Контроль и диагностика акустических нагрузок в ракетно-космической и специальной технике

УДК 531.082.73; 621.3.083

Харлан А.А.

Контроль и диагностика акустических нагрузок в ракетно-космической и

специальной технике

Статья посвящена проблеме измерения акустических нагрузок в изделиях и системах ракетно-космической и военной техники. Проведен обзор и анализ датчиков, используемых для измерения акустических давлений и пульсаций давлений. Приведены фирмы-изготовители датчиков.

Изделия и системы ракетно-космической (РКТ) и военной техники (ВТ) при штатной эксплуатации подвержены воздействию значительных силовых и температурных нагрузок, величина и характер которых совершенно не характерен для других отраслей науки и техники. К таким силовым факторам относятся и акустические нагрузки, возникающие на всех этапах траектории полета ракет-носителей, боевых самолетов и спускаемых космических аппаратов, огневых испытаниях ракетных и авиационных двигателей.

В частности, измерение акустических нагрузок, возникающих под действием пульсаций давления в жидких средах и газах, является весьма актуальной задачей во многих отраслях науки, техники, обороны. Особенно актуальна она, кроме РКТ, в авиации и ВТ, где воздействие акустических нагрузок может привести к фатальным последствиям и к разрушению конструкций изделий и измерительной аппаратуры.

Кроме того, акустическим испытаниям в обязательном порядке подвергается аппаратура и системы, устанавливаемые в РКТ, боевых вертолетах, самолетах, на кораблях и бронетанковой технике, так как в боевых условиях возможны очень высокие уровни акустических воздействий, которые возникают при пусках ракет, залповом огне, переходе звукового барьера.

О значимости датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА), в том числе измеряющих акустические нагрузки, напомнил академик РАН, директор ЦНИИМАШ Анфимов Н.А. [1]:

«....во-первых, такая аппаратура применяется на изделиях различных типов и в различных условиях:

- на серийных изделиях при штатной эксплуатации;

- на изделиях, проходящих ЛКИ;

- на опытных изделиях, макетах и агрегатах, проходящих наземную экспериментальную отработку;

- на макетах, образцах и моделях в ходе выполнения НИОКР.

Во-вторых, ДПА на натурных изделиях может применяться с различными

функциональными целями:

- использоваться в САУ для достижения требуемой точности реализации

траектории полета, для достижения максимальной эффективности

расходования топлива и других ресурсов;

- использоваться для диагностики состояния изделия и предотвращения нештатных ситуаций и т.д. и т.п.

Наиболее остро в РКТ здесь стоит вопрос об измерении температур на

элементах конструкции, давлений газа и их пульсаций, виброперегрузок, так как статистика свидетельствует о том, что половина аварий средств выведения связана с двигательными установками...».

Следует отметить, что величина и динамика акустических нагрузок, действующих на различных стадиях траектории и в разных точках изделия может различаться на порядок. Поэтому для учета возможных акустических нагрузок на всех этапах разработки РКТ и ВТ проводится их расчет и моделирование. Следует отметить, что теоретический расчет и моделирование акустических полей и полей пульсаций давления сильно осложнен ввиду их нестационарного характера и значительных градиентов. Существующие в аэродинамике методы расчеты таких полей дают большую погрешность, поэтому основным методом их определения является экспериментальное измерение с помощью акустических датчиков (АД).

При стендовой отработке ракет и летательных аппаратов (ЛА), именно на акустические испытания, которые проводятся на моделях в аэро-и газодинамических трубах, приходится наибольший объем испытаний. При этом основными параметрами, измеряемыми в процессе проведения испытаний, являются акустические давления и пульсации давления. Датчики

устанавливаются или на моделях изделий РКТ и ЛА при стендовых испытаниях, или на самих изделиях при их летно-конструкторских испытаниях [2].

Кроме того, в обязательном порядке исследования акустических полей проводятся при стендовой и полигонной отработке систем залпового огня, шахтных пусковых установок, мобильных ракетных комплексов и т.д.

