СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПРЕДАВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РДТТ ПРИ ОГНЕВЫХ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ
METHOD OF DIAGNOSTICS OF PRE-EMERGENCY MODES OF OPERATION OF DRY ROCKET ENGINES (DRE) IN HOLD DOWN TESTS

Изобретение относится к области ракетной и измерительной техники и может быть использовано для аварийного гашения ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) при отработке и наземных испытаниях.
При проведении огневых стендовых испытаний (ОСИ) крупногабаритных РДТТ актуальным является предотвращение его разрушения, которое сопровождается уничтожением испытательного оборудования и существенным повреждением конструкции огневого двора.
Известны способы диагностики двигателей, заключающиеся в регистрации физических сигналов (вибраций, колебаний давления, акустических шумов и т.п.) с последующей обработкой их путем спектрального Фурье-анализа (Волков В.Т., Ягодников Д.А. Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007, стр.110-144; 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).
Недостатком этих способов является выявление лишь частотных характеристик без одновременного фиксирования их временных свойств, что позволяет регистрировать их эволюцию во времени только интегральным, а не локальным способом. Это требует сбора информации за достаточно длинный интервал времени, что приводит к запаздыванию к выработке упреждающего воздействия.
Известен способ диагностики, заключающийся в сборе информации и ее обработке по вейвлетным алгоритмам для прогнозирования развития аварийного режима работы [А.П. Черный, Ю.В. Лашко, И.И. Киба, Е.В. Остапенко. Вейвлет-анализ предаварийных режимов синхронных двигателей для настройки их защит. Вiсник КДПУ iменi Михаила Остроградського. Випуск 4/2009 (52). Частина 1, стр.91-94].
Недостатком метода является незначительный запас времени (0,2 с) для принятия упреждающего воздействия, что вызвано низкой эффективностью выделения диагностического признака по анализу теневой картины коэффициентов вейвлет-преобразования.
Известен способ диагностики, заключающийся в регистрации пульсаций давления в газотурбинном двигателе, с последующим их преобразованием в вейвлет-коэффициенты различного уровня (масштаба), в сравнении среднеквадратических отклонений коэффициентов с данными, полученными во время предварительных испытаний, на основании чего делают вывод о приближении к опасному режиму работы (патент RU 2493549, опубл. 20.09.2013).
Естественным недостатком способа является необходимость набора необходимой большой статистики по предварительным запредельным испытаниям, что исключено при отработке натурных крупногабаритных РДТТ.
Известен, принятый за прототип, способ диагностики работы двигателя (патент RU 2154813, опубл. 20.08.2000), включающий измерение физического параметра во времени с помощью датчиков, регистрацию параметра в компьютерном блоке, преобразование параметра в вейвлет-коэффициенты, анализ дисперсии этих коэффициентов в разных масштабах, выработку суждения о неисправности в работе РДТТ по изменению дисперсии.
Известный способ позволяет обнаружить предвестники неисправности (помпажа) по результатам вейвлет-анализа данных от датчиков давления.
Но давление не может быть информативным признаком применительно к РДТТ, т.к. является интегральным показателем работы, сглаженным по всему объему камеры сгорания и не несущим информацию о локальных предвестниках неисправности.
Кроме того, в аварийной ситуации время нарастания давления до разрушительного составляет 0,4-0,5 сек, что недостаточно для принятия мер упреждающего воздействия.
К другому недостатку прототипа относится использование алгоритма дискретного (ортогонального) вейвлет-преобразования, при котором составляющие сигнала анализируется с дискретностью по частоте в два раза, что приводит к утрате время-частотной информации, лежащей в промежутках, снижению чувствительности способа и недостаточной его достоверности.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа диагностики предаварийных режимов работы РДТТ с расширенными эксплуатационными возможностями, позволяющего повысить надежность и достоверность диагностики при одновременном увеличении запаса времени для принятия упреждающего воздействия за счет создания условий, обеспечивающих возможность получения информации о локальных предвестниках неисправности и полного использования время-частотной информации.
