УСТРОЙСТВО СПЕКТРАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ФАКЕЛА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных системах и системах контроля технического состояния и диагностики высокотемпературных факелов объектов, находящихся в жестких условиях эксплуатации. В частности, полезная модель может быть использована в системах диагностики и контроля технического состояния жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в процессе огневых испытаний.
Известно, что даже очень маленькие добавки различных металлов могут быть обнаружены в спектрах излучения высокотемпературных процессов. Частицы металла, образовавшиеся в результате абразивного уноса в узлах трения и за счет воздействия горячих газов на поверхность деталей, попав с топливом в камеру сгорания, а оттуда в факел ЖРД, по линиям излучения могут быть идентифицированы спектральными приборами.
Таким образом, износ и разрушение деталей конструкции ракетного двигателя приводит к появлению в спектре излучения факела спектральных линий конструкционных материалов (Al, С, Са, Со, Cr, Cu, Fe, Mg, Mo, Ni, Ti, W и др.), причем линии определенного химического вещества характеризуют износ или разрушение конкретного агрегата (подшипников, лопаток турбин, насосов, камеры сгорания и т.д.).
Оптическая диагностика факела ракетного двигателя при стендовой отработке основана на измерении спектра излучения факела двигателя в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, выделении в спектре линий химических элементов, уносимых с элементов конструкции двигателя или присутствующих в качестве загрязнений в топливе, внутри двигательных полостях и в стендовых системах, и оценки степени уноса и загрязнений. Спектральная оптическая диагностика позволяет работать в реальном масштабе времени, и может быть эффективно использована не только в системах диагностики, но и в системах аварийной защиты для предотвращения возгорания ракетного двигателя или развития интенсивных эрозионных процессов.
Известны оптические устройства и средства для непрерывного измерения концентрации различных веществ.
В патенте РФ №2352919 "УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ АТМОСФЕРЫ". Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве средства непрерывного измерения концентрации газов и пыли. Устройство содержит источник излучения оптических импульсов, спектроанализатор, оптоволоконный разветвитель, выносной датчик, содержащий корпус с расположенными в нем коллимирующим объективом и пучком оптических волокон, соединенным с одной стороны с оптическим волокном, а с другой стороны образующим оптоволоконный коллектор, расположенный в фокальной плоскости коллимирующего объектива, а также временной дискриминатор. При этом источник выполнен в виде быстродействующих полупроводниковых лазеров. Обработка передаваемых и получаемых электрических сигналов осуществляется контроллером. Выносной датчик размещен в исследуемом объеме производственной атмосферы, ограниченном стеной (препятствием). Техническим результатом является обеспечение возможности оптического контроля атмосферы в объеме производственного помещения и повышение достоверности измерений при сохранении их точности.
Недостатком данного устройства является требование дополнительной подсветки лазерами зондируемой области для проведения измерений и возможность проведения измерений только в областях спектра где излучают источники излучения оптических импульсов (полупроводниковые лазеры).
В патенте US №7202948 "ЛИЭС (лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия) - СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ФАКЕЛОМ ДВИГАТЕЛЯ" представлена система контроля примесей для диагностики состояния двигателей, которая включает лазер, генерирующий зондирующий луч, и оптику для фокусировки луча на факеле двигателя и создания в нем флуоресцирующей области. Также в состав системы входит спектроанализатор для регистрации спектра подсвеченной области факела и аппаратура для анализа получаемых данных, идентификации и подсчета количества примесей в объеме подсвеченной области. Предлагаемое устройство обеспечивает контроль технического состояния двигателя при помощи генерации лазерного луча, фокусировки лазерного луча на факеле двигателя и создания подсвечиваемой области, регистрацию излучения флуоресценции из подсвечиваемой области и анализ полученных данных для идентификации и определения количества примесей в объеме подсвеченной области.
Недостатком данного изобретения также является требование дополнительной подсветки лазерами зондируемой области для проведения измерений и возможность проведения измерений только в областях спектра, где излучают источники излучения оптических импульсов (полупроводниковые лазеры).
В патенте US №7061607 "СПЕКТРОМЕТР С ЗОНДОМ ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ" представлен спектрометр для двигателя и способ его использования. Компактный и прочный спектрометр позволяет проводить диагностику факела и может быть установлен на двигатель транспортного средства, например, космического челнока (space shuttle). При этом спектрометр может быть расположен так, чтобы избежать воздействия выхлопных газов и частиц на него. Зонд от спектрометра состоит из корпуса с апертурным отверстием и волоконно-оптического кабеля с наконечником. Наконечник волоконно-оптического кабеля закреплен в корпусе с апертурным отверстием так, что его оптическая ось составляет 87° с центральной осью симметрии двигателя. Зонд собирает оптическое излучение в телесном угле, и передает его на спектрометр.
К недостаткам данного изобретения относятся отсутствие возможности перестройки аппаратуры в широком спектральном диапазоне для проведения дополнительных исследований, к тому же расположение спектрометра рядом с двигателем приводит к ухудшению оптических характеристик из-за вибраций и ударов, возникающих при работе двигателя.
