Экспериментально-теоретическое исследование и разработка электрофизического метода диагностики ракетных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Рудинский, Александр Викторович

• Рудинский, Александр Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Рудинский, Александр Викторович

Оглавление

Стр.

Список сокращений

Введение

Глава 1. Экспериментально-теоретические исследования электрофизических явлений в ракетных и реактивных ДУ

1.1. Электрофизические характеристики продуктов сгорания

1.2. Основы математического моделирования электрофизических процессов при горении

1.3. Экспериментальное исследование электрофизических процессов

в ламинарных и турбулентных пламенах

1.4. Экспериментально-теоретические исследования электрофизических процессов в ЭСУ и ДУ

1.5. Системы диагностики и аварийной защиты ЭСУ и ДУ на основе регистрации электрофизических характеристик рабочих процессов

1.6. Выводы по обзору экспериментально-теоретических исследований и постановка задач исследований

Глава 2. Математическая модель электрофизических процессов в газовых трактах жидкостных ракетных двигателей

2.1 Модель расчета электромагнитных характеристик гомогенных продуктов сгорания ЖРД на углеводородном топливе

2.2 Результаты математического моделирования и численных расчетов

2.3. Тестирование и верификация математической модели

2.4. Выводы по второй главе

Стр.

Глава 3. Экспериментальные исследования электромагнитных характеристик продуктов сгорания модельного ЖРД

3.1. Описание экспериментальной установки

3.2. Описание конструкции камеры модельного ЖРД на углеводородном топливе

3.3. Система измерения и регистрации электрического и магнитного поля продуктов сгорания и характеристик рабочего процесса ЖРД

3.4. Градуировка датчиков магнитного и электрического поля

3.5. Экспериментальные исследования и анализ результатов

3.5.1. Интегральные характеристики электромагнитного поля продуктов сгорания

3.5.2. Спектральный анализ колебаний напряженности электромагнитного поля продуктов сгорания

3.6. Выводы по третьей главе

Глава 4. Анализ и оценка быстродействия систем авариной защиты ЖРД на основе регистрации электромагнитных характеристик ПС

УВТ

4.1. Математическая модель САЗ модельного ЖРД

4.2. Выводы по четвертой главе

Основные выводы

Список литературы

Список сокращений

ЭСУ - энергосиловая установка

ДУ - двигательная установка

ЖРД - жидкостный ракетный двигатель

ЖРДУ - жидкостная ракетная двигательная установка

КС - камера сгорания

ПС - продукты сгорания

УВТ - углеводородное топливо

ФГТ - фронт пламени

ЭП - электрическое поле

МП - магнитное поле

САЗ - система аварийной защиты

ЛА - летательный аппарат

ЭГД - электрогазодинамическое (течение);

МГД - магнитогазодинамическое (течение)

ПВРД - прямоточный воздушно-реактивный двигатель

ИЛИ - первичный измерительный преобразователь

СПМ - спектр плотности мощности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-теоретическое исследование и разработка электрофизического метода диагностики ракетных двигателей»

Введение

В настоящее время средства аварийной защиты (САЗ) двигательной энергосиловой установки (ЭСУ) для любого летательного аппарата (ЛА) являются её неотъемлемой частью конструкции и обеспечивают функционирование данной ЭСУ с заданной вероятностью безотказной работы 0,9995...0,9998.

Двигательные, в частности, жидкостные ракетные двигательные установки (ЖРДУ) ракет-носителей работают в условиях больших динамических и тепловых нагрузок. Процесс разработки таких двигателей является наукоемким, занимает долгий период времени, требует больших экономических и энергетических затрат на отработку конструкции и испытания, а также внедрение новых технологий производства.

Запуск ракеты-носителя всегда связан с решением определенных технических проблем, а аварийные ситуации в случае возникновения на старте либо в процессе полета влекут за собой потери материальной части, стартового оборудования, а так же полезного груза, экономическая ценность которого часто превосходит стоимость ракеты-носителя.

В связи с вышесказанным появляется необходимость в создании таких активных САЗ, которые бы позволили осуществлять диагностику рабочего процесса в ЖРДУ в реальном времени с целью эффективного и своевременного обнаружения развития аномальных явлений, а также обеспечивали бы отсутствие ложных срабатываний [1, 2]. Разработка подобных систем для авиационных двигателей позволит существенно повысить безопасность полетов, а также сократить затраты на обслуживание двигателей и переборку.

Существующие системы диагностики, например, в ЖРДУ основываются на получении информации о работоспособности узлов двигателя, в частности турбонасосного агрегата, регистрируя частоту вращения и перемещение ротора, температуру генераторного газа и др.

Описанные системы косвенно отражают рабочие процессы в двигателе и не могут дать первичную информацию о последних с необходимым быстродействием.

Высокие значения температуры газового потока (3100 - 3900 К) в камерах сгорания ЖРД и сложность их конструкции также накладывают определенные трудности при реализации стандартных методов и систем диагностики рабочих процессов, в частности зондовых.

