CC BY
6
Chabanenko Alexander Valerievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) «Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation»
УДК 543.42
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-80-85
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АВИАЦИОННЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Г.А. Костин, Т.А. Черняк, Е.Е. Майоров, В.В. Курлов, И.С. Таюрская
В работе представлено исследование оптических свойств авиационных гидравлических жидкостей методом оптической спектроскопии. Работа перспективна и актуальна, так как дополнение оптическими параметрами авиационных гидравлических жидкостей помимо физико-химических свойств важно для авиационного приборостроения. Определены объекты и метод исследований. Представлен внешний вид и оптическая схема спектрометра, работающего в диапазоне длин волн от 185 нм до 3300 нм., а также даны технические характеристики прибора. В работе получены спектры оптического пропускания гидравлических жидкостей НГЖ-5у российского производства и импортного Exxon hyjet iv-a+, Skydrol 500B-4, измеренные спектрофотометром в диапазоне длин волн Х=200...1100 нм.
Ключевые слова: авиационные гидравлические жидкости, летательный аппарат, гражданская авиация, спектрометр, спектр, коэффициент пропускания.
В современных условиях гражданская авиация России постепенно обновляет свой парк летательных аппаратов [1]. Новые образцы воздушных судов имеют существенные отличия от своих предшественников (современные летно-технические характеристики) [2]. Измененные двигателя, корпуса и другие жизненно важные системы, одна из таких систем - авиационная гидравлическая система [3].
Для летательного аппарата важным вопросом является выбор необходимой гидравлической жидкости (ГЖ) для гидравлической системы (ГС) конкретного самолета на основании технических требований к нему [4]. ГЖ служит для передачи энергии от её источника к местам потребления с минимальными потерями энергии, компенсируя развиваемое усилие или момент [5]. В аэропортах технические службы используют различные ГЖ, которые основаны на фос-форно органических эфирах для снижения пожарной безопасности, взрывобезопасности, большей стабильности физико-химическим характеристикам при эксплуатации и хранения, а также более длительному ресурсу [6].
Спектральные методы широко применяются для исследования веществ различного агрегатного состояния [7, 8]. Эти методы связаны с процессами поглощения или испускания электромагнитного излучения в результате переходов между квантовыми энергетическими уровнями [9, 10]. Методы оптической спектроскопии доступны в приборном обеспечении, очень просты для получения необходимой информации, легки в интерпретации данных [11, 12].
Анализ литературных данных показал, что в доступной научно-технической литературе какие-либо данные по оптическим свойствам ГЖ практически отсутствуют, а если приведены, то представляют оценочный характер [13-16].
80
Поэтому представляет интерес исследование ГЖ методом оптической спектроскопии.
Целью работы явилось исследование оптических свойств авиационных гидравлических жидкостей методом оптической спектроскопии.
Постановка задачи. В работе необходимо исследовать образцы проб авиационных гидравлических жидкостей на автоматизированном спектрофотометре UV-3600i компании Shimadzu.
Объект и метод исследования. В качестве образцов исследования были взяты пробы авиационных гидравлических жидкостей марок НГЖ-5у российского производства и импортного Exxon HyJet IV-A+ и Skydrol 500B-4.
НГЖ-5у - синтетическая взрывопожаробезопасная, эрозионностойкая жидкость на основе смеси эфиров фосфорной кислоты, содержащая пакет присадок, улучшающих вязкостные, антиокислительные, антигидролизные, антикоррозионные и антиэрозионные свойства. Используют в гидросистемах самолетов ИЛ-86, ИЛ-96, ТУ-204 и др. Температурный интервал использования жидкости НГЖ-5у составляет -60...+ 150 °С при номинальных давлениях до 21 МПа. Жидкость имеет температуру самовоспламенения 595-630 °С, медленно горит в пламени, не поддерживает горения и не распространяет пламя. Авиационное масло НГЖ-5у полностью совмещается с жидкостями НГЖ-4 и НПК-4у.
Exxon HyJet IV-A+ - высококачественная, огнестойкая гидравлическая жидкость на основе фосфатных эфиров, для использования в гражданской авиации. Применяется электрогидравлических системах управлении паровыми турбинами и в других гидравлических, а также смазочных системах, для которых необходимо использование огнестойких жидкостей.
Гидравлические жидкости Skydrol на основе эфиров фосфорной кислоты (Solutia Europe S.A.) эксплуатируются в авиационных системах. Эти жидкости обладают высокой термической стабильностью, позволяют увеличить безопасность и выносливость гидросистем самолетов. Skydrol 500B-4 совместима ГЖ российского производства (по данным ЦИАМ российский аналог НЖГ-5у).