Поставленная задача решается заявляемым способом диагностики предаварийных режимов работы РДТТ при огневых стендовых испытаниях, включающим измерение физического параметра во времени с помощью датчиков, регистрацию параметра в компьютерном блоке, преобразование параметра в вейвлет-коэффициенты, анализ дисперсии этих коэффициентов в разных масштабах, выработку суждения о неисправности в работе РДТТ по изменению дисперсии. Особенность заключается в том, что с помощью датчиков измеряют величину виброускорения, преобразуют полученные данные в вейвлет-коэффициенты по алгоритму непрерывного преобразования, определяют масштаб разложения, имеющий максимальную энергию вейвлет-коэффициентов, проводят анализ дисперсии коэффициентов на данном масштабе, при этом датчики размещают в точках корпуса РДТТ, информативных относительно продольных акустических колебаний, а измерительные оси датчиков ориентируют по продольной оси РДТТ.
Из уровня техники неизвестно техническое решение поставленной задачи, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков.
В заявляемом способе, в отличие от прототипа, использована иная физическая основа возникновения предвестников неисправности. В прототипе такой основой является резкий рост давления, вызванного появлением вращающегося срыва на лопатках компрессора, что влечет за собой уменьшение дисперсии вейвлетных коэффициентов. Именно это является предвестником помпажа и возможного разрушения газотурбинного двигателя. Основой предлагаемого способа является использование в качестве диагностического признака вибрации в точках корпуса, информативных относительно продольных акустических колебаний в РДТТ. Это можно пояснить следующим образом.
Известно, что при работе РДТТ в камере сгорания возникают акустические колебания, амплитуда которых может достигать значительных величин (до 3% от среднего давления) (Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1987. - С.143-147).
Для сравнительно длинных камер (длина которых более чем в два раза превышает радиус) наиболее низкая частота соответствует основной продольной моде колебаний, выражение для основной частоты имеет вид
где с - скорость звука, L - длина камеры.
Известно, что при продольных низкочастотных колебаниях, соответствующих первой собственной резонансной частоте камеры РДТТ, пучность (максимальная амплитуда акустического давления) расположена в средней части корпуса (между силовыми бандажами, крепящими корпус к силовому полу стенда) и в зоне передней крышки двигателя, а энергия колебаний в этих участках имеет максимальное значение. При возникновении аномалий в работе двигателя (разрушение заряда, попадание в сопловой блок его фрагментов или фрагментов теплозащитного покрытия) пучность в указанных частях падает, дисперсия вейвлетных коэффициентов на масштабе с максимальной энергией от вибродатчиков, ориентированных по продольной оси двигателя, снижается, что и является диагностическим признаком способа.
Предлагаемый способ позволяет заблаговременно обнаружить предвестник аномалии в работе РДТТ примерно за 1,2-1,75 сек, что недостижимо другими методами.
Общее пояснение
Подробное рассмотрение основ вейвлет-анализа и способы его алгоритмической реализации представлено в [Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло. Вейвлеты и их применение // Успехи физических наук. - 2001. - №5, с.465-501]. При дискретном преобразовании строятся и используются строго ортогональные базисы, что позволяет точно преобразовывать и восстанавливать сигнал. Этим объясняется их широкое использование для хранения и передачи информации, сжатия изображений и т.п. Однако требование строгой ортогональности и ограниченности резко сужает множество функций, которые можно использовать в качестве вейвлетного базиса.
Непрерывное преобразование не столь требовательно к используемым базисным функциям, допуская их достаточно большую протяженность и не строгую ортонормированность, что значительно расширяет их возможный набор, позволяя достичь большей гибкости при анализе сигнала, приводит к более наглядным результатам, нежели при использовании дискретного базиса. Именно возможность использования достаточно произвольной функции позволяет подобрать ее такой, чтобы существенно повысить эффективность обработки данных, увеличить точность определения параметров обрабатываемого сигнала, например, путем адаптации формы вейвлета к форме сигнала.
