Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы диагностики плазмы и пламен
1.1. Электрофизические свойства плазмы и диагностические параметры
1.2. Возбуждение и распространение электромагнитных волн в плазме
1.3. СВЧ методы диагностики плазмы
1.4. СВЧ диагностика процессов горения
Глава 2 Автодинный метод внутрикамерно и диагностики процесса горения в ракетном двигателе
2.1. Требования к СВЧ датчикам, характеристики, конструкции
2.2. Многозвенный резонатор
2.3. Антенны
2.4. Автодин Выводы по второй главе
Глава 3 Влияние нагрева СВЧ датчиков на точность контроля параметров процесса горения
3.1. Сравнительные оценки помеховых воздействий на автогенераторный датчик
3.2. Теплофизическая модель СВЧ датчика
3.3. Нагрев СВЧ датчика при стационарном режиме горения
3.4. Флуктуационный нагрев СВЧ датчика
3.5. Температурная погрешность СВЧ датчика в режиме выхода на марш
Выводы по третьей главе
Глава 4 Разработка термостабильных СВЧ датчиков
4.1. Компенсация температурной погрешности кольцевой щелевой антенны
4.2. Выбор электротехнических материалов
4.3. Экспериментальная оценка функциональных возможностей и температурной погрешности СВЧ датчика систем контроля режимов горения, его применение
Выводы по четвертой главе
Выводы по диссертации Литература
Приложение
- Возбуждение и распространение электромагнитных волн в плазме
- Многозвенный резонатор
- Теплофизическая модель СВЧ датчика
- Выбор электротехнических материалов
Введение к работе
Изучением процессов горения в тепловых энергетических установках (ТЭУ) заняты десятки исследовательских групп в мире. Интерес к данным процессам обусловлен, в частности, интенсивным развитием двигателестроения и необходимостью улучшения функциональных, экономических и экологических характеристик ТЭУ; оптимизацией режимов горения и предотвращением развития аномальных ситуаций, приводящих к участившимся авариям и катастрофам. Последнее обстоятельство особенно значимо для авиационной и космической техники.
Существующие в настоящее время методы контроля [76] не обеспечивают полноты и достоверности информации. Главным их недостатком является низкая скорость извлечения контрольной информации. Это одна из причин упомянутых аварий.
Одним только увеличением числа датчиков, устанавливаемых на конкретных двигателях, этот недостаток устранить нельзя. Необходима разработка, как новых методов диагностики, так и самих датчиков, работающих на иных физических принципах.
Одним из наиболее перспективных методов считается СВЧ зондирование внутрикамерного пространства. Здесь исследования идут в двух направлениях: установление зависимости между электрофизическими параметрами плазмы пламени (электронной концентрацией, частотой соударений, структурой электромагнитного поля, собственным радиоизлучением) и рабочими характеристиками ТЭУ. создание измерительных систем, обеспечивающих невозмущающий и оперативный контроль.
Первое из направлений реализуется в работах теплофизиков ряда стран: России, Белоруссии, Италии, США [1-21].
Особенностью второго направления является создание средств невозму-щающего и оперативного контроля режимов ТЭУ в реальных эксплуатационных условиях с помощью датчиков электрофизических параметров. Здесь недопустимо существенное изменение конструкции камеры сгорания и размещение датчиков в ее объеме. Датчики должны обладать высокой эрозионной устойчивостью, а формируемые им сигналы - слабой зависимостью от многофакторного воздействия процесса горения. И здесь работы ведутся во многих странах (Австрия, США и др.) Значительный вклад в работы по второму направлению внесли ученые КГТУ (Р.А.Гафуров). В частности были созданы и экспериментально опробованы СВЧ автодинные измерители, которые по большинству функциональных характеристик удовлетворяли требованиям энергетиков. Основным недостатком датчиков являлась низкая теплостойкость. Нагрев датчика приводил не только к очень высокому уровню погрешностей, но и являлся причиной частого выхода из строя.
Вышеупомянутые проблемы диагностики процессов горения, недостатки существующих методов контроля и самих датчиков позволили сформулировать цель исследований настоящей работы.
