Введение к работе
Актуальность темы Развитие ряда промышленных отраслей в значительной степени определяется совершенствованием физики и техники быстро-протекающих процессов (БПП) Источниками таких отраслевых и конверсионных физико-технических задач в атомной промышленности РФ являются
диагностика газодинамических взрывных процессов (ГДП),
диагностика плазмы, образующейся при входе летательных
аппаратов (ЛА) в плотные слои атмосферы,
расходометрия многофазных потоков на газоконденсатных месторождениях
Задачи диагностики в физико-химической газодинамике взрывных процессов (горение, детонация, высокотемпературный удар) при все растущих плотностях энергии требуют постоянного совершенствования экспериментальных физических установок Существующие методы решения этих задач не свободны от недостатков - дискретности отсчетов в пространстве и/или времени, невысокой точности измерений, возмущения исследуемых процессов
Задачи диагностики параметров плазмы при входе ЛА в плотные слои атмосферы являются важной составляющей комплексной задачи их проектирования Подобные задачи, в частности, в интересах термоядерного синтеза, исследовались и решались в работах В Е Голанта, Л А Душина, И Н Москалева и др Информация о параметрах плазмы - как в реальном полете, так и на испытательных стендах - позволяет прогнозировать работу бортовых радиосистем, определить требования к РЭА и к системе теплозащиты ЛА, уточнить их баллистические характеристики Все эти задачи требуют измерения динамических параметров плазмы с достаточной точностью
Задачи покомпонентной расходометрии продуктов добычи составляют важную проблему газо- и нефтедобывающей отрасли Знание непрерывного дебита скважин в реальном масштабе времени крайне важно для учета продуктов добычи, для оптимизации режима и прогнозирования жизни скважин
Перечисленные разноплановые задачи имеют много общего в характере процессов, в условиях их протекания и, соответственно, в их постановке
быстрое протекание, динамичность и/или кратковременность,
многокомпонентность сред, в которых протекают процессы,
ограниченность пространственной области диагностики,
многофакторность и междисциплинарный характер описания;
неполнота исходных требований для проектной разработки
Из сказанного следует, что диагностика БПП является исключительно актуальной областью приложения современной радиотехники и радиофизики
Многолетний опыт решения подобных задач показал, что углубленное изучение отдельных явлений и процессов, без должного их анализа в единстве
как правило, не приводит к прорывным, качественным решениям Описанным способом можно достичь улучшения, но только по отдельным показателям качества (ПК) Улучшение решения по совокупности ПК требует анализа проблемных вопросов радиоинтерферометрии (РИ) и ее ближайшего прототипа
ближней радиолокации (БР) Такой анализ (см , например, Поршнев С В «Радиолокационные методы измерений экспериментальной баллистики», - Екатеринбург УрО РАН, 1999 - 211с) показал, что в этой проблемной области .можно и нужно изучать два класса взаимосвязанных аспектов
задачи формирования полей и организации их взаимодействия с объ
ектом диагностики («полевые» аспекты).
задачи обработки сигналов в цепях («сигнальные» аспекты)
Однако в силу ряда причин это не всегда выполняется Так, в одной из по
следних работ по БР (В В Езерский, Метод повышения точности измерения
расстояния в радиодальномере с частотной модуляцией для промышленных
систем ближней радиолокации автореф дкс докт техн наук 05 12 14 - М
МЭИ, 2006 - 35с), где решалась задача получения максимальной точности из
мерения малых расстояний, полевые аспекты практически не рассматриваются
Поэтому задача работы с самого начала ставилась максимально широко Выбор носителя диагностической информации. В качестве такого носителя по совокупности ПК предпочтительно использовать волновые процессы Практика диагностики, в частности, диагностики плазмы, давно осваивает
эти технологии на различных частотах Особое место здесь занимает милли-
метровый (мм) диапазон длин волн (диапазон КВЧ) Для рассматриваемой в диссертации задачи диагностики бортовой плазмы характерны значения электронной концентрации n= 1013 см-3, поэтому здесь естественным является использование КВЧ диапазона длин волн В работе показано, что по совокупности требований диагностику БПП в газодинамике также рационально осуществлять в КВЧ диапазоне В расходометрии многофазных потоков этот диапазон также имеет ряд преимуществ по сравнению с другими участками спектра В частности, малость длины зондирующей волны по сравнению с диаметром трубопровода позволяет формировать узкие волновые пучки и реализовать открытые резонатопы све^хк^итических разменов
Таким образом, именно полевые носители диагностической информации и именно в КВЧ диапазоне частот открывают возможность наилучшего решения проблем диагностики Задача работы - найти, исследовать и разработать технические и методические средства для реализации этой возможности
Выбор класса радиотехнических устройств. В избранном диапазоне частот (КВЧ диапазон) и с избранным носителем информации (электромагнитными волнами) радиотехника работает с помощью различных устройств -волноводных, резонансных и излучающих (антенн) На выбор класса этих устройств повлияли следующие условия и ограничения-
требования бесконтактность взаимодействия, многокомпонентность исследуемых сред, высокое пространственное и временное разрешение, условия эксплуатации, технологичность и стоимость,
возможность создания зондирующих устройств (ЗУ) с минимальными отражениями и рассеянием при достаточно малых потерях,
возможность формирования многомодового характера зондирующих волн с различной степенью их пространственной локализации,
пространственно ограниченная область диагностируемых процессов, возможность организации волновых образований ограниченных поперечных размеров (в частности, со свойствами волновых пучков)
С учетом перечисленных условий, ограничений и требований сделан выбор в диагностике БПП наиболее рационально применение класса открытых линий передач (ЛП) и класса открытых колебательных систем (КС).
