CC BY
34
УДК 53.082.7:531.571
МИКРОВОЛНОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ
A.B. СУХОВ, М.В. ТЮГАЕВ, М.М. ФЕЩЕНОК, Б.П. ЛАВРОВ,
A.B. СЯЧИНОВ, Ю.М. ШАРАЙ, Ю. М. МИЛЕХИН*, А. Н. КЛЮЧНИКОВ*,
А. В. ФЕДОРЫЧЕВ*, C.B. ГУНИН*
НИИЭМ МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
* Федеральный центр двойных технологий «Союз», Дзержинский, Россия
АННОТАЦИЯ. Разработан СВЧ-метод диагностики горения гетерогенных конденсированных систем на нестационарных режимах с характерным временем от 1 мс и выше. Разработана методика проведения эксперимента и обработки его результатов на ЭВМ в автоматизированном режиме в темпе опыта. Изучены закономерности горения ряда модельных гетерогенных конденсированных систем в условиях подъема и резкого спада давления.
Изучение процессов нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем (ГКС) необходимо при создании многорежимных энергетических систем с регулированием давления (расхода). Характеристики нестационарного горения ГКС в значительной мере определяют области устойчивой работы и выходные параметры таких систем. В этой связи весьма актуальной является задача разработки надежных методов определения скорости горения ГКС (или характеризующих ее параметров) при переменном давлении. В данной работе представлены результаты разработки интерференционного микроволнового СВЧ-метода для изучения характеристик горения ГКС в нестационарных (по давлению) условиях.
Метод основан на применении СВЧ-волны в диапазоне частот 8-12 ГГц. Как показано в ряде работ [1-3], электромагнитная волна, исходящая от источника СВЧ излучения (генератора), проходя через свод ГКС, отражается от поверхности раздела «ГКС-продукты сгорания» и возвращается обратно. В результате наложения падающей и отраженной волн образуется интерференционная картина напряженности электромагнитного поля в волноводе, которая изменяется из-за смещения торца горящёго образца. Регистрируя изменение интерференционной картины с помощью измерительной линии [1-2] молено определять скорость горения ГКС. Однако, разработанные ранее методы, не позволяют проводить измерения на нестационарных по давлению режимах, когда
параметры изменяются в короткие промежутки времени. Авторами разработан метод непрерывной регистрации изменения интерференционной картины в волноводе, основанный на методе четырех зондов [4].
Измерительная система (рис. 1) состоит из последовательно соединенных: источника электромагнитного излучения 2, запитанного от источника питания 1; ферритово-го вентиля 4, имеющего малый коэффициент ослабления СВЧ-волны в прямом направлении и большой - в обратном; измерительной секции 5; согласующего устройства 16 (выполняет функции волнового согласования образца ГКС и волноводного тракта, а также герметизации внутрикамерного объема, в котором происходит горение образца). Сигнал с датчиков напряженности СВЧ-поля измерительной секции усиливается боком усилителей 8, оцифровывается и регистрируется ЭВМ 9. С целью предотвращения передачи механических воздействий от камеры сгорания 17 к измерительной системе используется гибкий волновод 6, который присоединяется к камере сгорания посредством волноводного переходника 7 с прямоугольного сечения на круглое. В измерительную схему включен измеритель частоты электромагнитного поля 3, который посредством частотомера 10 и осциллографа 11 позволяет контролировать частоту излучения СВЧ-генератора.
Поверхность горения гетерогенных ГКС характеризуется в общем случае наличием микронеровностей от нескольких микрон до величин порядка одного миллиметра. В процессе измерения СВЧ-волна проходит от источника излучения через последователь-
Рис. 1. Блок-схема установки для измерения нестационарной скорости горения в условиях спада давления
но соединенные волноводные элементы, образец ГКС 18 и отражается от горящего торца. Отражение электромагнитной волны происходит от сечения, соответствующего среднеинтегральной поверхности горения. В результате интерференции падающей и отраженной волн образуется стоячая волна, изменение фазы которой происходит пропорционально изменению положения (перемещению) горящей поверхности образца.
Измерительная секция (рис. 2), построенная на базе четырех диодов с эквивалентным осевым шагом, равным одной восьмой части длины волны в волноводном тракте, регистрирует изменение напряженности электромагнитного поля результирующей СВЧ-волны во времени и позволяет получить комплексный коэффициент отражения от горящего торца..
Пример последовательности обработки экспериментальных данных, полученных при горении образца ГКС на основе активного связующего и перхлората аммония, представлен на рис. 3-8 (воспламенение образца произошло в момент времени «2,75 с). Получаемый с каждого диода сигнал усиливается, оцифровывается и регистрируется на ЭВМ в темпе эксперимента (рис. 3), одновременно с этим регистрируется значение внутрикамерного давления (рис. 4). Поскольку четыре диода и все измерительные каналы имеют свои характеристики, связанные с индивидуальными особенностями чувствительных элементов, то перед экспериментом определяются поправочные (нормировочные) коэффициенты при работе СВЧ-тракта на короткозамкнутую нагрузку.
Полученные коэффициенты используются для обработки первичного сигнала и получения нормированного сигнала (рис. 5).