В качестве примера распространенности измерения и контроля давления в сложных изделий РКТ, на рис. 1 указаны типы ДПА используемой в системах и агрегатах ракеты-носителя типа «Протон» и измеряемые физические параметры. Из рис. 1 видно, что АД используются для измерения акустических шумов, а также внутреннего и наружного акустических давлений.

Для измерений акустических нагрузок в жестких условиях эксплуатации, которые характерны для РКТ и ВТ, наиболее предпочтительными являются пьезоэлектрические АД [3], а для контроля высокочастотных процессов и наличии ограничений по массогабаритным характеристикам, наиболее подходят полупроводниковые датчики.

Однако известные АД имеют ряд существенных недостатков, которые не позволяют использовать их в ряде перспективных изделий РКТ и ВТ. К таким недостаткам можно отнести [4]:

1. Невысокая точность измерения, составляющая в лучшем случае (для пьезоэлектрических 8.10%, а для полупроводниковых 4.5%);

2. Высокая неравномерность АЧХ;

3. Значительные габариты и вес (для пьезоэлектрических);

4. Достаточно высокая виброчувствительность (для пьезоэлектрических);

5. Трудность стыковки с современными телеметрическими и диагностическими бортовыми и наземными системами.

6. Недостаточные функциональные возможности.

Головной обтекатель 9 типов

Приборно-агрегатный отсек 56 типов

ьак кислорода 7 типов

ьак сжиженного природного газа 12 типов

Межступенчатый отсек 7 типов

Маршевый двигатель 67 типов

Баки кислорода 7 типов

ьаки сжиженного природного газа 19 типов

Маршевые двигатели 62 типов

Типы датчиков:

Перегрузки линейной Расходов массового и объемного

Скорости линейной Скорости угловой

Высоты барометрической Линейных перемещений

Угловых перемещений Углов положения

Угловых скоростей Перегрузок

Углов отклонения Абсолютного давления

Разности давлений Избыточного давления

Перепадов давлений Статических давлений

Пульсаций давления Давлений газовой и жидкой сред

Сил Усилия на тяге

Хода штока тяги Частоты вращения ротора

Оборотов Моментов

Контроля теплоизоляции Ударных перегрузок

Механических напряжений Температур поверхности

Температуры жидкостей и газов Сигнализатор наличия пламени

Вибрации Ударного нагружения

Акустических шумов Пульсаций давления газовой и жидкой сред

Напряжения Тока

Частоты Уровня радиации

Уровней объемов Дистанционный указатель

Детонации Времени

Грозозащиты Светового потока

Концентрации Напряженности поля

Кислорода Водорода

Датчик вектора тяги Расстыковки

Внутреннее акустическое давление Наружное акустическое давление

Всего более 300 типов датчиков, количество ДПА: более 700 шт. для штатной

эксплуатации, более 900 шт для стендовой и летной отработки

СТАРТОВЫЙ КОМПЛЕКС

Система термостатирования и наддува гелия 2 типа

Система заправки сжатым азотом азотом и воздухом 5 типов

Система заправки окислителем 9 типов

Система заправки горючим 7 типов

Система опоры и стыковки электро - и Система дежурного наддува

пневморазъемов бака

4 типа 3 типа

Рисунок 1-Типы ДПА, используемой в системах и комплексах РКТ

Это обусловлено тем, что пьезочувствительные элементы (ПЧЭ) известных датчиков имеют недостаточную чувствительность, достаточно высокую погрешность измерения, вызванную разбросом характеристик пьезокерамики и размеров самого ПЧЭ. При этом используемый на практике конструктивный метод компенсации вибраций с помощью дополнительного ПЧЭ не позволяет обеспечить идентичности влияния вибрации на рабочий и компенсационный ПЧЭ. Кроме того, из-за недостатков обусловленных отсутствием стабильных усилителей заряда и изменением электрофизических характеристик электронных компонентов, происходит дрейф выходных сигналов АД, что также приводит к снижению их метрологической надежности.

Новые АД необходимы для создаваемой в настоящее время ракетнокосмической системы «Ангара». Новые АД предполагается устанавливать, как в составе наземного стартового комплекса (Байтерек-Байконур и Плесецк), так и на борту ракет-носителей-рис. 2.

