Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментально-теоретические исследования электрофизических явлений в ракетных и реактивных ДУ 12
1.1. Электрофизические характеристики продуктов сгорания 13
1.2. Основы математического моделирования электрофизических процессов при горении 16
1.3. Экспериментальное исследование электрофизических процессов в ламинарных и турбулентных пламенах 21
1.4. Экспериментально-теоретические исследования электрофизических процессов в ЭСУ и ДУ 25
1.5. Системы диагностики и аварийной защиты ЭСУ и ДУ на основе регистрации электрофизических характеристик рабочих процессов 46
1.6. Выводы по обзору экспериментально-теоретических исследований и постановка задач исследований 49
Глава 2. Математическая модель электрофизических процессов в газовых трактах жидкостных ракетных двигателей 53
2.1 Модель расчета электромагнитных характеристик гомогенных продуктов сгорания ЖРД на углеводородном топливе 53
2.2 Результаты математического моделирования и численных расчетов 62
2.3. Тестирование и верификация математической модели 70
2.4. Выводы по второй главе з
Глава 3. Экспериментальные исследования электромагнитных характеристик продуктов сгорания модельного ЖРД 80
3.1. Описание экспериментальной установки 80
3.2. Описание конструкции камеры модельного ЖРД на углеводородном топливе 86
3.3. Система измерения и регистрации электрического и магнитного поля продуктов сгорания и характеристик рабочего процесса ЖРД 89
3.4. Градуировка датчиков магнитного и электрического поля 93
3.5. Экспериментальные исследования и анализ результатов 99
3.5.1. Интегральные характеристики электромагнитного поля продуктов сгорания 100
3.5.2. Спектральный анализ колебаний напряженности электромагнитного поля продуктов сгорания 109
3.6. Выводы по третьей главе 119
Глава 4. Анализ и оценка быстродействия систем авариной защиты ЖРД на основе регистрации электромагнитных характеристик ПС УВТ 120
4.1. Математическая модель САЗ модельного ЖРД 121
4.2. Выводы по четвертой главе 130
Основные выводы 131
Список литературы
- Экспериментальное исследование электрофизических процессов в ламинарных и турбулентных пламенах
- Результаты математического моделирования и численных расчетов
- Система измерения и регистрации электрического и магнитного поля продуктов сгорания и характеристик рабочего процесса ЖРД
- Математическая модель САЗ модельного ЖРД
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время средства аварийной защиты (САЗ) жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ) для любого летательного аппарата (ЛА) являются её неотъемлемой частью конструкции и обеспечивают её функционирование с заданной вероятностью безотказной работы 0,9995...0,9998.
В связи с вышесказанным появляется необходимость в создании таких
активных САЗ, которые бы позволили осуществлять диагностику рабочего
процесса в ЖРДУ в реальном времени с целью эффективного и своевременного
обнаружения развития аномальных явлений. Существующие системы
диагностики, например, в ЖРДУ основываются на получении информации о работоспособности узлов двигателя, в частности турбонасосного агрегата, регистрируя частоту вращения и перемещения ротора, температуру генераторного газа и др. Описанные системы косвенно отражают рабочие процессы в двигателе и не могут дать первичную информацию о последних с необходимым быстродействием. Высокие значения температуры газового потока (3100... 3900 К) в камерах сгорания ЖРД и сложность конструкции также накладывают определенные трудности при реализации стандартных методов и систем диагностики рабочих процессов, в частности зондовых.
Среди современных методов диагностики внутрикамерных физико-химических процессов, протекающих в газовых трактах энергосиловых установок, представляются наиболее перспективными бесконтактные методы, основанные, например, на регистрации электрофизических характеристик продуктов сгорания (ПС) топлив, которые содержат положительно и отрицательно заряженные ионы, электронный газ. Часть электрического заряда выносится из камеры двигателя основным потоком ПС. Реализуемое при этом течение можно назвать электрогазодинамическим, т.к. характеризуется малым значением плотности электрического тока (10 мА) и большим электрическим потенциалом (-100 кВ).