Перечисленные выше технические решения имеют свои недостатки и не могут в полной мере использоваться в устройстве спектральной оптической диагностики факела жидкостного ракетного двигателя, которое должно предоставлять возможность получать спектры излучения высокого качества и разрешать линии отдельных элементов.
Линии спектра излучения металлов, являющимися основными материалами, входящими в состав конструкции двигателя, находятся в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазоне спектра (от 250 до 800 нм). При этом чтобы разрешать отдельные линии требуется спектральная точность измерения не хуже 0,1 нм.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является разработка устройства спектральной оптической диагностики факела жидкостного ракетного двигателя позволяющего размещать аппаратуру в защищенном месте на расстоянии от места проведения испытаний, требующего минимум операций при подготовке к испытаниям и обладающего возможностью перестройки по длине волны и позволяющего вести регистрацию в нескольких диапазонах спектра.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве спектральной оптической диагностики факела жидкостного ракетного двигателя, содержащем независимый канал измерения, который включает в себя блок ввода излучения, волоконно-оптический кабель, коллиматорный блок, фотоприемный блок, монохроматор, блок управления и регистрации на базе персонального компьютера, блок ввода излучения выполнен в виде телескопического объектива с зеркальной оптикой, а в монохроматоре имеется механизм поворота дифракционной решетки. В качестве фотоприемного блока может быть использован прибор с зарядовой камерой (ПЗС - камера) с числом фоточувствительных элементов не менее 2000 пикселей. Кроме этого, устройство может быть дополнительно снабжено, по крайней мере, одним каналом измерения.
Одним из отличительных признаков устройства спектральной оптической диагностики факела жидкостного ракетного двигателя является то, что блок ввода излучения выполнен в виде телескопического объектива с зеркальной оптикой, к примеру, выполненного по схеме Кассегрена. Использование телескопической схемы позволяет собирать излучение с большой эффективностью на удаленном расстоянии до сотни метров от места проведения испытаний, а зеркальная оптика позволяет избежать хроматических аберраций и не проводить повторную юстировку при смене спектрального диапазона. Телескопический объектив для сбора излучения факела ЖРД и волоконно-оптический кабель для передачи излучения позволяют разместить чувствительную к механическим воздействиям часть аппаратуры (монохроматор с фотоприемным блоком) наиболее выгодным образом и улучшить оптические характеристики системы.
Наличие механизма поворота дифракционной решетки в монохроматоре позволяет изменять положение регистрируемого спектрального интервала и проводить измерения в разных участках оптического спектра.
Использование в качестве фотоприемного блока прибор с зарядовой связью (ПЗС-камера) с не менее чем 2000 фоточувствительных элементов (пикселей) позволяет осуществлять одновременную регистрацию линий излучения сразу нескольких элементов в интервале от 30 до 100 нм со спектральным разрешением от 0,02 до 0,05 нм. Для того, чтобы одновременно регистрировать с высоким разрешением спектр элементов, интенсивные линии излучения которых находятся в разных участках оптического диапазона (например, Cu 324,8/327,4; Ni 341,5/344,6/345,9/346,2/349,3/351,5/352,5; Fe 344,1/358,1/372,0/373,5 /373,7/388,6/404,6 и Mn 403,1/403,3/403,5), требуется использование одновременно, по крайнее мере, двух независимых каналов аппаратуры - каждый для своего интервала.
На Фигуре представлена структурная схема устройства спектральной оптической диагностики факела жидкостного ракетного двигателя.
Устройство спектральной оптической диагностики факела жидкостного ракетного двигателя состоит из блока ввода излучения (1), волоконно-оптического кабеля (2), коллиматорного блока (3), монохроматора (4), фотоприемного блока (5), блока управления и регистрации на базе персонального компьютера (6). Позиция 7 на Фиг. - сопло ЖРД, позиция 8 - наиболее высокотемпературная область факела ЖРД.
Устройство спектральной оптической диагностики факела жидкостного ракетного двигателя работает следующим образом: блок ввода излучения (1) собирает излучение от наиболее высокотемпературной области факела (8) сопла ЖРД (7) и фокусирует его на торце волоконно-оптического кабеля (2), волоконно-оптический кабель передает излучение к коллиматорному блоку (3). Коллиматорный блок предназначен для согласования числовых апертур волоконно-оптического кабеля и монохроматора (4) и обеспечения эффективного ввода излучения в монохроматор. Монохроматор раскладывает входящее оптическое излучение в спектр, создавая спектральные изображения входной щели в своей фокальной плоскости. В фокальной плоскости монохроматора расположен массив фоточувствительных элементов (линейка ПЗС-камеры) фотоприемного блока (5), который регистрирует оптическое излучение. Плата электроники фотоприемного блока считывает сигнал с фоточувствительного элемента, оцифровывает и передает данные в блок управления и регистрации на базе персонального компьютера (6). Блок управления и регистрации на базе персонального компьютера управляет работой фотоприемного блока (запускает процесс регистрации, задает время накопления полезного сигнала, считывает и сохраняет данные) и механизма поворота дифракционной решетки монохроматора (выбирает спектральный интервал).
В настоящее время изготовлен опытный образец данного устройства, состоящий из двух каналов, и испытан на стенде одного из предприятий ракетно-космической отрасли.