Способ определения скорости горения образца твердого ракетного топлива
METHOD FOR DETERMINATION OF SOLID ROCKET PROPELLANT SAMPLE COMBUSTION RATE

Изобретение относится к области измерения основных внутрибаллистических характеристик в камере сгорания с использованием текущих значений толщины свода горящего образца.
Известно, что обеспечение заданных характеристик твердотопливных энергетических установок (давление, газоприход) определяется величиной свода, сгорающего в единицу времени. Скорость горения, рассчитанная по изменению величины свода, является одной из основных характеристик твердого ракетного топлива (ТРТ).
Современное состояние теории горения не позволяет определять скорость горения для конкретного состава топлива расчетным путем с практически приемлемой точностью. Поэтому основным источником информации остаются экспериментальные результаты, полученные на образцах в приборах (бомбах) постоянного давления.
Известны различные способы определения скорости горения образцов твердого топлива. Контактный метод основан на фиксации моментов времени пережигания закладных элементов (проволочек), установленных на фиксированной толщине образца, горящего в бомбе. Принципиальным недостатком метода является определение средней (интегральной) скорости горения по всей толщине и необходимость доработки образцов.
Известны бесконтактные способы определения скорости горения, основанные на применении проникающих излучений, к которым относятся радиационный и ультразвуковой способы (Жарков А.С, Потапов М.Г., Демидов Г.А. Стендовые испытания энергетических установок на твердом топливе: Учебное пособие. - Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001, стр. 182-213).
В бесконтактных способах требуемую информацию получают, используя данные измерения какого-либо параметра взаимодействия электромагнитных или акустических волн с измеряемым сводом образца, и путем последующего расчета. Способы реализуют с помощью установок (приборов), содержащих два основных блока, один из которых обеспечивает преобразование электрической энергии в требуемый тип волн и их направленное излучение, а другой - их прием после взаимодействия с образцом и измерение информативного параметра.
Недостатком перечисленных способов является необходимость использования специально созданного оборудования для генерации требуемого типа зондирующих волн и их направленного излучения. Наличие в этом оборудовании токонесущих частей, находящихся под высоким напряжением, ограничивает, а иногда делает невозможным реализацию с его помощью указанных способов при испытаниях взрывопожароопасных образцов. Использование радиоизотопных источников излучения исключено из-за возможности разрушения камеры сгорания и радиационного заражения испытательного стенда. Общим недостатком перечисленных методов является высокая погрешность определения величины текущего свода образца.
Известны способы определения скорости горения ТРТ с использованием микроволнового метода (Зарко В.Е., Вдовин Д.В., Перов B.В. Методические проблемы измерения скорости горения твердых топлив с использованием СВЧ-излучения. Физика горения и взрыва. - 2000. - №1. - C. 68-78). В известных способах скорость горения определяют по интерферограмме сигналов падающей и отраженной СВЧ-волн от поверхности горения образца ТРТ.
Экспериментально установлено, что выходной сигнал датчика характеризуется высоким уровнем шумов, изменением амплитуды колебаний, нестабильностью уровня условного нуля. В результате возникает методическая погрешность, которая проявляется как погрешность определения временных интервалов, достигающая 4-6%.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, является способ определения скорости горения образцов заряда торцевого горения, основанный на использовании эффекта Допплера (А.С. Жарков и др. Применение микроволнового метода для измерения скорости горения высокоэнергетических композиционных материалов. Физика горения и взрыва. - 2000. - №1. - С. 79-82), включающий регистрацию СВЧ-датчиком изменения во времени сигнала низкочастотных колебаний, возникающих в результате смешения на детекторе-смесителе опорного СВЧ-колебания, излучаемого генератором, и СВЧ-колебания, отраженного перемещающейся поверхностью горения образца, регистрацию сигнала в компьютерном блоке, вейвлетную фильтрацию сигнала, определение скорости горения расчетным путем.
В данном способе при движении фронта горения, вследствие непрерывного изменения фазы отраженной радиоволны, выходной сигнал датчика скорости изменяется по синусоидальному закону. По периоду колебаний рассчитывают скорость движения фронта горения
где λ - длина волны радиоизлучения опорного генератора,
β - показатель преломления материала образца,
i
Δt - период колебаний на осциллограмме сигнала приемника.