Среди современных методов диагностики внутрикамерных физико-химических процессов, протекающих в газовых трактах энергосиловых установок, представляются наиболее перспективными бесконтактные методы, основанные, например, на регистрации электрофизических характеристик продуктов сгорания (ПС) топлив. Продукты сгорания ЖРД можно считать низкотемпературной плазмой, которая представляет собой положительно и отрицательно заряженные ионы, в том числе и электронный газ. Упорядоченное движение заряженных частиц в газодинамическом тракте создает нескомпенсированный электрический заряд т, г) с напряженностью электрического поля Е(% г). Электрическое поле перемещающихся ионов и электронов порождает магнитное поле с напряженностью Н(г, г). Часть электрического заряда выносится из камеры двигателя, создавая плотность электрического конвективного тока]к(х, г). Реализуемое при этом течение ПС можно назвать электрогазодинамическим (ЭГД-течением), т.к. характеризуется малым значением плотности электрического тока (~ 10 мкА) и большим электрическим потенциалом (~ 10 кБ).

Важным свойством диагностического метода по электрофизическим характеристикам является то, что при механическом разрушении металлических тел среди образующихся при этом микрочастиц большое их количество приобретает электрический заряд. В этом случае, когда разрушаемое тело обтекается газодинамическим потоком, заряженные частицы сносятся от места разрушения, генерируют электромагнитное поле,

которое может быть зарегистрировано датчиками, установленными вне истекающего потока.

Перечисленные параметры характеризуют электрофизические процессы и представляют интерес с точки зрения влияния на них режимных параметров ЭСУ, отвечающих за её работоспособность и регулирование. Для ракетных и реактивных двигателей, таких как ЖРД, прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), наиболее важными из таких характеристик являются: давление в камере сгорания рк и коэффициент избытка окислителя ос или соотношение компонентов топлива Кт.

Регулирование тяги двигателя, соотношения компонентов, ввод в камеру сгорания присадок, повышающих энергетические характеристики двигателя, - все эти процессы, являющиеся неотъемлемой частью эксплуатации двигателя, влияют непосредственно на физико-химический состав ПС. Измерение концентраций заряженных частиц, регистрация электромагнитных полей могут дать полную информацию об электрофизических параметрах, по которым, в свою очередь, можно судить о качестве протекания внутрикамерных рабочих процессов.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется потребностью в разработке эффективных систем диагностики и аварийной защиты ракетных двигателей, основанных на бесконтактных методах диагностики рабочего процесса по электрофизическим характеристикам ПС топлив в обеспечение сохранности уникального стендового оборудования и анализа результатов летных испытаний и эксплуатации ракет-носителей

Цель исследования заключается в экспериментально-теоретическом обосновании использования электрофизических характеристик ПС ЖРД на углеводородном топливе для разработки бесконтактных средств диагностики и аварийной защиты.

Предмет исследований. В диссертации экспериментально и теоретически исследовалось влияние изменения режимных параметров

модельной камеры ЖРД на электрофизические характеристики ПС углеводородного топлива.

Объект исследований. В качестве объектов исследований в диссертации рассматриваются камеры модельного и натурных ЖРД на углеводородном топливе и магниточуствительные элементы - датчики магнитного и электрического поля.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Разработана осесимметричная математическая модель электрофизических процессов в камере жидкостного ракетного двигателя на углеводородном топливе, учитывающая особенности газодинамического контура камеры двигателя и свойства термо-газодинамических характеристик ионизированных продуктов сгорания углеводородного топлива при различных начальных режимных параметрах.

2. Получены расчетные зависимости от основных режимных параметров работы модельного ЖРД и камеры маршевого ЖРД РД-171М электрических потенциалов элементов конструкции сопла двигателя и амплитуды напряженности магнитного поля в диапазоне изменения коэффициента избытка окислителя аок = 0,5...0,85 для углеводородного топлива.

3. Определена близкая к линейной зависимость напряженности магнитного поля продуктов сгорания углеводородного топлива от давления в камере сгорания, которая может быть рекомендована в качестве задающего параметра системы контроля и диагностики ЖРД.

4. С помощью частотного анализа колебаний напряженности магнитного и электрического полей впервые получены спектры сигналов и их частотно-амплитудные характеристики в зависимости от времени испытания и текущего давления в камере сгорания.

5. Разработана математическая модель и методика расчетного анализа параметров быстродействия системы аварийной защиты ЖРД на основе контроля характеристик магнитного поля продуктов сгорания при

скачкообразном изменении давления в КС и площади критического сечения сопла.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждаются.

1. Использованием фундаментальных уравнений газодинамики, магнитогазодинамики, теории горения, а также известных термодинамических свойств компонентов исследуемых топлив.

2. Удовлетворительным согласованием результатов численных расчетов и проведенных в работе экспериментов, а так же их удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными других авторов.

3. Применением аттестованных средств измерения и регистрации, обеспечивающих необходимую точность для теплотехнических экспериментов.

Практическая ценность диссертации заключается в следующем.

1. В разработке математической модели, описывающей генерацию и протекание электромагнитных процессов в ПС ЖРД при горении топлив с учетом геометрических особенностей проточного тракта камеры ЖРД и состава топлива, а так же режимных параметров двигателя.

2. В выявлении зависимостей электрофизических характеристик ПС от режимных параметров ЖРД для назначения диагностических признаков протекания рабочих процессов.

3. Разработана структурная схема системы аварийной защиты ЖРД на основе регистрации амплитуды напряженности магнитного поля, обладающей большим быстродействием (-0,02 с) по сравнению с традиционными средствами (-0,04 - 0,05 с).

