ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ МИКРОФОНОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВ0-2023- ДАТЧИКИ

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ МИКРОФОНОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

*

Гриценко Т.В. , Орлова М.В., Зайцев В.Н., Ягодников Д.А., Пнев А.Б., Карасик В.Е.

МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва * E-mail: chobantv@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-310-311

Распределённые волоконно-оптические сенсорные системы являются одной из наиболее динамично развивающихся областей. Их преимущества: невосприимчивость к электромагнитным помехам, автономность сенсора, малые массогабаритные параметры, возможность работы в пожароопасных условиях и обеспечения неинвазивного контроля - делают их крайне привлекательными для решения различных задач мониторинга, в частности, анализа режимов работы ракетных двигателей. Актуальной на сегодняшний день является задача исследования внутрикамерных процессов в современных двигательных установках, в частности, в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД). Исследование быстропротекающих процессов в камере сгорания (КС) ЖРД сводится к высокоскоростному измерению и последующему анализу таких рабочих параметров, как вибрации, давление в КС, акустические [1] и электрофизические характеристики [2]. Перспективным решением является проведения неинвазивного контроля на основе анализа генерируемых в процессе работы ЖРД акустических волн, регистрируемых волоконно-оптическими микрофонами. Такие устройства могут быть реализованы на основе эффекта релеевского рассеяния [3] или построены с использованием различных интерферометров [4]. Принцип работы волоконно-оптических микрофонов на основе интерферометров заключается в том, что акустические волны приводят к локальным изменениям параметров оптического волокна (показателя преломления и длины), которое является чувствительным элементом, что вызывает соответствующие изменения интерференционного сигнала. В качестве основы волоконных микрофонов в проведённых исследованиях были выбраны интерферометр Физо (ИФ) и интерферометр Саньяка (ИС). Оба этих интерферометра имеют высокую чувствительность в области частот от сотен Гц до сотен кГц, в то же время обладая особенностями конструкции, обеспечивающими простоту установки сенсорного элемента и получения сигналов. При этом, интересным представляется сравнение этих двух интерферометров и выявление преимуществ и недостатков каждого из них в случае применения для анализа быстропротекающих процессов.

а) б) в)

Рис. 2: Схема проведения экспериментов: а) схема системы волоконных микрофонов, б) пример сигналов в сравнении с циклограммой давлений в камере сгорания, в) фото ЖРД, находящегося под мониторингом

Для проведения акустического анализа внутрикамерных процессов модельного ЖРД была разработана установка, схема которой представлена на рисунке 1а. Она включает в себя систему волоконных микрофонов с общим лазерным источником. ИС представляет собой петлю оптического волокна длиной ¿2=40 м, замкнутую на выходы разветвителя, интерференционный сигнал на выходе которой регистрируется приёмником излучения ПИ1. ИФ реализован с помощью двух слабоотражающих волоконных брэгговских решёток (СВБР), нанесённых в сенсорном волокне на расстоянии 11=10 м друг от друга, образуя базу интерферометра. Циркулятор Ц обеспечивает прохождение излучения лазера в сенсорное волокно, а также направляет результат интерференции на

ВКВО-2023- ДАТЧИКИ

приёмники излучения ПИ2 и ПИ3. Для ИФ обеспечена возможность восстановления фазы, как показано на схеме, и сигналы с ПИ2 и ПИ3 сдвинуты друг относительно друга по фазе на 2п/3, однако впоследствии было показано, что восстановление фазы на выходе ИФ не понадобилось.

Были проведены экспериментальные исследования модельного ЖРД, представленного на рисунке 1в, на расстоянии около 2 м от которого были установлены волоконные микрофоны. В ходе испытания для одного из режимов работы модельного ЖРД были одновременно записаны с частотой дискретизации АЦП 200 кГц сигналы на выходе ИФ и ИС и сопоставлены с циклограммой испытания, полученной с датчиков давления в КС. На циклограмме отражены следующие параметры режима работы двигателя: запуск в момент ^=104,5 с, предварительный режим на интервале времени с t0 по ^=106 с, основной режим на интервале времени с t1 по t2=115,5 с, в процессе которого происходил ввод Сг-№ порошка с помощью аргона, что приводит к увеличению давления в течение 2 с начиная с момента времени ^п= 111,8 с. Пример сигналов и циклограммы представлен на рисунке 1б. Результаты были проанализированы во временной и спектральной областях. Как видно из временных зависимостей, представленных на рисунке 1б, с выходом на предварительный режим увеличивается амплитуда интерференционного сигнала на выходе обоих интерферометров, а при переходе на основной режим сигнал на выходе ИС увеличивается вместе с давлением в КС, в результате чего все изменения давления в КС отражаются на интерференционном сигнале ИС. При этом, сигнал на выходе ИС при отсутствии акустических воздействий значительно более стабилен, по сравнению с ИФ, так как он мало зависит от медленных колебаний температуры и давления окружающей среды. Для анализа изменения спектрального состава сигналов в течение времени были построены спектрограммы сигналов ИС и ИФ, представленные на рисунке 2а,б, соответственно.

До момента запуска двигателя в спектре присутствуют только частоты в области до 8 кГц с малой спектральной плотностью. При этом на спектрограмме для ИФ чётко заметны флуктуации в виде периодического уменьшения и увеличения составляющей на частоте 6 кГц, менее выраженные для ИС. На обеих спектрограммах отражается предварительный режим: для ИС это проявляется в увеличении мощности всех спектральных составляющих, сопровождающимся ростом спектральных компонент на 5 кГц, 7 кГц и 11 кГц, а для ИФ - равномерным увеличением мощности составляющих спектра в диапазоне от 0 до 100 кГц. В дальнейшем, при переходе на основной режим в спектре сигнала ИС появляются и возрастают спектральные составляющие в диапазоне от 6 до 24 кГц, а в спектре для ИФ снижается мощность всех спектральных компонент. Таким образом, на спектрограмме сигналов обоих интерферометров отражаются изменения давления, сопоставимые с показаниями датчиков давления, что потенциально даёт возможность судить о характере протекающих внутри КС процессов.

Представленные результаты демонстрируют перспективность применения волоконно-оптических микрофонов для проведения неинвазивного мониторинга процессов работы ЖРД с помощью акустического анализа.

Литература

1. Kekus P. "Acoustic analysis of a liquid rocket engine: approaches for treatment of nozzle flow ", Warsaw, Poland, 24-28 July 2022, 1-8

2. Yagodnikov D.A., Rudinskiy A. V. "Diagnostics of rocket and jet engines through characteristics of the intrinsic electro-magnetic field of combustion products", High Temperature, 2017, 55, 828-845

3. Franciscangelis C. et al. "Real-time distributed fiber microphone based on phase-OTDR", Optics Express, 2016, 24, 29597-29602

4. Zhirnov A.A. et al. Distributed acoustic sensor using a double Sagnac interferometer based on wavelength division multiplexing", Sensors, 2022, 22(7), 2772