Ввиду недостатка, а в иных случаях и отсутствия на Российском рынке новой ДПА отечественного производства с необходимыми техническими характеристиками, был проведен анализ рынка акустических датчиков. Кратко изложим результаты исследования.

Обзор и анализ продукции фирм-изготовителей АД, показал, что для нужд РКТ, авиации и обороны АД поставляют лишь ограниченное числом фирм и организаций. За рубежом такими фирмами являются [5]:

- Drucr GE (Великобритания);

- Kulite semiconductor Products, Inc. (США);

- Honeywell Inc. (США);

- Endevco (США);

- Kistler (Швейцария);

Из российских компаний ДАД для аналогичных нужд поставляют фактически три организации:

- ОАО «НИИ физических измерений» г. Пенза;

- ЛИИ г. Жуковский (Московская область);

- НКТБ «Пьезоприбор» г. Ростов на Дону.

При этом ОАО НИИФИ поставляет АД двух типов-пьезоэлектрические и пьезорезистивные, а ЛИИ только пьезорезистивные для собственных нужд.

Следует отметить, что на российском рынке АД наряду с крайне ограниченным числом фирм-производителей акустических датчиков

присутствует огромное число фирм-посредников, которые торгуют датчиками, как известных иностранных фирм, так и теми, качество продукции которых вызывает сомнение. Кроме того, использование датчиков иностранного производства не исключает возможного несанкционированного съема или повреждения измерительной информации, поступающей с интеллектуальных датчиков (так называемые закладки). Наличие таких закладок, с одной стороны, проверить очень трудно, так как, как правило, датчики неремонтопригодны, а, с другой стороны, использование не проверенных датчиков, особенно в системах контроля и управления агрегатами и узлами РКТ чревато созданием аварийных ситуаций на различных участках траектории РН.

Рисунок 2-Внешний вид семейства ракет-носителей «Ангара»

Как показали исследования, большинство фирм-изготовителей АД, занимается созданием пьезорезистивных датчиков, что связано с возможностью освоения таких датчиков на технологических линейках по производству микросхем.

Отметим некоторые особенности датчиков, изготавливаемых передовыми приборостроительными фирмами [6, 7].

Датчики давления фирмы «Kulite» (США) имеют рабочий диапазон температур и отличаются высокими метрологическими характеристиками

(основная погрешность до 0,1%). Недостатком этих датчиков является низкий частотный диапазон. Элементы настройки в сверхминиатюрных датчиках давления располагаются на печатной плате в кабельной перемычке.

Датчики фирмы «Honeywell» (США) работают в диапазоне температур от -55 до +225оС. При этом погрешность измерения составляет 2% (в компенсированном диапазоне не более 1%).

У датчиков давления фирмы «Kulite» (США) рабочий диапазон температур в основном от -54 до +100оС (для датчиков давления общего назначения) и до 200оС для датчиков специального назначения (для миниатюрных датчиков давления). Основная погрешность датчиков до 0,2%. Элементы настройки в сверхминиатюрных датчиках давления располагаются на печатной плате вне корпуса датчика, что является их особенностью.

Датчики давления «Druck» (Англия) имеют следующие характеристики: диапазон измерения давления от 0,035 до 70 МПа, температурный диапазон от -40 до +80оС, эксплуатационная погрешность не более 0,2% [19].

Фирма «Bruel&Kjaer» является мировым лидером в производстве конденсаторных измерительных микрофонов, генераторов, усилителей, пульсаторов, акустических камер, вибростендов и другой аппаратуры, предназначенной для лабораторных измерений, поверки и аттестации акустической аппаратуры, в том числе и датчиков. Следует отметить, что аппаратура фирмы дорогая, предназначена в основном для лабораторных измерений, а микрофоны имеют узкий частотный диапазон и малую параметрическую устойчивость к внешним факторам.

В России в первую очередь следует отметить АД, разработанные и выпускаемые в ОАО «НИИФИ» [7, 8]. Такими датчиками комплектуются ракеты-носители, наземная инфраструктура, испытательная база.