Апробация работы. Материалы теоретических исследований представлены на следующих научных конференциях.

1. В докладах конференции «Студенческая научная весна - 2008, 2009, 2010, 2011, 2013» на секции «Ракетные двигатели».

2. На XXXV, XXXVI Академических «Королёвских научных чтениях по космонавтике» в 2011 г., 2012 г.

3. На Всероссийской научной конференции «Ракетно-космические двигательные установки», 2013 г.

4. На XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия», 2014 г.

5. На научных семинарах кафедры «Ракетные двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана и отдела «Аэрокосмические двигатели» ЦИАМ им. П.И. Баранова.

Публикации по теме диссертации. Полученные результаты были использованы в расчетно-теоретических работ в рамках гранта РФФИ № 08-08-00624, в 2 научно-технических отчетах МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Материалы теоретических исследований опубликованы в следующих рекомендованных научных изданиях.

1. В журнале «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана» серия «Машиностроение».

2. В электронном научно-техническом издании «Наука и образование».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и содержит 142 страницы основного машинописного текста, 19 таблиц, 75 рисунков. Список литературы включает 83 наименования.

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, а также изложены её суть и экспериментально-теоретические результаты.

В первой главе представлен обзор экспериментально-теоретических исследований в области электрофизических методов диагностики рабочих процессов в ракетных и реактивных двигателях. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе описывается осесимметричная нестационарная математическая модель электрофизических процессов в камере ЖРД. Определена последовательность расчета характеристик электромагнитных полей ПС ЖРД на различных компонентах топлива и режимных параметрах. Выполнено моделирование нестационарных процессов зарядки элементов конструкции ЖРД при истечении ионизированного газа из сопла модельного ракетного двигателя и камеры ЖРД РД-171М.

В третьей главе представлены описание экспериментального ЖРД, методика, и результаты экспериментального определения характеристик электромагнитных полей, генерируемых в процессе истечения ПС из сопла модельного ЖРД на этиловом спирте и газообразном кислороде. Проведена градуировка каналов измерения магнитного и электрического полей. Осуществлена регистрация напряженностей магнитного и электрического полей в процессе работы модельного ЖРД на различных режимах. Приводятся результаты спектрального анализа сигналов, полученных с датчиков электрического поля и магнитного поля. С использованием Фурье преобразования в пакете обработки сигналов МаШаЬ и \¥тПОС с применением частотных фильтров разработана методика обработки сигналов МП и ЭП гомогенного высокотемпературного потока ПС.

В четвертой главе рассмотрена структурная схема САЗ ЖРД на основе регистрации и анализа электромагнитных характеристик ПС. Оценено время быстродействия датчика магнитного поля при мгновенном (аварийном) повышении давления в КС ЖРД. Выработаны практические рекомендации по созданию САЗ ЖРД.

Автор считает своим долгом выразить благодарность сотрудникам кафедры «Ракетные двигатели» и отделения ЭМ-1 НИИ «Энергомашиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана за помощь в проведении огневых стендовых испытаний ЖРД, а также в сборе, обработке и анализе полученных результатов.

Глава 1. Экспериментально-теоретические исследования электрофизических явлений в ракетных и реактивных ДУ

Исследование электромагнитных свойств высокотемпературных газовых потоков как научное направление начало свое развитие с исследования влияния на газодинамический поток внешних электромагнитных полей. Начиная с 30-х гг. XX века работы по исследованию магнитогазодинамических (МГД) течений велись как в нашей стране, так и за рубежом. Наиболее масштабные экспериментальные и теоретические исследования внутренних МГД течений в энергетических и движительных установках проводились в ЦИАМ им. П.И. Баранова, НИЦ «Курчатовский институт», ФЦДТ «Союз» и др. В результатах работ [3 - 15] выявлено увеличение скорости горения (~10 раз) и скорости распространения пламени в продольных и поперечных электрических полях. Причем, в зависимости от схемы наложения поля наблюдалось как уменьшение, так и увеличение указанных параметров. Основной физической предпосылкой являлось то, что при высоких температурах газ обладает естественной электропроводностью вследствие собственной ионизации, либо благодаря введению ионизирующих присадок, что используется при создании рабочей среды в МГД установках.

Созданная таким образом отдельная область газодинамики позволила описать электрофизические свойства газовых потоков и объяснить влияние внешних электромагнитных полей на рабочие процессы и их интенсификацию в двигателях (устойчивость и скорость горения) [16, 17]. Изучение МГД течений позволило также сформировать математический аппарат для описания процесса генерации собственных магнитоэлектрических полей ПС ракетных двигателей.

1.1. Электрофизические характеристики продуктов сгорания

По своей природе сопровождающие процессы горения электрические явления подразделяются на "собственные" и внешние. Причем первые обусловлены естественным, а вторые - искусственным разделением заряженных частиц в пламени. "Собственные" электрогазодинамические процессы возникают вследствие различной подвижности ионов и электронов, что приводит к диффузионному разделению зарядов и к образованию в пламени электрического поля.

Свойство ионизированных ПС генерировать электромагнитные поля нашло своё применение при разработке методик и аппаратуры для технической диагностики физико-химических процессов, протекающих в камере ракетного двигателя.

В настоящее время экспериментально отрабатывались несколько способов диагностики рабочего процесса по электрофизическим характеристикам ПС. Среди известных методов по характеру влияния на газодинамический поток различают основные два.