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения СВЧ датчиков параметров пламени в (транспортных) ТЭУ, обеспечивающих невмешательство в контролируемый процесс горения и сохраняющих точность контроля при нагреве со стороны контролируемого рабочего тела.
Задачи исследований: Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
Анализ электрических процессов в датчиках, отыскание передаточной функции.
Выявление структуры температурных полей в теле датчиков при статическом, флуктуационном и стартовом нагреве его огневой поверхности.
Оценка влияния температуры на надежность и погрешности измерения в трех названных выше режимах нагрева.
Выработка технических предложений, позволяющих сохранить работоспособность датчиков и снизить температурную погрешность с примене- ниєм схемных и конструктивных методов; экспериментальная оценка работоспособности предложенных схемотехнических и конструктивных решений.
Методы исследования и достоверность. Для анализа использованы классические методы теории колебаний, применяемые в радиотехнике и теории теплопереноса. Полученные аналитические выражения по структуре сходны с известными, а в предельных случаях совпадают с ними.
Ряд аналитических соотношений проверен экспериментально. Результаты анализа электрических процессов в датчиках соответствуют экспериментам в проведенных ранее исследованиях.
Практическая ценность и реализация. Конкретные примеры схем и конструкций СВЧ автодинных датчиков ориентированы на применение в авиационных и космических двигателях. Для применения в поршневых двигателях достаточно изменить поперечный размер датчика.
Результаты работы в виде опытного образца датчика использованы в лаборатории промышленных горелок КГТУ им. А.Н. Туполева при доводке газовой горелки Г-18 и ее промышленных испытаний.
Методика повышения теплостойкости датчиков технологических процессов использована в металлургической промышленности в ГПВО «Тяжпром-экспорт».
Разработанный СВЧ датчик внедрен в учебный процесс «Радиотехника и телекоммуникации» (РТТ) в лабораторную работу «Исследование автодинного приемопередатчика системы ближней радиолокации» по дисциплине «Генераторы СВЧ и КВЧ» в ЮТУ им. А.Н. Туполева.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту: 1. Изучена динамика автодина с многозвенным резонатором и антенной, излучающей в материальную среду с переменной диэлектрической проницаемостью.
Найдены условия устойчивости основного автодинного режима и неустойчивости паразитных режимов. Найдено сочетание параметров многозвенного резонатора (МЗР), обеспечивающее соблюдение этих условий.
Выявлена структура температурных полей в теле датчика при статическом, флуктуационном и быстром плановом нагреве, происходящих соответственно при стационарном режиме и его изменении (например, при запуске ТЭУ). На этой основе предложены конструктивные решения, обеспечивающие теплозащиту и функционирование активного элемента (диода Ганна или лавинно-пролетного диода ЛПД).
Вычислены статическая, случайная и динамическая температурные погрешности. Предложены и проанализированы технические решения, снижающие случайную погрешность.
Созданы экспериментальные модели датчиков, в соответствии с полученными аналитическими соотношениями. Проведены эксперименты, подтвердившие повышенную теплостойкость датчиков.
Вклад автора. Научные данные, изложенные в диссертации, получены лично автором. Положения и выводы, выносимые на защиту, как и проведенный эксперимент, принадлежат автору.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Yakovkin Memorial 4th International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures, 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation and International Conference for Young Researchers on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information Processing St.Peterburg, Russia, 1998; Joint meeting of the 13th European frequency and time forum and 1999 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) international frequency control symposium, Besancon, France, 1999; на III Всероссийской конференции «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды» г.Муром, 1999; Joint meeting of the 14 European frequency and time forum and 2000 IEEE international frequency control sym- posium EFTF, Torino, Italy 2000; на 1-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиотехнический факультет к 5-летию малой радиотехнической академии, г. Казань, 2000; 2000 IEEE/EIA international frequency control symposium and exhibition, Kansas city, USA, 2000; Scuola Intemazionale Di Fisica "Enrico Fermi": "Recent advances in metrology and fundamental constants", Varena, Italy, 2000- получен сертификат физика данной школы и грант за лучший стендовый доклад; International Forum on Wave Electronic and its Applications, St.Peterburg, Russia, 2000; Joint meeting of the 15th European frequency and time forum and 2001 IEEE international frequency control symposium, Neufchatel, Switzerland, 2001; IV International Conference for Young Researches Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, St.Peterburg, Russia, 2001,-выступление в качестве председателя на этой же конференции в секции "Acoustoelectronics"; на Научной Технической конференции «Автоматика и электронное приборостроение» Казань, КГТУ, 2001; Joint meeting of the 16th European frequency and time forum and 2002 IEEE international frequency control symposium, St.Peterburg, Russia 2002; решением Правления Международной Соросовской Программы Образования в Области точных Наук Института Открытого Общества присвоено звание Соросовского Аспиранта.