Образцы проб были предоставлены одним из российских нефтеперерабатывающих заводов.
Для проведения экспериментальных исследований применялся автоматизированный спектрометр «UV-3600i» компании Shimadzu. Внешний вид прибора представлен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид спектрометра UV-3600i
UV-3600i - спектрометр предназначен для анализа оптических свойств жидкофазных и твердофазных сред, а также мелкодисперсных веществ. Прибор имеет изменяемую ширину щели, двойной монохроматор, что дает возможность уменьшать уровень рассеянного излучения. В оптической схеме спектрометра присутствует фотоэлектронный умножитель для работы в ультрафиолетовой и видимой области спектра (полупроводниковый InGaAs) и охлаждаемый PbS детектор для работы в ближнем ИК-диапазоне. Данный прибор имеет широкий фотометрический диапазон (до 8,5 Abs), что расширяет спектр исследований образцов уже с высокой концентрацией. Спектрометр имеет специализированные приставки с большими кюветными отделениями, интегрирующими сферами, приставками зеркального отражения и поляризаторами. UV-3600i хорошо коррелируется с автосамплерами ASX-280 и ASX-560 (Teledyne CETAC). Элементы управления автосамплерами полностью интегрированы в программное обеспечение LabSolutions UV-Vis. Для каждого образца можно задать индивидуальные параметры проведения анализа. ASX-280: 120 виал (объем виал 15 мл), 2 стандартных планшета по 60 позиций в каждом ASX-560: 240 виал (объем виал 15 мл), 4 стандартных планшета по 60 позиций в каждом.
Также в работе представлена оптическая схема прибора на рис. 2. Приведенная оптическая схема организована на двух монохроматорах. Двойной монохроматор посредством мо-нохроматора повторно диспергирует монохроматический свет, выходящий из первого моно-
хроматора. Таким образом рассеянное излучение значительно снижается и получается калибровочная кривая с хорошей линейностью, несмотря на высокое поглощение, что позволяет анализировать образцы в широком диапазоне концентраций.
Технические характеристики прибора даны в таблице.
Рис. 2. Оптическая схема спектрометра иУ-36001: WI - галогенная лампа; Б2 - дейтериевая лампа; М1-М15 - отражающие зеркала; S1 - входная щель;
S2 - промежуточная щель; S3 - выходная щель; 01 и 02 - голографические дифракционные решетки первого монохроматора; 03 и 04 - голографические дифракционные решетки второго монохроматора; Е - фильтр; С.Н. - отсекающее зеркало; W1-W3 - окошки диаметром 30 мм; W4 и W5 - окошки диаметром 40 мм; Яе/- сторона образца сравнения; Smp - сторона измеряемого образца; 1п0аА8 - кювета из 1п0аА8; PbS - кювета из PbS; РМТ- фотоэлектронный умножитель
Технические характеристики спектрометра UV-3600Í
Оптическая схема Двухлучевая
Монохроматор Двойной (Черни-Тернера и предмонохроматор с вогнутой дифракционной решеткой)
Спектральный диапазон 185...3300 нм
Детектор УФ/видимый диапазон: ФЭУ Ближний/ИК-диапазон: InGaAs/ охлаждаемый PbS
Ширина щели УФ/видимый диапазон: 8 ступенчатая от 0,1 до 8 нм, Ближ-ний/ИК-диапазон: 10 ступенчатая от 0,2 до 32 нм
Скорость сканирования 4500 нм/мин (УФ/вид); 9000 нм/мин (Ближний/ИК-диапазон с ФЭУ/InGaAs); 4000 нм/мин (Ближний/ИК-диапазон с PbS)
Точность установки длины волны ± 0,2 нм (УФ/вид); ± 0,8 нм (Ближний/ИК-диапазон)
Воспроизводимость по шкале длин волн ± 0,08 нм (УФ/вид); ± 0,32 нм (Ближний/ИК-диапазон)
Уровень рассеянного излучения 0,00008 % (220 нм, Nal); 0,00005 % (340 нм, NNO2); 0,0005 % (1420 нм, H2O); 0,005 % (2365 нм, CHCI3)
Фотометрический диапазон от - 6 до + 6 Abs
Фотометрическая точность (при 0,5 Abs), (при 1,0 Abs), (при 2,0 Abs) ± 0,002 Abs; ± 0,003 Abs; ± 0,006 Abs; ± 0,3 % Т
Фотометрическая воспроизводимость (при 0,5 Abs), (при 1,0 Abs), (при 2,0 Abs) ± 0,002 Abs; ± 0,003 Abs;
Дрейф нулевой линии < 0,0002 Abs/час
Уровень шума < 0,00005 Abs (500 нм); < 0,00008 Abs (900 нм); < 0,00003 Abs (1500 нм)
Размеры прибора 1020 х 660 х 270 мм
Масса 96 кг
Экспериментальные результаты. Для получения оптических свойств образцы разных проб ГЖ в кюветах крепились в канале измерений. На рис. 3 показаны каналы измерений прибора.