1. Диагностику зондовым методом (плазменно-ионные детекторы) [18].

2. Бесконтактную диагностику по собственным электромагнитным полям ПС [19].

Зондовый метод предусматривает установку уловителей заряженных частиц (зонд Ленгмюра) [20]. Установка таких зондов в высокотемпературные и высокоскоростные турбулентные потоки ПС позволяет прослеживать за реакциями температурной и химической ионизации по уровню концентраций частиц разноименных зарядов и получать диагностическую информацию из внутренних полостей газовых трактов в виде электрических сигналов. На Рис. 1.1, в качестве примера приведены частотные характеристики (спектры) пульсаций давления в камере сгорания ЖРД (Рис. 1.1, а) и снимаемых напряжений с электрических зондов, установленных в разных зонах КС (Рис. 1.1,6) [21].

0 1 2 3 4 5 1 кГц

012345 0 12345

I кГц £ кГц

а) б)

Рис. 1.1.

Частотные спектры сигналов с электростатических зондов (а): 1 — в выходной секции, 2 - на входе в сопло и спектры пульсаций давления в КС (б)

Эксперименты с электростатическими зондами показывают, что в некоторых пламенях существуют повышенные электронные температуры. Так, например, в работе [22] использовались двойные зонды при пониженных давлениях и были обнаружены электронные температуры до 30000 К. В связи с тем, что электроны, обладающие энергией, превышающей потенциал ионизации, могут легко ионизировать атомы и молекулы, А. Энгель [23] предположил, что эти электроны являются источником ионизации в той области пламени, где зарегистрированы повышенные электронные температуры.

Работа [24], в которой исследовалась ионизация в пламенях смесей оксида углерода и кислорода с добавками углеводородов, показала, что в этих пламенях происходит не только химическая ионизация, но и образуется значительное количество ионов СЬ+, которые могут возникать в присутствии электронов при повышенных температурах. Предполагается, что последние появляются в результате взаимодействия с возбуждёнными молекулами ССЬ, которые в свою очередь образуются при рекомбинации молекул монооксида углерода с атомарным кислородом. В соответствии с общепризнанными фактами, наиболее вероятным механизмом является химическая ионизация. Причём считается, что могут протекать только экзотермические или слабо

эндотермические реакции. В работе [24] были предложены следующие эндотермические реакции, описывающие химическую ионизацию в пламени: СН+О —5СНО++е", СН+С2Н2 С3Нз++е.

Более детальными исследованиями установлено, что в пламени существует разделение зарядов [25], причём положительный объёмный заряд сосредоточен в реакционной зоне (во фронте пламени), а отрицательный — в предпламенной зоне. Предполагается, что разделение зарядов обусловлено амбиполярной диффузией [26], а носителями отрицательного заряда в пламени являются электроны и отрицательные ионы.

Г. Калькот [27], анализируя работы различных авторов, посвященные образованию ионов в пламени, приводит характерный график изменения тока проводимости (концентраций ионов) по зонам пламени (Рис. 1.2, а, б).

Рис. 1.2.

Распределение тока проводимости (а) и температуры (б) по радиусу горизонтальных сечений диффузионного пламени: 1, 2, 3, 4 - номера сечений

Можно считать установленным фактом, что максимум ионизации соответствует фронту пламени, где реализуется максимум тепловыделения, причём концентрация заряженных частиц резко падает в зоне продуктов сгорания, хотя в ней наблюдается максимальная температура. Соотношение концентрации ионов в этих зонах оценивают как 1000:1.

1.2. Основы математического моделирования электрофизических

процессов при горении

Рассмотрим далее реализацию основных методов математического моделирования электрофизических процессов в ЭСУ и ЖРД.

Теоретические методы исследования электрофизических характеристик процесса горения и его интенсификации за счет воздействия электрического поля, изложены в работе [28]. Система уравнений, описывающая электрические параметры одномерного стационарного пламени, записывалась

в следующем виде:

д(„дт л

- рУС

дх

э/

дх

Я — -р¥СрТ +д!Г = 0,

^ ОХ ;

дЫ. ^

РД —^- рШ, - рк^.Е + Ж,х + IV,' = крр1Ы^е,

V дх

д ( „ Ш.

дх

рв, + /*,"„£+ »? + К =

ах £ Р = рхт,

где р, V, Я, р, Ср, X, с, Т, IV, q, Д Д к, IV1, Ж1, Е, а - плотность, скорость, газовая постоянная, давление, теплоемкость, коэффициент теплопроводности, диэлектрическая постоянная и температура газа, скорость химической реакции и выделяемое количество теплоты на килограмм горючего, относительная концентрация и коэффициенты диффузии и подвижности заряженных частиц, скорость ионообразования за счет хемо- и термоионизации, константа скорости рекомбинации, напряженность электрического поля и коэффициент электропроводности соответственно. Индекс [ относится к ионам, е - к электронам.

Для решения системы авторами определялись следующие граничные

условия: х = -со :N¡=Ne= о,^ = ^ = ^ = о;*=«>:#, 0.

дх дх дх

В результате решения описанной выше системы были получены распределения концентраций распределение ионов N1 и электронов в ламинарном углеводородном пламени (Рис. 1.3).

Рис. 1.3.