Публикации. По теме опубликовано 15 печатных работ, в том числе 8 статей и 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований и приложений, и изложена на 184 страницах машинописного текста, иллюстрирована 47 рисунками и 12 таблицами.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы. Дана ее общая характеристика, а также сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
В первой главе описаны принципы сверхвысокочастотной диагностики пламен, дан обзор работ в данном направлении, трудности и предпосылки диагностики ТЭУ в эксплуатационном режиме.
Во второй главе выявлены условия функционирования датчиков при воздействии пламени и сформулированы требования к схемам и конструкциям, обеспечивающим их работоспособность и надежность. Найдена и исследована передаточная характеристика датчика; использование многозвенного резонатора предложено в качестве технического решения по снижению температурных флуктуации и обеспечению устойчивости рабочего режима датчика. Найдены условия устойчивости рабочего режима.
В третьей главе проведена оценка влияния нагрева датчиков на точность контроля параметров.
Выделены три характеристики ситуации: квазистатический нагрев и порожденная им систематическая погрешность. флуктуационный нагрев, вызванная им нестабильность частоты и случайная погрешность. быстрый нагрев при изменении режима горения, например при старте, и динамическая погрешность.
В соответствии с представлением автора о происходящих процессах построена тепло электрофизическая модель датчика.
Четвертая глава посвящена разработке термостойких датчиков и экспериментальным исследованиям.
В заключении диссертационной работы приводятся выводы по исследованию.
Приложение включает в себя таблицы, рисунки и фотографии, относящиеся к эксперименту.
Возбуждение и распространение электромагнитных волн в плазме
Здесь имеет место удлинение волны (в обычных диэлектриках волна всегда укорачивается) при сохранении частоты /. Естественно, что в произ _ 2ж } 6) . вольной точке на пути распространения / фаза ф - —г 1 — уменьшается, т.е. опережает фазу другой (опорной) волны, распространявшейся в вакууме.
Существенное отличие от других диэлектриков не столько в увеличении Я, сколько в зависимости этого увеличения от частоты. При f- f„ (но / f„) фазовая скорость о - о. Физически это означает, что длина волны становится больше и даже много больше /, а фаза в точке приема почти не отличается от излучаемой.
При f fm длина волны становится мнимой: распространение ЭМВ невозможно, ее источник- антенна теряет свои излучающие свойства. Если же антенна расположена вне плазменной области и облучает ее издалека, то ЭМВ отражаются от границы, как от металла. Реально это вызывает, например, рефракцию ЭМВ от ионосферы.
Вернемся к случаю f fM. Электрические размеры антенны (вне зависимости от ее конструкции) есть функции Є . Поэтому резонансная в условиях вакуума антенна перестает быть таковой в плазме, а ее импеданс, диаграмма направленности и другие показатели изменяются. Это изменение является источником погрешности при одних методах измерения (заметим: более распространенных), но может быть практически использовано в других.
В неоднородной плазме, где \Х У, z) есть функция координат, наиболее заметным эффектом является изменение направления распространения ЭВМ, т.е. преломление. Что касается свойств антенны, то они зависят от характера неоднородности только в ближней зоне. В любой реальной ЭУ пристенная зона камеры сгорания содержит существенно неоднородную по электронной концентрации среду, а наблюдаемые эффекты являются результатом естественного усреднения этих неоднородностей по всему объему ближней зоны.
Основу классификации методов фактически заложил В.Е.Голант [76]. Предшественники (Чернетский, Хилд) [77] делали это не совсем удачно. В работе [76], методы разделены по используемым физическим принципам на две группы: методы измерения в свободном пространстве, методы измерения в специально созданных камерах, заключающих в себе плазму. Только первая группа методов обеспечивает невмешательство средств измерения в контролируемый естественный или технологический процесс.
