 элементов. М., Мир, 1968

21. В. С. Матвеев. Приближенные представления коэффициента поглощения и эквивалентных ширин линий с фойгговским контуром. ЖПС, 1972, т. 16, стр. 228

22. С. С. Пеннер. «Количественная молекулярная спектроскопия и излучательная способность газов». Москва. Иностранная литература. 1963

23. Armstrong «JQSRT» 7, 61,1967

24. А. Митчелла и Н. Земанского «Резонансное излучение и возбужденные атомы» гл. 3,4 М.-Л., ОНТИ, 1937

25. Е. Е. Whiting JQSRT, 8, 1379, 1968

26. Д. Гаррис Сб. «Современные проблемы астрофизики и физики солнца» М. ИЛ. 1951

27. Charlotte Moore "Atomic Energy Levels", II изд. MBS 1949

28. Г. И. Аверенкова и др. «Сверхзвуковые струи идеального газа» ч. 2 «Истечение струй в затопленное пространство» МГУ 1971

29. В. Е. Алемасов, А. Ф. Дрегалин, А. П. Тишин, В. А. Худяков, В. Н, Костин. «Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания» т. 4, «Топлива на основе четырехокиси азота», Москва, 1973.

30. Научно-технический отчет Центра Келдыша "Диагностика и аварийная защита ЖРД исследования в обеспечение разработки перспективных методов и средств " инв. № 3182. 2000 год

31. В. С. Авдуевский, Э. А. Ашратов, А. В. Иванов, У. Г. Пирумов «Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй», Машиностроение 198945. «Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания», М. ВНИИТИ, 1971 -1980