Научно-технический задел предшественников Основы теории открытых структур заложены Б 3 Капенеленбаумом и Л А Вайнштейном, они в течение десятилетий активно развивались школами трех ИРЭ1 АН СССР, МЭИ и АН УССР, а также десятками групп и отдельных исследователей2
Физика и техника диэлектрических волноводов (ДВ) развивалась под руководством В Ф Взятышева на кафедрах Основ радиотехники и Конструирования и производства радиоаппаратуры МЭИ совместно с БИ Рябовым Г Д Рожковым, Г П Раевским, Б А Рябовым, С Е Банковым Вопросы дифракции и излучения нерегулярных волноводных и диэлектрических структур, в том числе нерегулярностей ДВ - в работах А С. Ильинского, Е И Нефедова, В В Шевченко, Е Н Васильева, Л Н Дерюгина и др Электродинамические методы анализа ДВ развивались Г И Веселовым, С Б Раевским
Весомый вклад в развитие теории пучковых образований («квазиоптики») наряду с зарубежными учеными (Губо, Фокс и Ли и мн др) внесли Л А Вайнштейн, Б 3 Каценеленбаум, А С Ильинский, В П Шестопалов и др
Эта научная база явилась фундаментом данной работы А ее автор, начавший свою научную деятельность в начале 1970-х, все эти годы также участвовал в становлении и развитии физики и техники открытых систем
Постановку комплексной задачи необходимо начина гь с формирования и оптимизация физического принципа (ФП) - совокупности явлений, имеющих место в процессе диагностики Именно множество возможных вариантов ФП и их сопоставление по совокупности ПК являются адекватной научной базой поиска и создания принципиально новых устройств и способов диагностики
Итак, актуальность и важность проблем повышения качества диагностики БПП требуют системной постановки радиотехнических задач на качественно
' Следует заметить что ИРЭ МЭИ появилось только в 21-м веке
2 Только в межвузовской комплексной программе «СВЧ» (1979-1988гт), решающей комплексные
проблемы диэлектрических волноводов (ДВ), участвовало 37 научных груїп и лабораторий
новом уровне И начинать при этом нужно с анализа совокупности явлений и организации такого их взаимодействия, которое при разумном выборе обликов и параметров явлений обеспечит эффективный синтез методов и устройств диагностики в рассматриваемом классе прикладных задач
Цель диссертационной работы - решение актуальной научно-технической проблемы разработки и реализации в промышленных технологиях класса КВЧ устройств для эффективной передачи, извлечения и приема информации в процессе диагностики быстропротекающих процессов, происходящих на малых расстояниях в ограниченной пространственной области
В соответствии с результатами системного анализа и структурирования общей цели, а также в ходе проектно-исследовательского поиска путей ее достижения в работе поставлены и решены следующие задачи
Исследование и разработка открытых волноводных и резонансных КВЧ устройств, потенциально пригодных для эффективной передачи, извлечения и приема информации в процессах бесконтактной диагностики
Развитие физики и технологии диэлектрических волноводов (ДВ) и диэлектрических интегральных схем (ДИС) для диагностических применений
1 Синтез физического принципа (ФП) диагностики и системы разрабатываемых устройств, реализующих его с помощью взаимодействующих полевых, сигнальных и диагностируемых явлений и процессов
3.2 Поиск обликов и исследование специфических КВЧ устройств, необходимых для высококачественной реализации набора функций ФП
3 3 Разработка открытых диагностических устройств и систем и их реа
лизация в отраслевых технологиях газодинамических исследований
4 Поиск явлений и синтез ФП многофазной расходометрии, разработка
многомодовых устройств на основе взаимодействия многокомпонентных газо
жидкостных потоков с многоволновыми колебаниями открытых резонаторов,
реализация их в промышленных технологиях газодобычи
Научная новизна диссертационной работы В диссертации с единых позиций рассмотрены и в значительной степени решены важные новые задачи
исследования волновых явлений и колебаний в классе открытых волноводных и резонансных структур и разработки на этой основе устройств и систем диагностики объектов в ограниченной пространственной области на малых расстояниях Их научная новизна заключается в следующем
Получены новые сведения о параметрах распределенной связи (PC) волн ДВ в широком диапазоне их обликов и параметров, а также волн в системах таких ДВ Предложены, исследованы и реализованы оригинальные фазо-метрические и поляризационные устройства на ДВ для стендовой диагностики