Регулирование тяги двигателя, соотношения компонентов, ввод в камеру сгорания присадок и т.д. - процессы, являющиеся неотъемлемой частью эксплуатации двигателя, влияют непосредственно на физико-химический и ионный состав ПС. Измерение концентраций заряженных частиц, регистрация электромагнитных полей дает информацию об электрофизических параметрах, по которым, в свою очередь, можно судить о качестве протекания внутрикамерных рабочих процессов.
Таким образом, актуальность темы диссертации определяется потребностью в разработке эффективных систем диагностики и аварийной защиты ракетных двигателей, основанных на бесконтактных методах диагностики рабочего процесса по электрофизическим характеристикам ПС топлив в обеспечение сохранности уникального стендового оборудования и анализа результатов летных испытаний и эксплуатации ракет-носителей.
Цель диссертационной работы заключается в экспериментально-теоретическом обосновании использования электрофизических характеристик ПС ЖРД на углеводородном топливе для разработки бесконтактных эффективных средств диагностики и аварийной защиты.
Предмет исследований. В диссертации экспериментально и теоретически исследовалось влияние изменения режимных параметров модельной камеры ЖРД на электрофизические характеристики ПС углеводородного топлива.
Объект исследований. В качестве объектов исследований в диссертации рассматриваются камеры модельного и натурных ЖРД на углеводородном топливе и первичные измерительные преобразователи - датчики магнитного и электрического ПОЛЯ.
Научная новизна работы.
-
Разработана осесимметричная математическая модель электрофизических процессов в камере жидкостного ракетного двигателя на углеводородном топливе, учитывающая особенности газодинамического контура камеры двигателя и свойства термо-газодинамических характеристик ионизированных продуктов сгорания углеводородного топлива при различных начальных режимных параметрах.
-
Получены расчетные зависимости от основных режимных параметров работы модельного ЖРД и камеры маршевого ЖРД РД-171М электрических потенциалов элементов конструкции сопла двигателя и амплитуды напряженности магнитного поля в диапазоне изменения коэффициента избытка окислителя (Хок = 0,5... 0,85 для углеводородного топлива.
-
Определена близкая к линейной зависимость напряженности магнитного поля продуктов сгорания углеводородного топлива в области критического сечения от давления в камере сгорания, которая может быть рекомендована в качестве задающего параметра системы контроля и диагностики ЖРД.
-
С помощью частотного анализа колебаний напряженности магнитного и электрического полей впервые получены спектры сигналов и их частотно-амплитудные характеристики в зависимости от времени испытания и текущего давления в камере сгорания.
-
Разработана математическая модель и методика расчетного анализа параметров быстродействия системы аварийной защиты ЖРД на основе контроля характеристик магнитного поля продуктов сгорания при скачкообразном изменении давления в КС и площади критического сечения сопла.
Практическая значимость результатов заключается в следующем.
-
В разработке математической модели, описывающей генерацию и протекание электромагнитных процессов в ПС ЖРД при горении топлив с учетом геометрических особенностей проточного тракта камеры ЖРД и состава топлива, а также режимных параметров двигателя.
-
В выявлении зависимостей электрофизических характеристик ПС от режимных параметров ЖРД для назначения диагностических признаков протекания рабочих процессов.
З. Разработана структурная схема схемы системы аварийной защиты ЖРД на основе регистрации амплитуды напряженности магнитного поля, обладающей большим быстродействием (-0,02 с) по сравнению с традиционными средствами (-0,04...0,05 с).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Осесимметричная математическая модель, алгоритм и результаты численного анализа электрофизических характеристик модельного и маршевого ЖРД на углеводородном топливе (УВТ).
-
Методика огневых испытаний модельного ЖРД с регистрацией электрофизических характеристик ПС углеводородного топлива.