Распределение концентраций заряженных частиц в пламени

В области предпламенных реакций (область 1) ионизация практически отсутствует, поскольку скорости процессов хемоионизации и термической ионизации малы. В области 2 наибольшего тепловыделения, где градиент температуры максимален, происходит резкое увеличение значений и Н. Причем, экспериментальные значения максимальных концентраций ионов Н при различных условиях горения составляют ~ 1012... 1013 см"3, что примерно на 5 - 6 порядков превышает их равновесную концентрацию, вычисленную по уравнению Саха. За счет конвективных и диффузионных потоков ионы и электроны перемещаются в область 3, где происходит их рекомбинация. На внешней границе пламени (область 4) значения N0 и N1 стремятся к своим равновесным значениям. Следует обратить внимание на то, что пространственные распределения электронов и ионов существенно отличаются друг от друга, поскольку подвижность легких электронов во много раз превышает подвижность тяжелых ионов. Поэтому профиль концентрации электронов более растянут. В результате отмеченного явления в пламени возникают распределенные объемные заряды. Обусловленное этими зарядами электрическое поле приводит к совместной диффузии электронов и ионов (так называемой амбиполярной диффузии [29]).

Поверочные расчеты позволяют оценить величину напряженности электрического поля в пламени. Так, при нормальной скорости пламени 1 м/с и подвижности ионов 1...510"4 м2/(В-с) значение Е = 1...5 кВ/м. Поскольку напряженность зоны хемоионизации незначительна, во фронте пламени (область 2, Рис. 1.3) реализуется скачок напряженности (Е ~ dNj/dx) с одновременным изменением знака при переходе от зоны подогрева к области ПС, а максимум модуля Е располагается слева от фронта пламени.

Теоретическая модель, описывающая электрофизические свойства ПС ЖРД, на основе представления продуктов сгорания как смеси из ионов, электронов и нейтральных атомов изложена в работах Кучинского В.В., Пинчука В.А., Никитенко А.Б. [30, 31]. Авторы рассматривают одномерную стационарную задачу истечения газовой смеси ионов, электронов и нейтральных атомов без детального рассмотрения химического состава. Основным параметром, определяющим концентрацию заряженных частиц в смеси ПС, являлся потенциал ионизации U. Система уравнений, описывающая стационарный процесс истечения ионизированных продуктов сгорания из сопла, включала в себя уравнение неразрывности газового потока, уравнения движения электронов и ионов, ионизационное уравнение Саха, уравнение сохранения электрического заряда и уравнения распределения давления и температуры газового потока при изоэнтропическом расширении.

dw(x) . JF, др(х)

Р(х) F —— + р(х) и'(х) — + м<х) F = 0, ох дх ох

-wM^M^+^fcW-= о,

дх ре дх

т,и,(лг)н> + SW („, (,) - ,<X))+Mil - е„, Мвд = о,

дх дх

О (л-) »hn + Hha + m^-a) р{х) _Q z 1+7 к • Т(х) '

»'v(.v)

/ ч

П + —а + - we (х) -г/-^-и', (JC) -а-^-и<х) • (l - а) = 0,

т„ т„

V ,Пе 'Пс J

д]к О)

дх

дЕ(х) е а-г/ р{х) дх с0 1 + 77 к ■ Т(х)

= 0,

\ Рк

\р)

где р, м?, Ь, е, п, т, Е, р, Т- плотность, скорость, площадь проходного сечения камеры двигателя, длина камеры двигателя, заряд, электрона, концентрация, масса, напряженность электрического поля, давление, температура соответственно; т|, р, а, ео, к - степень относительной концентрации электронов, степень нарушения квазинейтральности среды, подвижность, степень ионизации, диэлектрическая постоянная, постоянная Больцмана. Индексы е, а, Е относятся к электронам, ионам, нейтральным атомам и среды в целом соответственно, 0 - исходные параметры системы.

При реализации разностных схем авторами принималось допущение, что электрофизические параметры потока ПС в критическом сечении сопла являются невозмущенными, т.е. характеризуются отсутствием внешних электрических полей. Результаты численных расчетов приведены на Рис. 1.4 при начальных условиях: х = 0: = = = а = т| = ДТ*, р*, V), Е = 0,

Распределение плотности тока по длине сопла в зависимости от потенциала ионизации и, В (а): рк = 0,4 МПа, Тк = 3000 К, ра = 0,1 МПа. 1 - и = 13 В, 2 -и = 10,5 В, 3 - 10 В, 4 - 9,5 В и температуры в камере сгорания Тк, К (б): 1 -Тк = 2800 К, 2 - Тк= 3000 К, 3 - Тк= 2500 К, 4 - Тк=3200 К

Рис. 1.4.

Проведенные в работе [30] теоретические исследования по истечению ионизированных ПС показали отличное от нуля значение плотности электрического тока порядка 10"8 А/м2, формирующегося при горении топлива во внутрикамерном пространстве, а также наличие избыточного электрического заряда в температурном диапазоне от 1500 К до 3500 К и давлении от 0,1 МПа до 0,4 МПа. При этом установлено, что вероятность выноса положительного заряда с понижением потенциала ионизации и газовой смеси или повышением температуры среды при прочих равных условиях возрастает.

\Ve-Wi, м/с А/М2

а) б)

Рис. 1.5.