Исследованы волновые характеристики и PC волн в элементах ДИС объемного ірОрмооиразования ±±а этой основе предложен и реализован ряд оригинальных устройств диагностики и создана технология изготовления ДИС
Впервые разработан универсальный интерферометр КВЧ диапазона на ДИС Спроектирована и реализована серия интерферометров для диагностики пареметров плазмы и газодинамических процессов (ГДП)
Сформирована новая концепция и основы физической теории зондирующих устройств (ЗУ) для формирования зондирующих волновых образований (ЗВО) и волновых пучков (ВП) в процессе диагностики БПП
синтезирован, развит и реализован физический принцип (ФП) радиоинтерферометрии (РИ), построенный на совокупности взаимодействующих полевых, сигнальных и газодинамических процессов,
исследованы явления многомодового возбуждения и преобразования волн и волновых пучков в нерегулярных структурах Предложены и реализованы новые принципы работы ЗУ на ДВ и волновых пучках
Развиты принципы и методология диагностики БПП с помощью специальным образом создаваемых волновых образований Они обеспечивают измерение перемещений и скоростей объектов диагностики с относительными погрешностями 10"4 и 10" соответственно, что на два порядка лучше известных результатов
Предложен новый способ расходометрии, основанный на оригинальной организации взаимодействия неоднородных газожидкостных потоков со
спектром колебаний открытых сверхразмерных резонаторов (ОСР) Способ реализован в защищенных патентами промышленных технологиях
Новизна научно обоснованных и впервые разработанных в диссертации новых технических и технологических решений подтверждена 24 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения Цикл работ по теории и технике диэлектрических интегральных схем, выполненных в соавторстве, в 1990 г удостоен премии Ленинского Комсомола
Практическая ценность диссертационной работы
Исследования совокупности волновых явлений в открытых структурах и в «функционально ограниченном» пространстве, обликов, свойств и папамет-ров этих структур, а также разработанные на этой основе КВЧ устройства практически обеспечили качественно новый уровень диагностики
1. На базе полученного в работе комплекса знаний об адекватной задачам группе явлений (распределенная связь ДВ, высокодобротный резонанс в дисковых диэлектрических резонаторах (ДДР) и резонаторах Фабри-Перо, спектр колебаний в ОСР, волновые образования и волновые пучки в открытых структурах) созданы средства и методы диагностики для рассмотренных прикладных задач В частности, с непосредственным участием автора уже разработаны
стенды измерения є, tg 8 диэлектриков и взрывчатых составов (ВС) на основе ДДР и ОР,
стендовые интерферометры на основе ДВ для неразрушающего контроля обтекателей антенн и радиопрозрачной теплозащиты,
серия бортовых интерферометров/рефлектометров на основе ДИС для диагностики плазмы;
интерферометры для полигонных исследований газодинамических взрывных процессов,
класс зондирующих устройств (волноводно-пучковых преобразователей) на основе ДВ и открытых квазиоптических устройств,
многофазные расходомеры на основе ОСР
Разработанные средства и методы позволили исследовать различные типы теплозащиты и конструкций ЛА при их высокотемпературном скоростном нагреве, решить задачу бортовой диагностики плазмы
Развитые в работе средства и методы радиоинтерферометрии (РИ) обеспечили качественно новый уровень диагностики с точностями измерения положений и скоростей фронтов ГДП, близкими к предельно возможным
Созданные комплексы и методы РИ, не имеющие аналогов в мировой практике, явились инструментарием для широкомасштабных фундаментальных и прикладных работ по исследованию закономерностей газодинамики взрывных процессов в Российских Федеральных Ядерных Центрах
Впервые созданные научно-методические основы многофазной расхо-дометрии газоконденсатных месторождений реализованы в уникальных промышленных технологиях газодобычи и внедрены на ряде месторождений
Достоверность полученных результатов. Научные положения, результаты и выводы диссертации достаточно аргументированы и обоснованы благодаря следующим ее особенностям и качествам
в работе корректно применены проверенные и достоверные электро
динамические и экспериментальные методы исследования,