-
Результаты частотного анализа переменных составляющих сигналов измерительных преобразователей электрического и магнитного полей при моделировании разгара критического сечения.
-
Результаты анализа возможности использования САЗ на основе регистрации амплитуды напряженности магнитного поля ПС. Достоверность полученных результатов подтверждаются.
-
Использованием фундаментальных уравнений газодинамики, магнитогидродинамики, теории горения.
-
Удовлетворительным согласованием результатов численных расчетов и проведенных в работе экспериментов, а также их удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными других авторов.
-
Применением аттестованных средств измерения и регистрации, обеспечивающих необходимую точность для теплотехнических экспериментов. Апробация работы проведена на Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна 2010», ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н. Э. Баумана, (Москва. 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Ракетно-космические двигательные установки», ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н. Э. Баумана, (Москва. 2010); на «XXXVI Академических Королёвских научных чтениях по космонавтике», ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н. Э. Баумана, (Москва. 2012); на Всероссийской научно-технической конференции «Ракетно-космические двигательные установки», ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н. Э. Баумана, (Москва. 2013); на XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия», (Москва. 2014)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы; содержит 142 страницы, 75 рисунков и 19 таблиц. Список литературных источников состоит из 83 позиции.
Экспериментальное исследование электрофизических процессов в ламинарных и турбулентных пламенах
Исследование электромагнитных свойств высокотемпературных газовых потоков как научное направление начало свое развитие с исследования влияния на газодинамический поток внешних электромагнитных полей. Начиная с 30-х гг. XX века работы по исследованию магнитогазодинамических (МГД) течений велись как в нашей стране, так и за рубежом. Наиболее масштабные экспериментальные и теоретические исследования внутренних МГД течений в энергетических и движительных установках проводились в ЦИАМ им. П.И. Баранова, НИЦ «Курчатовский институт», ФЦДТ «Союз» и др. В результатах работ [3 - 15] выявлено увеличение скорости горения ( 10 раз) и скорости распространения пламени в продольных и поперечных электрических полях. Причем, в зависимости от схемы наложения поля наблюдалось как уменьшение, так и увеличение указанных параметров. Основной физической предпосылкой являлось то, что при высоких температурах газ обладает естественной электропроводностью вследствие собственной ионизации, либо благодаря введению ионизирующих присадок, что используется при создании рабочей среды в МГД установках.
Созданная таким образом отдельная область газодинамики позволила описать электрофизические свойства газовых потоков и объяснить влияние внешних электромагнитных полей на рабочие процессы и их интенсификацию в двигателях (устойчивость и скорость горения) [16, 17]. Изучение МГД течений позволило также сформировать математический аппарат для описания процесса генерации собственных магнитоэлектрических полей ПС ракетных двигателей.
По своей природе сопровождающие процессы горения электрические явления подразделяются на "собственные" и внешние. Причем первые обусловлены естественным, а вторые - искусственным разделением заряженных частиц в пламени. "Собственные" электрогазодинамические процессы возникают вследствие различной подвижности ионов и электронов, что приводит к диффузионному разделению зарядов и к образованию в пламени электрического поля.
Свойство ионизированных ПС генерировать электромагнитные поля нашло своё применение при разработке методик и аппаратуры для технической диагностики физико-химических процессов, протекающих в камере ракетного двигателя.
В настоящее время экспериментально отрабатывались несколько способов диагностики рабочего процесса по электрофизическим характеристикам ПС. Среди известных методов по характеру влияния на газодинамический поток различают основные два. 1. Диагностику зондовым методом (плазменно-ионные детекторы) [18]. 2. Бесконтактную диагностику по собственным электромагнитным полям ПС [19]. Зондовый метод предусматривает установку уловителей заряженных частиц (зонд Ленгмюра) [20]. Установка таких зондов в высокотемпературные и высокоскоростные турбулентные потоки ПС позволяет прослеживать за реакциями температурной и химической ионизации по уровню концентраций частиц разноименных зарядов и получать диагностическую информацию из внутренних полостей газовых трактов в виде электрических сигналов. На Рис. 1.1, в качестве примера приведены частотные характеристики (спектры) пульсаций давления в камере сгорания ЖРД (Рис. 1.1, а) и снимаемых напряжений с электрических зондов, установленных в разных зонах КС (Рис. 1.1, б) [21].