Кроме того, возможность выбора наиболее информативного (заранее рассчитанного) масштаба разложения позволяет уменьшить время обработки и сконцентрировать внимание на выявлении локальных характеристик сигнала. Наконец при использовании комплексных вейвлетов появляется возможность проведения фазового анализа сигнала, который в ряде случаев оказывается более чувствительным, чем амплитудный. Именно эти свойства используются в ряде областей техники, медицины, где те или иные вейвлет-коэффициенты имеют диагностическую ценность.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
Предварительно вибродатчики, например типа АНС-114, с ориентацией измерительной оси вдоль продольной оси двигателя устанавливают на корпусе в заранее определенных узлах пучности акустического давления. Измеряют значения виброускорения и передают результаты измерения в компьютерный блок. Проводят непрерывное вейвлет-преобразование пошагово с назначенным интервалом и определяют масштаб (частоту) преобразования, на котором энергия вейвлет-коэффициентов имеет максимальное значение. В конце каждого интервала проводят расчет дисперсии коэффициентов на указанном масштабе и по их значительному падению делают вывод о наступлении предаварийного режима работы.
Заявляемый способ иллюстрируется примерами анализа результатов аварийных огневых испытаний. На фиг.1-3 показаны окна разработанной авторами программы Qwavelet 1.0 на завершающем этапе расчета дисперсии. Основные элементы вейвлет-преобразования реализованы в соответствии с [Torrence С., Combo G.P. A Practical Guide to Wavelet Analysis // Bulletin of the American Meteorological Society. - 1998. - №1. - Vol.79. - P.61-78].
Пример 1. Крупногабаритный РДТТ диаметром около 2 м и длиной камеры сгорания около 4 м. По формуле (1) при скорости звука около 1000 м/с основная частота колебаний составляет около 125 Гц. Датчик с ориентацией измерительной оси вдоль продольной оси двигателя установлен на передней крышке. Частота дискретизации 20000 Гц.
На этапе «преобразование» происходит вычисление вейвлетных коэффициентов.
На этапе «подробности» определяется масштаб разложения, имеющий максимальную энергию коэффициентов. Так при длительности исходного сигнала 100000 отсчетов (что соответствует 5 сек) и использовании комплексного вейвлета Morlet анализируется 125 масштабов, из которых максимальную энергию несет масштаб j=51. Этот масштаб соответствует частоте Fr[51]=116,631 Гц, что практически совпадает с рассчитанной выше частотой колебаний.
На фиг.1 (этап «Инструменты») приведена дисперсия вейвлетных коэффициентов (ось y) от времени (ось x). Основное деление по оси x в 20000 отсчетов соответствует 1 сек. Ширина окна (интервал расчета дисперсии) 8000 отсчетов соответствует 0,4 сек, сдвиг окна 20 отсчетов. Изменение дисперсии от точки максимума (65000) до точки катастрофического роста вибрации и давления (99800) длится порядка 1,75 сек. Это время и заметное падение дисперсии (около 40%) служат предвестником этого роста и достаточны для надежной диагностики.
Фиг.2 иллюстрирует результаты от датчика, установленного на цилиндрической части корпуса при тех же условиях регистрации и обработки. Изменение дисперсии длится 1,25 сек, а падение также составляет около 40%. Аналогичные зависимости получены от датчиков на неподвижном корпусе поворотного управляющего сопла.
Пример 2 (фиг.3). РДТТ диаметром около 1 м и длиной камеры сгорания около 3 м с ожидаемой частотой колебаний 160 Гц. Датчик установлен на выходном блоке вдоль оси двигателя. Частота дискретизации 25000 Гц. Аналогично предыдущему примеру предвестником аварии уменьшение дисперсии примерно на 50%. Длительность предвестника около 1,5 сек.
Во всех приведенных примерах длительность предвестника значительно превышает время анализа на компьютере (около 0,2 сек), поэтому возможна выработка соответствующего упреждающего воздействия, например подача команды на узел отсечки тяги. Изменения в фазовых характеристиках сигналов использовались для дополнительного контроля появления предвестников.
Следует отметить, что использование датчиков с другими ориентациями измерительных осей указанного эффекта не обнаруживает. Эффект также отсутствует при обработке данных от датчиков давления.
Таким образом, заявляемое техническое решение практически реализуемо и позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.