Рис. 3. Каналы измерения спектрометра UV-3600i
Спектры оптического пропускания ГЖ НГЖ-5у российского производства и импортного Exxon HyJet IV-A+, Skydrol 500B-4, измеренные спектрофотометром в диапазоне длин волн X=200.. .1100 нм, приведены на рис. 4.
Характерные особенности в спектрах ГЖ НГЖ-5у, Exxon HyJet IV-A+, Skydrol 500B-4 были близки друг к другу. В ультрафиолетовой области спектра у Exxon HyJet IV-A+ наблюдались всплески спектральной зависимости коэффициента пропускания. На длине волны 425 нм данная жидкость имела значение коэффициента пропускания отличным от нуля (Т = 2 %). На длине волны 510 нм у ГЖ Exxon HyJet IV-A+, Skydrol 500B-4 значение коэффициента пропускания соответствовало 4 %. ГЖ НГЖ-5у в отличие от своих иностранных аналогов имела всплеск (Т = 2 %) на X = 560 нм. Спектральный максимум прозрачности у представленных жидкостей наблюдался в длинноволновой области спектра X = 910.1100 нм.
20 -
\4
к ю
___Г
200
и;. 1 ">.i. I
300 400
500
1
600 700 800 900 1000 1100 1 НМ
Рис. 4. Спектры коэффициента пропускания Tß) ГЖ: 1 - НГЖ-5у, 2 - Skydrol 500B-4,
3 - Exxon HyJet IV-A+
Заключение. Проведенное исследование авиационных гидравлических жидкостей показало, что жидкость отечественного производства ничем не уступает импортным, так как характерные особенности спектральных зависимостей коэффициента пропускания практически совпадают. Данная работа может представлять интерес для химической, авиационной промыш-ленностей, а также оптического приборостроения.
Список литературы
1. Литвинов А.А. Основы применения горюче-смазочных материалов в гражданской авиации: учебник для вузов. М.: Транспорт, 1987. 308 с.
2. Аксенов А.Ф., Лозовский В.Н. Износостойкость авиационных топливно-гидравлических агрегатов. М.: Транспорт, 1986. 240 с.
3. Сырицын Т.А. Эксплуатация и надёжность гидро- и пневмоприводов: учебник для студентов вузов по специальности «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика». М.: Машиностроение, 1990. 248 с.
4. Хаттон Р.Е. Жидкости для гидравлических систем: пер. с англ. М.: Химия, 1965.
364 с.
5. Шумилов И.С. Системы управления рулями самолётов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 469 с.
6. Кондаков Л.А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. 216 с.
7. Шаламай Л.И., Кузьмина Д.А., Майоров Е.Е., Мендоса Е.Ю., Сакерина А.И., Нарушак Н.С. Исследование оптических свойств твердых тканей зуба и композитных материалов по средствам фотометрического анализа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 8. C. 11-17. DOI: 10.25791/pribor.08.2020.1196.
8. Арефьев А.В., Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Дагаев А.В., Хохлова М.В., Гули-ев Р.Б. Разработка экспериментальной методики для фотометрического анализа нефтепродуктов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 9. C. 1-5 DOI: 10.25791/pribor.09.2020.1202
9. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Цыганкова Г.А., Машек А.Ч., Константинова А.А., Писарева Е.А. Спектральное исследование текстильного оптического отбеливателя и органического красителя // Научное приборостроение. 2021. Т. 31. № 1. С. 73-83. DOI: 10.18358/np-31-1-e010.
10. Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Майоров Е.Е., Коцкович В.Б., Пушкина В.П., Хохлова М.В. Спектрофотометрия основных дезинфицирующих веществ в ультрафиолетовом диапазоне длин волн // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2021. Т. 64. № 4. С. 294299. DOI 10.17586/0021-3454-2021-64-4-294-299.
11. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Экспериментальное исследование разработанной спектроколориметриче-ской системы для изучения оптических свойств жидкофазных сред пищевой промышленности // Приборы. 2022. № 3 (261). С.22-28
12. Кузьмина Д.А., Мендоса Е.Ю., Шаламай Л.И., Майоров Е.Е., Нарушак Н.С., Черняк Т.А., Хохлова М.В. Применение метода спектроскопии для исследования образцов тканей зуба in vitro и стоматологических фотополимеров // Стоматология для всех. 2021. № 4. С. 4-9. doi.org/10.35 556/idr-2021-4(97)4-9.
13. Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Цыганкова Г.А. Фотометрия автомобильных моторных масел // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып.6. С. 83-88. DOI: 10.24412/20716168-2021-6-83-88.
14. Михальчевский Ю.Ю., Костин Г.А., Майоров Е.Е., Арефьев В.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В. Использование рефрактометрии для обеспечения предполетной подготовки воздушных судов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 10. С. 1-7. DOI: 10.25791/pribor.10.2021.1294.
15. Михальчевский Ю.Ю., Костин Г.А., Майоров Е.Е., Курлов В.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В. Оптико-электронный контроль противообледенительных жидкостей для обработки воздушных судов // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып.10. С. 170-175. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-170-175.
16. Михальчевский Ю.Ю., Костин Г.А., Майоров Е.Е., Арефьев В.В., Хохлова М.В., Удахина С.В. Исследование противообледенительной жидкости оптоэлектронным рефрактометром // Научное приборостроение. 2021. Т.31. №4. С. 88-101.
Костин Геннадий Александрович, д-р тех. наук, доцент, g [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Черняк Татьяна Анатольевна, канд. экон. наук, доцент, 79119113039@,yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Курлов Виктор Валентинович, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Таюрская Ирина Соломоновна, канд. экон. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики
INVESTIGATION OF OPTICAL PROPERTIES OF AVIATION HYDRAULIC FL UIDS BY OPTICAL
SPECTROSCOPY
G.A. Kostin, T.A. Chernyak, E.E. Maiorov, V.V. Kurlov, I.S. Tayurskaya
The paper presents a study of the optical properties of aviation hydraulic fluids by optical spectroscopy. The work is promising and relevant, since the addition of optical parameters of aviation hydraulic fluids, in addition to physical and chemical properties, is important for aviation instrumentation. The objects and method of research are determined. The appearance and optical scheme of the spectrometer operating in the wavelength range from 185 nm to 3300 nm are presented, as well as the technical characteristics of the device are given. The optical transmission spectra of hydraulic fluids NGZH-5u of Russian production and imported Exxon hyjet IV-a+, Skydrol 500B-4, measured by a spectrophotometer in the wavelength range X=200...1100 nm, were obtained.
Key words: aviation hydraulic fluids, aircraft, civil aviation, spectrometer, spectrum, transmission coefficient.
Kostin Gennady Aleksandrovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics
УДК 535
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-85-91
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОЙ
ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЯ
Е.Е. Майоров, В.П. Пушкина, А.В. Арефьев, Ю.М. Бородянский, Р.Б. Гулиев, А.В. Дагаев
В работе рассмотрен вопрос использования метода дифференцирования при обработке оптического сигнала для получения среднеквадратической ошибки измерения. Анализ литературных данных показал, что наиболее перспективным методом для обработки оптических сигналов является метод дифференцирования. При контроле наклонных поверхностей оптические сигналы формируют сложную форму с несколькими пиками, а значит, появляется случайный характер распределения локальных максимумов по длительности сигнала и делает невозможным правильно принять решение по какому-либо всплеску. Поэтому необходима привязка к конкретному максимуму и оценка ошибки, сделанная этим выбором. Рассчитаны вероятности определения пиков оптического сигнала для трех областей анализа. Получены экспериментальные результаты плотности вероятности распределения интенсивности в областях анализа и соответствующие ошибки измерений.
Ключевые слова: оптико-электронный прибор, метода дифференцирования, оптический сигнал, среднеквадратическая ошибка измерений, область анализа.
Конструирование и исследование современных оптико-электронных приборов и систем является важнейшей задачей оптического приборостроения [1, 2]. Получение высокоинформативных и высокоточных оптико-электронных приборов, и систем актуально для развития производств, а также для усовершенствования научной базы исследований [3, 4].
85