Эксперименты с электростатическими зондами показывают, что в некоторых пламенях существуют повышенные электронные температуры. Так, например, в работе [22] использовались двойные зонды при пониженных давлениях и были обнаружены электронные температуры до 30000 К. В связи с тем, что электроны, обладающие энергией, превышающей потенциал ионизации, могут легко ионизировать атомы и молекулы, А. Энгель [23] предположил, что эти электроны являются источником ионизации в той области пламени, где зарегистрированы повышенные электронные температуры.
Работа [24], в которой исследовалась ионизация в пламенях смесей оксида углерода и кислорода с добавками углеводородов, показала, что в этих пламенях происходит не только химическая ионизация, но и образуется значительное количество ионов 02+, которые могут возникать в присутствии электронов при повышенных температурах. Предполагается, что последние появляются в результате взаимодействия с возбуждёнными молекулами СО2, которые в свою очередь образуются при рекомбинации молекул монооксида углерода с атомарным кислородом. В соответствии с общепризнанными фактами, наиболее вероятным механизмом является химическая ионизация. Причём считается, что могут протекать только экзотермические или слабо эндотермические реакции. В работе [24] были предложены следующие эндотермические реакции, описывающие химическую ионизацию в пламени: СН+0-СНО++е-, СН+С2Н2 -Э СзНз++е".
Более детальными исследованиями установлено, что в пламени существует разделение зарядов [25], причём положительный объёмный заряд сосредоточен в реакционной зоне (во фронте пламени), а отрицательный - в предпламенной зоне. Предполагается, что разделение зарядов обусловлено амбиполярной диффузией [26], а носителями отрицательного заряда в пламени являются электроны и отрицательные ионы.
Результаты математического моделирования и численных расчетов
Необходимые результаты термо-газодинамических расчетов при учете процессов горения, вязкости газа и особенностей геометрии проточного тракта могут быть получены при использовании программного комплекса «Ansys FLUENT». Расчет характеристик собственного электромагнитного поля проводился с применением модуля «Ansys Fluent MHD». Для корректного решения поставленной задачи использовался сеточный генератор «Ansys ICEM CFD».
Последовательность подготовки исходных данных для решения газодинамической задачи истечения ионизированных ПС и электрофизической задачи, описывающей собственное электромагнитное поле ПС, схематично представлена на Рис. 2.2.
Схема расчета характеристик собственного электромагнитного поля ПС УВТ Для моделирования осесимметричного равновесного стационарного течения газа в сопле с использованием программы «Ansys FLUENT» составлялась система уравнений, которая включала в себя уравнения: неразрывности (1), сохранения количества движения в проекциях на координатные оси г (2) и х (3) в форме Навье-Стокса, энергии (4) и уравнение состояния (5). Диссипация энергии и касательные напряжения определялись в рамках стандартной двухпараметрической (k-є) - модели турбулентности [67] из уравнений (6) и (7) соответственно. Данная модель наиболее достоверна при расчете пристеночных течений и удовлетворяет требованиям по точности расчета газодинамических параметров при истечении газа из сопла двигателя. где p - плотность, wr, wx - проекции скорости на оси г и х,р - давление, Т -температура, /и - вязкость, Но - энтальпия, kt - турбулентная теплопроводность, Ср - теплоемкость, RM - газовая постоянная, к -турбулентная кинетическая энергия, є - скорость диссипации турбулентной энергии, fit - турбулентная вязкость, ое, ои - числа Прандтля для к и є соответственно, Сів, С2в - константы модели турбулентности, Ххг - тензор напряжений. Собственное электромагнитное поле ПС в модуле «Ansys Fluent MHD» описывалось системой уравнений Максвела методом электрических потенциалов
Для геометрии проточной части модельной камеры ЖРД (Рис. 2.3, а), на которой в работе проводятся экспериментальные исследования, была построена конечно-элементная модель в виде структурированной сетки с общим числом элементов 24053 (Рис. 2.3, б). Модельная камера включает в себя цилиндрическую камеру сгорания диаметром 60 мм и длинной 20 мм (значительно уменьшенная длина КС 20 мм выбрана для сокращения числа расчетных ячеек), конический дозвуковой участок с углом раскрытия 90, цилиндрический участок критического сечения длиной 7,5 мм и сверхзвуковую часть конического сопла с углом раскрытия 30.