Наиболее распространенный метод измерения в свободном пространстве - интерферометрический. Как и все остальные методы, он является косвенным, т.е. искомая электронная концентрация определяется по диэлектрической проницаемости, которая в свою очередь - по скорости распространения. Последняя в данном методе преобразуется в фазу электрического колебания. Обобщенная схема метода представлена на рис. 1.1 а.
Вариантом интерферометра является рефлектометр (а метод тот же - ин-терферометрический). Измерительный прибор здесь представляет собой радиолокационный приемопередатчик непрерывного излучения (фазовый дальномер) (рис. 1.2). В отличие от интерферометра, излученный сигнал в измерительном плече рефлектометра отражается от экрана и принимается той же антенной. Направленный ответвитель НО и циркулятор (Ц) осуществляют развязку опорного (ОП) и измерительного плеч. Заметим, что здесь метод измерения и це почка операций те же, но имя методу и прибору дала структура (конструкция) измерительного плеча.
В структурном отношении к обоим методам близок метод отсечки (название общепринятое) [76]. Здесь зондированию подвергается плазменная область с нарастающей к центру электронной концентрацией ( Nei Nei Ne}), а генератор (рис. 1.3) перестраивается по частоте. С ростом частоты излучение проникает глубже, отражаясь от более удаленной области плазменного образования, что позволяет выявить пространственное распределение электронной концентрации, которая в каждом случае однозначно связана с критической (для данной концентрации) частотой (1.6).
Отметим здесь два обстоятельства: Первое: название методов здесь связано не с принципом измерения, а с физическим свойством плазмы. Второе: приведенная на рис. 1.3 схема (а именно так ее иногда изображают) ни в коей мере не соответствует реалиям. При перестройке СВЧ генератора по частоте на (25...30)%, что само по себе нелегкая за дача все остальные узлы (критичные к частоте) утрачивают свое функциональное назначение.
В действительности число приемопередатчиков соответствует числу определяемых дискретных значений NKp, Обработка сигналов всех частот должна производиться совместно, поскольку только на первой из частот излучение распространяется в вакууме. Для остальных частот трасса излучения частично проходит в плазме, что должно быть учтено при вычислении координат внутренних слоев.
Структуры измерителей параметров плазмы: а) импедансный измеритель с контролем коэффициента стоячей волны, б) автодинный измеритель, в) интерферометрический измеритель с невыступающим полосковым датчиком [57]. Все названные модификации интерферометрического метода с точки зрения предполагаемого нами применения имеют общий и весьма важный недостаток: излучение должно быть направленным, а трасса его прохождения -единственной. Ни то, ни другое в камерах сгорания РД и в эксплуатационных условиях соблюсти не удается. Поэтому интерферометры могут использоваться только на стендах для научных исследований и, что для нас весьма важно, благодаря своей точности для сравнительной оценки метрологических характеристик других методов и приборов, более приспособленных к реальным условиям, но менее точных.
Другим методом, позволяющим производить измерение электронной концентрации плазмы в свободном пространстве, является импедансный. Он основан на свойствах антенн, размещенных в материальных средах [33]. С учетом разнообразия реальных и подлежащих исследованию конструкций, правильнее говорить не об антеннах, а об открытых элементах СВЧ. Таковыми являются элементы (прежде всего — резонаторы и отрезки волноводов) не имеющие в каком-либо из сечений замкнутого проводящего контура. В силу этой особенности ЭМ поле частично выходит в окружающую среду и последняя влияет на полное сопротивление элемента. Классический пример — несимметричная полосковая линия передачи. Антенны в классическом понимании представляют собой вырожденные ОЭ СВЧ.
Многозвенный резонатор
Ранее показано, что наиболее удачным решением представляется выполнение антенн в виде отверстия в стенке резонатора. В качестве примера [38] рассматривается антенна, выполненная в виде кольцевой щели, которая возбуждается, как правило, с помощью коаксиальной линии.
Параметры возбуждающих устройств подбираются таким образом, чтобы достичь необходимой степени согласования входного сопротивления щели и волнового сопротивления коаксиальной линии (отрезок линии, соединяющий щель с генераторным прибором, выполняет роль резонатора).