« устройства и системы диагностики, построенные на основе результатов проведенных исследований и разработок, прошли циклы испытаний и метрологическую сертификацию,
многие устройства и приборы прошли промышленную эксплуатацию
Все это не оставляет сомнения в достоверности сформулированных в
диссертации положений, выводов и рекомендаций
Личный вклад. Все изложенные в диссертации научные положения предложены и обоснованы, а выводы и рекомендации сформулированы лично соискателем В большинстве совместных публикаций соискателю принадлежит основная роль Описанные в диссертации научно обоснованные технические решения разработаны при определяющем участии автора и под его руково-
дством. Конкретный вклад автора в результаты диссертации и в совместные публикации оценен в Заключении организации, где выполнялась работа
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на более чем двух десятках международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумов и конференций Вот их список. Всесоюзная сессия НТОРЭС им А С Попова (Москва, 1974), Всесоюзный симпозиум по приборам, технике мм волн (Москва, 1976), II и III Всесоюзные симпозиумы по мм и субмм волнам (Харьков, 1978, Горький, 1980), XV Всесоюзная научно-техническая конференции по радиоприемным устройствам (Ленинград, 1985), Всесоюзные научно-технические конференции «Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаюрах» (Саратов, 1983, Тбилиси, 1988), Международные симпозиумы «Миллиметровые волны в медицине и биологии» (Москва, 1991 и 1995), Международный симпозиум ISMART'93 (Эйлаг, Израиль, 1993), 11 Международный симпозиум по электротерапии (Колумбийский университет, Нью-Йорк. 1995), 1-ый Международный конгресс «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего» (Тюмень, 1996), XX Всемирный газовый конгресс (Копенгаген, 1997), XI Международная конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2001), Общероссийская конференция «25-летие Тюменской научно-производственной школы расходометрии» (Тюмень, 2003), 111, IV и V Международные научно-технические конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 2004, Н Новгород, 2005, Самара, 2006); Международные конференции «Экстремальные состояния вещества Детонация Ударные волны» - VII и IX Харитоновские тематические научные чтения (Саров, 2005 и 2007), Международная конференция «Актуальные проблемы радиофизики «АПР-2006» (Томск, 2006), Московский Электромагнитный семинар им Я Н Фельда (Москва, 2007)
На защиту выносится следующая совокупность научных положений
Результаты исследования принципов работы, обликов и свойств поляризационных и фазометрических устройств на гибких диэлектрических волноводах (ДВ), их реализация в средствах стендовой диагностики
Принципы построения диэлектрических интегральных схем (ДИС) на основе ДВ объемного формообразования, свойства их элементов и защищенная патентами технология их изготовления Создание на этой базе класса универсальных устройств бесконтактной диагностики
Концепция и основы физической теории зондирующих устройств (ЗУ) и водноводно-пучковых преооразователсп ^ихх±і.; для формирования зондирующих волновых образований (ЗВО) и волновых пучков в диагностике БПП
физический принцип РИ в совокупности взаимодействующих полевых, сигнальных и диагностируемых (газодинамических) процессов,
принципы работы ЗУ и ВПП на ДВ, на их системах и на лучеводах,
облики ЗУ для диагностики газодинамических взрывных процессов
Совокупность развитых методов и средств РИ, обеспечивших измерение перемещений и скоростей диагностируемых объектов с относительными погрешностями 10"4 и 10'3 соответственно, а в перспективе - также и исследование пространственных свойств фронтов БПП
Способ и устройства расходометрии на основе специальной организации взаимодействия неоднородных газожидкостных потоков с многоволновыми колебаниями открытых сверхразмерных резонаторов
Новые технические решения и разработки промышленной аппаратуры, обеспечивающие выполнение задач бортовой диагностики плазмы, газодинамических исследований в Российских Федеральных Ядерных Центрах, диагностики и расходометрии газоконденсатных потоков
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 229 наименований, 3 приложений и і 1 документов внедрения результатов работы Объем диссертации составляет 314 страниц, включая 263 страницы основного текста. 79 рисунков и 18 таблиц