Распределение относительной скорости компонентов среды (а) и

плотности тока ^ (б) по длине сопла ЖРД при рк = 0,4 МПа, ра = 0,1 МПа,

Тк = 3000 К,и= 12,1 В

Из результатов расчета распределения относительной скорости ионов и электронов (Рис. 1.5, а) видно, что в потоке изменение скорости заряженных частиц определяет знак выносимого из камеры электрического заряда и, следовательно, плотности тока (Рис. 1.5, б). Из Рис. 1.5, б следует, что плотность тока в интервале 0...0,2 м координаты х (координата критического сечения) принимает значения ^ = 0 вследствие \Ve-Wi = 0 (Рис. 1.5, а). Затем скачкообразно уменьшается до значения ]к « -0,0013 А/м, после чего монотонно возрастает. Подобные осцилляции в решении могут быть связанны с принятыми авторами нулевыми граничными условиями в области критического сечения (х = 0). В случае рассмотрения всей камеры ЖРД (от

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рудинский, Александр Викторович, 2015 год

Список литературы

1. Жежеря А.П. Основные направления развития бортовых средств аварийной защиты ЖРДУ // Суворова Т.Г. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем. PKT. Серия XXII. Выпуск 1-1,2000. С. 238-247.

2. Головин Ю.М. Перспективы развития систем диагностики и аварийной защиты ЖРД // Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики. 2002. № 9. С. 34-38.

3. Лоеб J1. Статическая электризация. М.: Госэнергоиздат, 1963. 406 с.

4. Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. М.: Металлургиздат, L959. 333 с.

5. Малиновский А.Э., Скрипников К.А. К вопросу о возможности зажигания гремучего газа рентгеновскими фотоэлектронами // ЖЭТФ. 1934. т.4, № 2. С. 192-197.

6. Малиновский А.Э., Лавров Ф.А. О влиянии электрического поля на процессы горения в газах // ЖФХ. 1931. т.2, № 3. С. 530-534.

7. Малиновский А.Э., Россихин B.C., Тимковский В.П. Влияние переменного электрического поля высокой частоты на скорость горения газа // ЖЭТФ. 1934. т.4, №2. С. 183-188.

8. Малиновский А.Э., Наугольников Б.И., Ткаченко К.Т. Фоторегистрация скорости распространения взрывной волны в электрическом поле // ЖЭТФ. 1934. т.4, № 2. С.203-207.

9. Шутов А. А. Формирование и зарядка струй, капель и пленок слабопроводящих жидкостей в электрическом поле: дис. док. техн. наук. Москва. 2008. 292 с.

10. Алтунин В.А. Влияние электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в

энергетических установках многоразового использования, дис. док. техн. наук. Казань. 2011. 536 с.

11. Иванов В. А. Метод расчета МГТ-течения с отрывом пограничного слоя // ТВТ. 1994. Т. 32. № 5. С. 909-912.

12. Зарянов И.А. Влияния электростатического поля на ламинарное горение углеводородных жидкостей: дис. канд. техн. наук. Казань. 2011. 109 с.

13. Ватажин А.Б., Исакова Н.П. Торможение сверхзвукового потока проводящего газа в сильном магнитном поле // Изв. АН СССР. МЖГ. 1972. № 5. С. 145-155.

14. Ватажин А.Б., Любимов Г.А., Регирер С.А. Магнитогидродинамические течения в каналах. М.: Наука, 1970. 672 с.

15. Бобров A.C. Влияние электрического поля на тепловую структуру диффузионного пламени коаксиальных струй: дис. канд. техн. наук. Казань. 2009. 89 с.

16. Афанасьев В.В. Диагностика и управление устойчивостью горения электрическими полями и разрядами: дис. док. техн. наук. Казань. 2004. 105 с.

17. Ягодников Д.А., Воронецкий A.B. Особенности стабилизации пропановоздушного пламени при наложении продольного и поперечного электрического поля // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31. № 1. С. 40-45.

18. Ватажин А.Б., Рушайло А.М. Электростатический зонд для регистрации заряженных частиц в газодинамическом потоке // Изв. АН СССР. МЖГ. 1980. № 1. С. 72-81.

19. Бесконтактная электростатическая антенна для диагностики газотурбинных двигателей: патент на полезную модель 38953 РФ / Д.А. Голенцов, А.Г. Гулин заявл. 10.07.2004; опубл. 17.03.2004.

20. Гафуров Р.А., Соловьев В.В. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках. М.: Машиностроение, 1991. 271 с.

21. Пинчук, В.А., Грибакин В.А., Болдырев, А.С. Диагностирование технического состояния жидкостных ракетных двигателей на основе электрофизических измерений // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 11. С. 17-23.

я

22. Bradley D., Matthews K.J. Double electrostatic probe continuum theory and electron temperature measurement // Physics of Fluids. 1967. Vol. 10, № 6. P. 1336-1341.

23. Энгель А. Ионизированные газы. M.: Физматгиз, 1959. 332 с.

24. Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. М.: Металлургия, 1968. 310 с.

25. Фиалков Б.С., Щербаков Н.Д., Плицин В.Т. Распределение электрического потенциала в углеводородных пламенах // ФГВ. 1978. Т. 14, № 2. С. 104-108.

26. Кидин Н.И., Либрович В.Б. О собственном электрическом поле ламинарного пламени. // ФГВ. 1974. Т. 10, № 5. С .696-705.