Объемный резонатор представляет собой колебательную систему СВЧ -аналог колебательного контура. Это объем, заполненный диэлектриком (в большинстве случаев воздухом) и ограниченный проводящей поверхностью либо пространством с иными электрическими и магнитными свойствами.
Наибольшее распространение получили полые объемные резонаторы -полости, ограниченные металлическими стенками. Формы ограничивающих поверхностей различны, практическое распространение в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчета и изготовления получили круглые цилиндры, включая коаксиалы, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и др. некоторые типы объемных резонаторов рассматривают как отрезки полых или диэлектрических волноводов, ограниченных двумя параллельными плоскостями.
Схема генератора с МЗР кроме основного отрезка \ с установленным в нем диодом состоит из нескольких дополнительных Л/2 или Я/4 отрезков Это связано с особенностями реактивного отражения от двух последовательных переходов. Волна распространяется от активного элемента, претерпевает отражение от каждого из переходов. Отраженные волны суммируются (в фазе на частоте генерации).
Как уже отмечено, общей теории МЗР не существует, а ее создание не входят в задачу данной диссертационной работы. С точки зрения уже оговоренного конкретного приложения существенны такие свойства МЗР, как реактивное сопротивление и добротность: Хрц Q - обе величины в изучаемом диапазоне частот. Перейдем к установлению их величины, как функции структуры МЗР: числа звеньев, парциальных коэффициентов отражения Котр, связи с нагрузкой.
Длины звеньев выбраны так, что в сечении, соответствующем расположению диода отраженные волны совпадают по фазе (в зависимости от конкретного типа преград /, = Л/4 или Л/2 ). Эту фазу далее примем за начало отсчета, что позволит считать Г, активными. Учтем также, что реально резонатор связан с несогласованной антенной отрезком линии #+1 проводимость антенны У А коэффициент отражения Г = Г exp[j pA ).
Это выражение точное содержит \N + \) ступеней, оно учитывает все многочисленные отражения и переотражения, которые претерпевают падающая и отраженная волны. По структуре (2.12) похожа на формулу Евклида для итерационного вычисления наибольшего общего кратного. Процедура вычисления при вещественных компонентах («алгоритм Евклида») хорошо известна [80]. Но в общем случае разделение вещественной и мнимой частей связано с громоздкими выкладками.
Понятие нагруженной добротности резонансных систем чрезвычайно важно в радиотехнике, без знания такового расчет радиотрактов невозможен. Тем не менее, в технической электродинамике (в разделах, вошедших в учебники) оно не стало предметом изучения и изложения. Зато ненагруженная добротность и собственные потери (имеющие меньшее значение для практических расчетов) изучены досконально. Для вычисления добротности воспользуемся геометро-оптическим подходом (аналогии из теории открытых оптических резонаторов (Фабри-Перо)), развитым в квантовой электронике [80].
Теплофизическая модель СВЧ датчика
С точки зрения процесса нагрева и вызванной нагревом теплопередачи датчик представляет собой неоднородный в сечении стержень конечной длины, изготовленный из двух материалов (проводника и диэлектрика) с различными теплофизическими свойствами.
Конструкция датчика, установленного на стенке 1 технологической установки (в дальнейшем называемой камерой сгорания или просто камерой) показана на рис.3.1. Огневая поверхность 2 совпадает с раскрывом антенны, коаксиальный резонатор включает стержень 3, внешний цилиндр 4 и диэлектрическую втулку 5. Вблизи торца расположен диод 6. Нагрев осуществляется рабочим телом 7, температура которого в пристенной области Т{, наружная температура Т0.
Нагрев осуществляется с одного торца, причем теплопередача от рабочего тела, обладающего температурой Тр, происходит лучеиспусканием и конвекцией. В резьбовой части тело датчика находится в тепловом равновесии со стенкой камеры. Через остальную часть стенок и второй торец происходит теплоотдача во внешнюю среду с температурой Т0 (рис.3.1). Такая конфигурация теплового потока условно показана на рисунке стрелками.