Рис. 2. Измерительная секция
Рис. 3. Исходный сигнал с четырех СВЧ-диодов
Рис. 4. График давления в камере сгорания
1,с
Рис. 5. Нормированный сигнал с четырех СВЧ-диодов
Попарное вычитание значений напряжений, снимаемых с 1-ого и 3-его, 2-ого и 4-ого диодов, позволяет получить компоненты (рис. 6) комплексного коэффициента отражения (рис. 7). Из полученных данных путем математической обработки определяется зависимость изменения фазы во времени и, соответственно, перемещение поверхности горения ГКС. Дифференцируя перемещение поверхности образца по времени с использованием градуировочных коэффициентов можно получить текущую скорость горения ГКС в зависимости от времени (рис. 8), соответствующую текущему давлению в камере сгорания.
Рис. 6. Компоненты комплексного коэффициента отражения
Компонента X
Рис. 7. Комплексный коэффициент отражения
t,c
Рис. 8. График текущей скорости горения ГКС
Выбранный способ отражения СВЧ-волны позволяет определять перемещение поверхности горящего торца образца ГКС, что дает возможность без дополнительной статистической обработки определять нестационарную скорость горения. В то время как при использовании фотометрических методов и скоростной киносъемки, определение перемещения среднеинтегральной или среднестатистической поверхности горения по результатам обработки трудоемко и довольно приблизительно. Используемая в установке аппаратура позволяет регистрировать изменение параметров с частотой в десятки килогерц и выше, что обеспечивает возможность определения скорости горения на нестационарных по давлению режимах с характерным временем от 1 мс и выше.
Для изучения процессов горения ГКС, на базе прибора постоянного объема, разработана экспериментальная установка гашения гомогенных и гетерогенных ГКС с микроволновой системой диагностики, работающая при давлениях до 100 МПа. Давление в камере сгорания создается собственными продуктами сгорания образца ГКС, воспламенение производится навеской воспламенителя путем подачи напряжения от блока питания 15 через реле 14 (см. рис. 1). Возможен также вариант, при котором камера сгорания предварительно наддувается инертным газом до достижения требуемого начального уровня давления. Сброс продуктов сгорания происходит при разрыве мембраны или пакета мембран, выбираемых на заданное максимальное давление. Для изменения градиента спада давления используется комплект дозирующих шайб с различными проходными сечениями. На участке возрастания давления обеспечивается квазистационарный режим горения. Внутрикамерное давление рк измеряется тензометриче-ским датчиком 13 (рис. 1), сигнал с которого поступает на вторичный преобразователь 12, а затем оцифровывается и регистрируется ЭВМ.
С использованием разработанного метода определены скорости горения ряда модельных ГКС, скомпонованных на основе активного связующего и перхлората аммония и имеющих температуру горения до 1900 К. Для этих целей изготавливались цилиндрические образцы ГКС диаметром 17,5 мм, которые затем бронировались по боковой поверхности и одному торцу. В ходе экспериментов, после воспламенения образца, давление в КС монотонно возрастало до 8,0 МПа, а затем сбрасывалось до. 0,1 МПа с различными скоростями спада (от 1 МПа/с до 40 МПа/с). В условиях спада давления зафиксировано отклонение текущей скорости горения ГКС от скорости горения, соответствующей стационарному режиму горения. Для исследованных ГКС текущая скорость горения при спаде давления оказалась на 10...40 % ниже соответствующих квазистационарных значений. Определены условия, при которых происходит прекращение горения ГКС.
Таким образом, в результате выполненных исследований разработан СВЧ-метод диагностики горения ГКС на нестационарных режимах с характерным временем от 1 мс и выше. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка с соответствующей автоматизированной системой измерения и обработки экспериментальных
данных на базе микроволнового метода. Разработана методика проведения эксперимента и обработки его результатов на ЭВМ в автоматизированном режиме в темпе опыта. С помощью разработанной методики изучены закономерности горения ряда модельных ГКС в условиях подъема и резкого спада давления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1-Мошкин М.П. Микроволновой метод измерения скорости горения твердых топлив.
Труды МВТУ им. Н. Э. Баумана. 1979. №313. С. 93-97. 2.Сухов А. В., Тюгаев М. В., Мошкин М. П. и др. Дифференциальный микроволновой метод измерения скорости горения и исследования процессов горения смесевых топлив. Тезисы докладов 6-ого расширенного заседания Ученого Совета ЛНПО «Союз». Горение и катализ ракетных топлив, т. 3 - инв. №10878. М.: НИХТИ, 1984. С. 25-27. З.Зарко В.Е., Вдовин Д. В., Перов В. В. Методические проблемы измерения скорости
горения твердых топлив с использованием СВЧ-излучения. ФГВ, 2000. Т. 36. №1. 4.Бондаренко И. К., Дейнега Г. А., Маграчев 3. В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. М.: Советское радио, 1969.
SUMMARY. The super high frequency measuring procedure of heterogeneous condensed systems burning at unsteady condition typical time 1 ms and more is developed. Thç experimental technique and automatized method of analysis of observations are developed. Regularities of burning of heterogeneous condensed systems at sudden pressure buildup and decay are studied.