Моделирование рабочего тела проводилсь путем расчета термодинамических свойств ПС этилового спирта (СгШОЦж)) с объемной концентрацией 75% и газооразного кислорода (Ог) при a = 0,58...2. В результате термодинамического расчета горения указанной топливной пары в программе «Terra» [68] были получены распределения теплоємкостей Ср в зависимости от температуры ПС Т при исходном значении коэфициента избытка окислителя а, которые аппроксимировались полиномиальными зависимостями:
Для исследования полученного магнитогазодинамического течения ионизированных ПС УВТ проводилось совместное решение систем уравнений (1) - (7) и (8) - (10). При этом необходимо дополнить граничные условия и ввести описание физических свойств исследуемого рабочего тела (ПС УВТ) для магнитогазодинамической задачи. Таким свойством является электрическая проводимость. В данной математической модели электрическая проводимость ПС УВТ с удовлетворительной точностью описывалась по методу, изложенному в [69, 70] выражением где ка - поправочный (кинетический) коэффициент; qe, - элементарный заряд; Ne - объемная концентрация электронов; /ie - подвижность электрона. Подвижность электронов находилась из зависимости здесь гпе - масса электрона; (ve) - средняя частота электронных столкновений, которая определялась выражением где Nt, Wt - концентрация и скорость положительных ионов. При методе, представленном на схеме (Рис. 2.2), подлежат определению концентрации заряженных частиц в ПС УВТ (газообразный кислород и 75% водный раствор этилового спирта), например, с помощью термодинамических расчетов по программе «Terra» в зависимости от коэффициента избытка окислителя а (Таблицы 5, 6).
По результатам термодинамических расчетов (Таблицы 5,6) носителями положительных зарядов в ПС являются ионы СНО+, С2ШО+, СзШ+, СНз+, 0+, СО+, ОН+, Н20+, НзО+, Н502+, НзОз+, преобладающими из которых являются ионы НзО+. Носителями отрицательного электрического заряда в продуктах сгорания являются свободные электроны.
Полученные значения объемных концентраций положительных ионов НзО+ и электронов аппроксимировались в зависимости от значений а в КС и текущей температуры потока Т следующими функциями. ГТ1 \ A3& + A4
Подстановкой полученного выражения для концентраций заряженных частиц из (13) в выражение (10) была получена зависимость электропроводности ПС УВТ кислород + этанол от статической температуры, которая для ввода в базы данных «Fluent MHD» была аппроксимирована полиномом четвертого порядка:
Система измерения и регистрации электрического и магнитного поля продуктов сгорания и характеристик рабочего процесса ЖРД
Для практического использования результатов экспериментального исследования необходимо знать погрешность их измерений, определяемую систематической и случайной составляющей. Разработанные методики определения параметров рабочего процесса в ЖРД характеризуются, как правило, тем, что преобладающей является систематическая погрешность. Этот факт позволяет сократить количество экспериментов, а в качестве меры погрешности измерения принять большую, которая зависит от погрешности измерительных приборов, а также средств регистрации.