В соответствии с представлением автора о происходящих в датчике тепловых процессах и их влиянии на процессы электрические составлена тепло-электрофизическая модель датчика .
Непосредственное воздействие теплового потока с температурой в пристенной области Тдґ), где t- время, осуществляется на антенну МЛА (здесь МА - оператор, А - обобщенный параметр антенны), совпадающую с огневой поверхностью (торцом) датчика. От антенны прогревается резонатор, в силу существенного различия теплопроводностей считаем, что распространение тепла вдоль координаты х (рис.3.1) происходит только по металлическим деталям 3 и 4, а втулка нагревается уже от этих деталей. Для некоторых сочетаний материалов, от этого допущения приходится отказаться, к примеру, пара (титан-сапфир). Радиальный градиент температуры (вдоль оси у) равен нулю. Теплообмен между датчиком и стенкой камеры не учитываем. Температуру рабочей области диода считаем приблизительно равной температуре на торце, а собственным разогревом диода пренебрегаем (в силу малой мощности генерации), кроме предстартовой ситуации.
С точки зрения теплофизики датчик эквивалентен стержню, нагреваемому с одного торца. В стержне существенно распределение температуры только вдоль координаты X [74].
Мх - оператор, влияющий на распределение температуры вдоль оси X, действие оператора приводит к температурному распределению Tx\t). Каждый элемент длины нагревается по-разному, совокупный результат оценивается интегральным оператором MS. Нагрев элемента длины приводит к ее изменению, а также влияет на диэлектрическую проницаемость (то есть изменяет электрическую длину); процессы изменения размеров характеризуются операторами хАГ, и xfie- температурными коэффициентами.
Электротеплофизическая модель датчика Поперечное расширение резонатора приводит к изменению его формы (к конусности круглого или пирамидальности прямоугольного) и возникновению в нем распределенного отражения, дополненному изменением соотношения сопротивлений на стыке с антенной, - Мр, оно преобразуется в коэффициент отражения Мг. Учтен и разогрев диода, расположенного в конце резонатора \Х = L). Операторы А34 — в разделе 2.4.
Непосредственное влияние «холодных» антенны и диода на частоту генерации на рисунке не отражено. О нем шла речь во второй главе. Результат совместного воздействия (оператор ) в общем случае не является, конечно, простой алгебраической суммой.
Наконец значок Тд0„ указывает на меры, принятые при создании датчика по обеспечению комфортной температуры диода, то есть на выявление и постоянное сопоставление температуры диода с предельно допустимой.
Далее в данном параграфе предстоит предварительно оценить сущность операторов М и структуру массива данных о теплофизических свойствах материалов и конструкции (прежде всего - справочных). То есть установить, какие параметры необходимы для количественного описания модели при квазистатическом, флуктуационном и стартовом нагреве. Фактически речь идет о трех вариантах ТЭФМД, в которых и операторы, теплофизические параметры, и даже принципы математического описания свойств отклика (то есть генерируемой частоты) различны. Детальное математическое описание операторов М- предмет исследования в разделах 3.3,3.4,3.5.
Особенность электрических измерений тепловых процессов, как части нашей задачи, в том, что датчик подвергается неравномерному и нестационарному нагреву. Поэтому в теле (корпусе) датчика существует в общем случае нестационарное температурное поле. Главной причиной, по которой неравномерность не может быть устранена, является различие температуры в камере и снаружи.
Количественно оба процесса характеризуются соответственно коэффициентами теплоотдачи ах и a2i имеющими размерность Вт/м1 сек. Теплофизики считают [74] , что введение обоих коэффициентов является формальным, но чрезвычайно распространенным и плодотворным приемом, переносящим трудности расчета теплопередачи, то есть решения уравнения (3.1) на определение величин ах и а2. Последние зависят от размера и характера (шероховатости) поверхностей теплообмена и нередко определяются для конкретных тел экспериментально. Мы такой возможности не имеем и должны удовлетвориться ориентировочными значениями, найдя в литературе сходные ситуации (либо ориентироваться на мнение экспертов). сх1 далее фигурирует как тип.
