Экспериментально-расчетное определение концентрации атомов металлов в факеле ЖРД спектрометрическим методом в интересах диагностики ЖРД при проведении наземных испытаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Мошкин, Константин Борисович

• Мошкин, Константин Борисович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мошкин, Константин Борисович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-расчетное определение концентрации атомов металлов в факеле ЖРД спектрометрическим методом в интересах диагностики ЖРД при проведении наземных испытаний»

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].

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Мошкин, Константин Борисович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мошкин, Константин Борисович, 2004 год

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