27. Calcote H.F. The Influence of pressure on electro-physical characteristics of methane-air mixture combustion. // 8-th International Symposium on Combustion, Baltimore: Williams and Wilkins. 1962. P. 184-190.

28. Кидин Н.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Электрические свойства ламинарных пламен. 1975. 32 с. (Препринт Институт проблем механики АН СССР, № 51).

29. Кидин Н.И., Махвиладзе Г.М. Электрическое поле ламинарного пламени с большой степенью ионизации // ФГВ. 1978. Т. 12, № 6. С. 865-871.

30. Кучинский, В.В., Никитенко А.Б. Аналитические методы оценки параметров плазмы продуктов сгорания и определение температуры по

результатам измерений проводимости плазмы // Журнал технической физики. 2010. Т. 80, № 8. С. 13-21.

31. Пинчук В.А. Двигательная электризация как явление, отображающее развитие зарядовой неустойчивости в среде продуктов сгорания при истечении // Журнал технической физики. 1997, Т. 67 № 8. С. 21-24.

32. Фиалков Б.С., Щербаков Н.Д., Птицын В.Т. Распределение электрического потенциала в углеводородных пламенах // ФГВ. 1978. Т. 14, № 3. С. 87-90.

33. Богословский В.П., Зайчиков В.В., Самойлов И.Б. О зондовых измерениях ионизации в пламени // ФГВ. 1974. Т. 10, № 5. С. 705-709.

34. Черепнин С.Н. К вопросу о влиянии ионизирующих добавок и внешнего электрического поля на горение и окисление // ФГВ. 1991. Т.27, № 1. С. 75-77.

35. Yamada Е., Shinoda M., Yamashida H., Kitagawa К. Experimental and numerical analyses of magnetic effect on OH radical distribution in a hydrogen-oxygen diffusion flame // Combustion and flame. 2003. P. 365-379.

36. Фиалков Б.С., Щербаков Н.Д., Акст Н.К. Использование электрических явлений для контроля и управления теплотехническими и технологическими процессами // ФГВ. 1983. Т.19, № 5. С. 29-30.

37. Резник В.Е., Токарев В.В., Шайкин А.П. Электропроводность факела пламени неоднородной смеси при впрыске жидкого топлива в зону рециркуляции за плохообтекаемым телом // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 1977. № 3. С. 93-97.

38. Черепнин С.Н. Исследование электрофизических явлений в камерах сгорания реактивных двигателей // ФГВ. 1990. Т.26, № 2. С. 58-59.

39. Ватажин А.Б., Лихтер В.А., Рушайло A.M. Электрические пульсации в турбулентных электрогазодинамических потоках. М.: Физматлит. 2005. 720с.

40. Электрические аспекты проблемы разрушения тел в газодинамическом потоке / А.Б. Ватажин [и др.] Изв. РАН. МЖГ. 1999. № 4. С.74-80.

41. Бучин В.А., Ватажин А.Б., Пудов М.Б. Электрическая зарядка тел вследствие выноса из них заряженных частиц гидродинамическим потоком // Изв. АН СССР. МЖГ. 1977. № 5. С. 94-103.

42. Ватажин А.Б., Лихтер В.А., Шульгин В.И. Турбулентные конденсационные струи и возможность управления ими с помощью электрического поля // Проблемы современной механики. 4.1. М.: Изд-во МГУ. 1983. С. 113-122.

43. Черепнин С.Н. Автоматический контроль и поддержание коэффициента расхода окислителя в реактивных двигателях // Электрофизика горения. Тез. докл. Научно-практического семинара по электрофизике горения. Караганда, 1987. С. 13-14.

44. Исследование электрических характеристик реактивных струй, истекающих из двигателей самолетов / Ватажин А.Б., Казаков А.Ф. Лихтер В.А. [и др.] Тр. ЦИАМ. 1974. № 628.

45. Ватажин А.Б., Грабовский В.И., Лихтер В.А. Электрогазодинамические течения. М.: Наука, 1983. 344 с.

46. Проблема бесконтактной электростатической диагностики состояния авиационных двигателей. Теоретическое и лабораторное моделирование / Ватажин А.Б. [и др.] // Изв. РАН. МЖГ. 1997. № 2. С. 83-95.

47. Акишин А.И., Новиков Л.С. Электризация космических аппаратов. М.: Знание, 1985. 64 с.

48. Потапов Г.П., Ившин В.П. К вопросу определения электрофизических характеристик поверхности, находящейся в плотной плазме с добавкой ионизируемого металла // Труды КАИ, № 158 Казань, 1973. С. 67-73.

49. Фот Г.Э. Исследование электрических характеристик горючих жидкостей // Электрофизические способы пылеулавливания. Алма-Ата: Казахский полит, ин. 1987. С. 89-94.

50. Черепнин С.Н., Дашевский В.Н. Влияние внешнего электрического поля на параметры горения и электризацию сопла энергетической установки // ФГВ. 1990. Т.26, № 6. С. 74-78.

51. Потапов Г.П., Муравьев Г.Б., Сабиров Р.Х. Экспериментальное исследование электризации энергоустановок // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1991, № 2. С. 103-106.

52. Потапов Г.П., Муравьев Г.Б., Сабиров Р.Х. Экспериментальный стенд для исследования электризации энергоустановок // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1990, №4. С. 105-107.