Выбор электротехнических материалов
Анализ и выводы в предыдущих главах позволяют сформулировать основные конструктивные требования к теплофизическим свойствам проводников и диэлектриков, применяемых в СВЧ датчиках: 1. Сохранение агрегатного состояния 2. Малая тепло - и температуропроводность. Первое требование относится в большей степени к материалам огневой поверхности (антенны), а его реализация состоит в сопоставлении температуры со справочными данными. 148 Вследствие низкой температуры плавления и возможности возгорания применение алюминия (и ряда сплавов) исключено, что усложняет задачу предыдущего параграфа. Выбор и создание материалов для ВРД и ЖРД есть результат полувекового труда многих крупных научно-конструкторских коллективов, поэтому целесообразно ориентироваться на них. Не подходят почти все органические диэлектрики, пригодны керамики є (и то не все) и стекла. Соблюдение второго требования обеспечивает два аспекта: сохранение диода и улучшение стабильности частоты (в основном за счет затухания быстрых температурных волн в материале резонатора). Здесь дело гораздо сложнее, чем при первом требовании. А сложность состоит в том, что электрические и теплофизические характеристики находятся (с точки зрения этого требования) в некотором противоречии.
Целью данного параграфа является выработка более конкретных рекомендаций, направленных на соблюдение обоих аспектов. Эта цель включает: 1. формулировку конкретных численных требований к каждому из материалов и их сочетанию; 2. выявление количественных ограничений и предельных значений электрических и теплофизических параметров материалов; 3. подбор конкретных материалов для ряда типичных случаев. Как и в предыдущих главах (2,3) теплофизические и электрофизические величины не выходят за пределы, характерные для режимов горения в энергоустановках летательных аппаратов. Этим режимам соответствует ряд сделанных ниже допущений и упрощений.
Формула тем точнее, чем ближе теплофизические свойства датчика к однородному стержню и, в частности, чем ближе теплопроводности материалов проводящих и диэлектрических деталей. Равенство имеет место, например, для пары титан/сапфир. Ниже мы дадим еще один пример. Пока предположим, что условие равенства теплопроводностей выполнено.
Оценим теперь техническое предложение, когда все детали датчика изготовлены из диэлектрика, а металлизированы лишь токоведущие поверхности. Данное предложение использует тот факт, что ряд неорганических (и теплостойких) диэлектриков имеет существенно меньшую теплопроводность, чем любой металл, тем более электротехнический. В предложенной конструкции толщина металлического покрытия определяется глубиной скин-слоя (единицы и даже доли мкм), что позволяет сделать площадь поперечного сечения токоведущих элементов в 102... 103 раз меньше общей площади сечения датчика и пренебречь их влиянием на теплопередачу. Теперь в левой части формул (4.133) фигурируют параметры одного материала - диэлектрика. Для плавленого кварца (известного радиопрозрачного материала) Tje = 0,15 Вт/ м- град, а для пористого кварца - гораздо меньше. На основе последнего материала возможно создание датчика, способного измерять электронную концентрацию до величины Ne 10 м , то есть не только в авиационных, но и в жидкостных ракетных двигателях и даже в энергоустановках ядерного синтеза. Правда, предложенная конструкция имеет худшие прочностные характеристики.
Второй аспект выбора материалов направлен на уменьшение случайной погрешности, порождаемой температурной нестабильностью частоты генерации. В разделе 3 выявлено три главных механизма влияния температуры на частоту: удлинение резонатора, изменение диэлектрической проницаемости внутри резонатора и изменение емкости диода Ганна. Последний фактор существенен для бескорпусных диодов. Все три механизма обуславливают понижение частоты при нагреве. Выделено два режима нагрева: квазистатический и динамический.
В квазистатическом режиме, имеющем место при запуске энергетической установки, нагрев огневой поверхности AT составляет сотни градусов и вызывает относительные изменения частоты (в функции от перечисленных механизмов). Ас -[а рСд с!Сд/сіт\ АТ/ск(тЬ) (10-4..Л0-5)(\/градуА Т, где Кj, Д. - температурные коэффициенты, со - рабочая частота, р - волновое сопротивление. Все три величины довольно значительны (1% и более), но сравнительно легко поддаются учету при обработке измерительного сигнала, поскольку среднее значение AT соответствует номинальному режиму двигателя, а его медленные (квазистатические) отклонения подвергаются контролю.