К сожалению, необходимо констатировать, что испытательная база большинства предприятий РКТ и авиационных отраслей имеем значительный моральный и физический износ и требует безотлагательной модернизации.

Так, например, стенд вибропрочностных испытаний РН «Ангара» в НПО «ЦНИИМАШ» [1] оснащен морально устаревшими датчиками:

- датчик давления тензометрический ЛХ-412 ЛХ-415, выпуска 1980 г.;

- датчик аэрогазодинамических давлений ДДЭ 073;074 ДДЭ 116 выпуска 1985 г.;

- индуктивный датчик давления ДДИ-10 выпуска 1970 г.;

- индуктивный датчик давления ДДИ-20 выпуска 1980 г.;

- датчик давления пьезоэлектрический Т 2000 выпуска 1994 г.

Кроме того, используются датчики давления 85105 фирмы «Bruel & Kjwr», которые отличаются очень высокой ценой и не слишком высокой механической прочностью и требует очень бережного обращения.

Поэтому чрезвычайно актуальной задачей является оснащение предприятий РКТ отечественной ДПА нового поколения, которые совместимы с системами управления, контроля и диагностики [9].

Выводы

АД, полностью удовлетворяющие совокупности необходимых

требований потребителей РКТ и ВВТ, отсутствуют;

задача создания многофункциональных высокостабильных АД весьма актуальна;

чрезвычайно перспективным направлением улучшения технических характеристик АД является интеллектуализация процесса приема,

преобразования, обработки и передачи измерительной информации путем использования микропроцессорной элементной базы и прикладных программ.

Библиография

1. Анфимов Н.А. Роль головных НИИ ракетно-космической отрасли в планировании и реализации приоритетных НИОКР при формировании и исполнении государственного оборонного заказа /Н.А.Анфимов //Сборник трудов ВНПК «Создание и развитие датчиков для систем измерения, управления и диагностики» Москва. 2006 - С. 15-19.

2. Харлан А.А. Методы исследования характеристик акустических датчиков /А.А. Харлан, П.Г. Михайлов, В.П. Михайлова //Современные информационные технологии: Труды МНТК. Выпуск 6.- Пенза: ПГТА. 2008 -С. 56-61.

3. Шарапов В.М. Пьезоэлектрические датчики /В.М. Шарапов, М.П. Мусенко, Е.В. Шарапова //М.: Техносфера, 2006 - 632с.

4. Харлан А.А. Состояние и перспективы развития датчиков акустических давлений /А.А. Харлан, П.Г. Михайлов //Информационно-управляющие и измерительные системы: Материалы НТК - Королев: ФГУП НПО «ИТ». 2007 -С. 58.

5. Проспекты и каталоги фирм: «Drucr», «PCB», «Kistler Instruments, AG», «Motorolla», «AVL», «Kulite», «Endevko», «Honeywell», «Bruel&Kjaer», «Entran».

6. Коростелев О. В. Датчики быстропеременных и импульсных давлений ЦНТИ /О. В.Коростелев, В. Р. Щигель-Ермолов //«Поиск» серия IV. 1986 - 98с.

7. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник в 3 томах / Под общ. ред. Ю.Н. Коптева. М.: ИПРЖР, Т.1 (кн.2). 1998. - 512с.

8. Датчики. Преобразователи. Системы: Каталог.- Пенза: ФГУП «НИИ физических измерений», 2005.

9. Харлан А.А. Многофункциональные пьезоэлектрические датчики для ракетно-космической техники /А.А. Харлан, П.Г. Михайлов //Авиакосмическое приборостроение, 2008. - №8 - С. 2-5.

Harlan A.A.

Monitoring and diagnosis of acoustic loads in rocket and space technology and

special equipment

Abstract

The article deals with the measurement of acoustic pressures in products and systems, rocket and space, and military technology . A review and analysis of sensors used to measure the acoustic pressure and pressure fluctuations. Listed firms, manufacturers of sensors.

Keywords: Acoustics. Sensor. Pressure. Ripple. Rocket and Space Technology. Sensing element. Military equipment.