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 испытанийпрограммные 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 № 1 202 956 132 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 № 1 202 956 132 4 февраля 2000 г во время горения соплового аппарата была установлена нижняя граница уноса конструкции в количестве 35.6±2.8 г.