53. Ягодников Д. А., Воронецкий A.B., Пушкин Н.М. Исследование электризации сопла жидкостного ракетного двигателя // ФГВ. 1995. Т. 31, №4. С. 54-58.

54. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989. 464 с.

55. Системы контроля и бесконтактной диагностики рабочих процессов при проведении огневых испытаний ЖРД / Н.М. Пушкин [и др.] Труды НПО «Энергомаш». М., 2012. № 29. С.328-341.

56. Нагель Ю.А. Электризация двигателей при истечении продуктов сгорания. Экспериментальные результаты // Журнал технической физики. 1999. Т. 69, № 8. С. 55-59.

57. Способ диагностики газотурбинных двигателей при попадании посторонних предметов на их вход: патент на изобретение 2348911 РФ / Д.А. Голенцов, А.И. Божков заявл. 21.06.2007; опубл. 21.06.2007.

58. Способ диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах: патент на изобретение 2258923 РФ / А.Б. Ватажин, Д.А. Голенцов, А.И. Божков, В.А. Лихтер заявл. 21.01.2004; опубл. 20.08.2005.

59. Пинчук В.А., Грибакин В.А., Болдырев, A.C. Диагностирование технического состояния жидкостных ракетных двигателей на основе электрофизических измерений // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 11. С. 17-23.

60. Пинчук В.А. Низкотемпературная плазма в условиях развитых акустичских воздействий // ИФЖ. 1994. Т. 67. № 1-2. С. 112-118.

61. Couch R.P. Detecting abnormal turbine engine deterioration using electrostatic methods//Journal of Aircraft. 1978. Vol. 15, № 10. P. 692-695.

62. Потапов Г.П., Дрегалин А.Ф. Образование статического электричества при истечении из сопла ионизированного газа // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 1977, № 5. С. 90-92.

63. Потапов Г.П. Электризация реактивных сопел // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 1978, № 4. С. 112-116.

64. Шкаликов В.А. Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов // Казань: КАИ. 1980. С. 41-47.

65. Шкаликов В.А., Лебедев A.A., Кульжанов Ж.К. Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов // Казань: КАИ. 1982. С. 79-83.

66. Голенцов Д-А., Лихтер В.А. Возникновение электрическизаряженных структур в газодинамических устройствах:

лабораторные и натурные эксперименты. Механика жидкости и газа. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, №4 (3), с. 719721.

67. Белов И.А., Имаев С.А. Моделирование турбулентных течений: Учеб. Пособие. СПб.: БГТУ, 2002.

68. Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. - М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2013. 96 с.

69. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Физика неидеальной плазмы. Учебное пособие. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 528 с.

70. Панченко В.П. Введение в магнитогидродинамическое преобразование энергии // Электронное учебное издание / Учебное пособие по дисциплинам «Электроракетные двигатели» и «Плазменные энергетические установки». - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 55 с.

71. НПО «Энергомаш» им. Академика В.П. Глушко. // http: http://www.npoenergornash.ru/dejatelnost/engines/rdl71m/ (дата обращения 28.05.2015).

72. Исследование внутрикамерных характеристик и моделирование циклограммы работы ракетных двигателей малой тяги с использованием ЭВМ. Методические указания к лабораторным работам / Ягодников Д.А. [и др.] М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 48 с.

73. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978. 704 с.

74. Экспериментальное исследование зажигания и распространения пламени при конвективном нагреве твердого топлива / Л. Галфетти, Дж. Коломбо [и др.] ФГВ. 2000. Т. 36, № 1. С. 119-130.

75. Гуревич Б.С., Гуревич С.Б., Манойлов В.В. Вейвлет-фильтрация пространственных частот при дискретизации световых полей // Научное приборостроение. 2012. Т. 22, № 1. С. 101-106.

76. Ю. В. Гуляев, К. В. Зайченко. Электрокардиография сверхвысокого разрешения. Задачи. Проблемы. Перспективы. // Биомедицинская радиоэлектроника №9, 2013. С5-15.

77. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 312 с.

78. Анализ диагностической информативности интегральных параметров спектра электромагнитных колебаний в окрестности факела жидкостного ракетного двигателя в задаче идентификации режима функционирования камеры / Грибакин В.А., Поспишенко В.И., Болдырев К.Б. и др. // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. № 632. 2011.С. 88-93

79. Экспериментальное исследование спектра электромагнитных колебаний, создаваемых факелом модельного жидкостного ракетного двигателя в условиях стенда огневых испытаний / В.А. Грибакин, В.И. Поспишенко, К.Б. Болдырев, А.Э. и др. // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. № 632. 2011. С. 94-99.

80. Волков Е.Б., Судаков P.C., Сырицын Т.А. Основы теории надежности ракетных двигателей. М.: «Машиностроение», 1974. 400 е..

81. Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Скворцов JI.M. и др. Инструкция пользователя программным комплексом «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ, версия 3.5). Тех. Отч. Москва 2005, 187 с.

82. Волков Е.Б., Сырицын Т.А., Мазинг Г.Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок. Книга ТТ. Динамика. М.: «Машиностроение», 1978. 320 с.

/

83. Панин В.В., Степанов Б.М. Практическая магнитометрия. М.: Машиностроение, 1978. 112 с.

N