Недостатком прототипа является сложность определения информативного участка сигнала для образцов, не имеющих сигнализаторов начала и конца процесса, которая заключается в том, что трудно выделить полезный сигнал на фоне помех в начале процесса.
На фиг. 1 представлена осцилограмма исходного сигнала с высоким уровнем шума и произвольной линией тренда. Степень влияния тренда зависит от его вида и может даже изменить число зарегистрированных периодов колебаний сигнала. Поэтому важным этапом является предварительная фильтрация сигнала, особенно в случае низкого отношения сигнал/шум. Оптимальный метод должен минимизировать среднеквадратическую ошибку без появления в обработанном сигнале дополнительных частотных компонент.
В прототипе для фильтрации микроволнового сигнала используют МНАТ-вейвлет (дословный перевод «мексиканская шляпа»), который записывается выражением
где t - время.
Данный вейвлет имеет только действительную часть, поэтому при его использовании погрешность определения периодов колебаний по экстремумам осциллограммы не превышает 4%, однако, прототип не обеспечивает выделение сигнала в начале процесса горения.
Задачей заявляемого технического решения является дополнительное повышение точности определения скорости горения образца ТРТ за счет расширения контролируемого временного диапазона горения путем выделения сигнала в начале процесса горения.
Задача решается заявленным способом определения скорости горения, включающим регистрацию СВЧ-датчиком изменения во времени сигнала низкочастотных колебаний, возникающих в результате смешения на детекторе-смесителе опорного СВЧ-колебания, излучаемого генератором, и СВЧ-колебания, отраженного перемещающейся поверхностью горения образца, регистрацию сигнала в компьютерном блоке, вейвлетную фильтрацию сигнала, определение скорости горения расчетным путем. Особенность заключается в том, что фильтрацию сигнала осуществляют комплексным вейвлет-преобразованием сигнала, выделяют действительную и мнимую части сигнала, определяют фазу сигнала как арктангенс отношения мнимой части к действительной, затем определяют масштаб вейвлет-преобразования со скачком фазовой характеристики, по времени появления которого судят о моменте начала процесса горения и рассчитывают скорость, начиная с указанного момента.
Предлагаемый способ опробован при испытании образца ТРТ торцевого горения диаметром 36 мм и длиной 150 мм, защищенного от распространения пламени по боковой поверхности, при начальной температуре 293 К. Образец поджигают снизу, зондирующее излучение от датчика СВЧ подают сверху. Измерительная система работает на частоте 37,5 ГГц.
th
Для воплощения заявляемого способа может быть использован, например, комплекс технических средств, описанный в работе (Лушев В.П., Воторопин С.Д., Дерябин Ю.Н., Жаринов Ю.Б., Потапов М.Г., Автодинные СВЧ датчики перемещения для измерения скорости горения высокоэнергетических композиционных материалов, 15 Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2005), Sevastopol, Crimea, Ukraine, p. 831-833, 12-16 September, 2005) или любой другой комплекс с аналогичными характеристиками.
Излучение от приемопередающей антенны проходит через образец, отражается от поверхности горения и поступает на приемный детектор-смеситель. В результате получают сигнал, аналогичный прототипу, осцилограмма которого представлена на фиг. 1.
Заявляемый способ подтверждается примером анализа результатов испытания образца ТРТ.
Пример. В соответствии с методикой обработки для расчета скорости горения необходима точная локализация момента начала горения. Момент начала горения сопровождается деформацией образца, что отражается в виде скачка фазы сигнала на осцилограмме.
Для извлечения информации о фазе сигнала был использован комплексный вейвлет Morlet:
где i - мнимая единица,
ω - безразмерная частота,
t - время.
На фиг. 2 представлено окно разработанной программы для обработки (анализа) результатов испытаний.
Графики Real и Imagine на фиг. 2 иллюстрируют уменьшение погрешности определения периодов колебаний по экстремумам осциллограммы. График Phase иллюстрирует полученную фазовую характеристику, которая на одном из масштабов разложения (масштаб 31 на фиг. 2) позволяет локализовать момент начала горения.
Таким образом, заявляемое техническое решение практически реализуемо, позволяет снизить погрешность временной локализации начала процесса горения и экстремумов осциллограммы до 2% и решить поставленную задачу.