Оценка погрешностей косвенных измерений параметров проводилась согласно методике [73]. Основные характеристики, определяемые косвенным путём - массовое соотношение компонентов в КС Кт и коэффициент избытка окислителя а (Таблица 16).
Примечание: Kmo - коэффициент массового стехиометрического соотношения компонентов (Кто = 1,465 для топливной пары этиловый спирт (75% по объему) - газообразный кислород).
Таким образом, расчет предельных погрешностей косвенных измерений параметров показал удовлетворительную для теплофизического эксперимента точность, что свидетельствует о надежности получаемых экспериментальных данных.
Градуировка ДМП осуществлялась путем измерения магнитного поля внутри соленоида длиной /с=300 мм и диаметром dc = 30 мм (Рис. 3.8). Для прямого соленоида, длинна которого значительно больше диаметра витков, напряженность магнитного поля внутри него определялась из выражения:
Поскольку соотношение /c/dc= 10, то будем считать, что внутри соленоида магнитное поле однородно, т.е. имеет одинаковую напряженность и направление (вдоль оси соленоида) во всех точках. ДМП располагался внутри соленоида примерно на его середине перпендикулярно к оси соленоида. Контроль перпендикулярности осуществлялся по максимуму снимаемого сигнала по каналу МП2П. На Рис. 3.9 приведен фрагмент записи сигналов с ДМП, полученных в процессе градуировки.
Сигнал датчика с канала МП2П изменяется с частотой изменения магнитного поля. При этом информацию об уровне магнитного поля может нести амплитуда сигнала или значение среднего уровня сигнала. Для выяснения целесообразности использования амплитудного или среднего значения сигнала по каналу МП2П исследовалось влияние на их значения напряженности и частоты изменения магнитного поля. Основными варьируемыми параметрами приняты: величина силы тока I и его частота f. Были проведены две серии градуировок: при постоянном значении f и переменном I и наоборот. На Рис. 3.10 представлены зависимости сигналов ДМП от частоты при амплитуде напряженности магнитного поля Н=28 А/м. ґ,кГц
Отмечалась сравнительно небольшая зависимость от частоты среднего уровня сигнала и сигнала по каналу МП4П. Начинающийся на частоте 4 кГц "завал" выявляет пропускную способность комплекса "датчик - усилитель" по частоте.
Для исследования зависимости сигнала ДМП от напряженности магнитного поля была выбрана фиксированная частота f = 2 кГц, поскольку это значение соответствует верхней частотной границе чувствительности ДМП. Как следует из результатов градуировки (Рис. 3.11), зависимость сигнала по каналу МП4П может быть удовлетворительно аппроксимируема линейной функцией:
Градуировка ДЭП осуществлялась путем измерения электрического поля внутри пространства, образованного двумя плоскими пластинами металлизированного стеклотекстолита размерами 200x200 мм, установленными параллельно на расстоянии 10 мм (Рис. 3.12). Напряженность электрического поля внутри пластин рассчитывалась согласно выражению:
Внешний вид участка градуировки ДЭП В процессе градуировки допускалось, что в центре пространства между пластинами электрическое поле однородно, т.е. имеет одинаковую напряженность и направление во всех точках, силовые линии поля перпендикулярны пластинам, а краевые эффекты незначительны. ДЭП располагался между пластинами примерно посередине между ними. Установка параллельности плоскости датчика и пластин осуществлялась изолирующими прокладками между ними. Исследовалось влияние напряженности и частоты изменения электрического поля. На Рис. 3.13 представлены зависимости сигналов ДЭП от частоты при амплитуде изменения напряженности электрического поля Е = 10 кВ/м.
Зависимость амплитуды сигнала ДЭП по каналу ЭПЗП от частоты в диапазоне f = 0,1 - 5 кГц и зависимость сигнала по каналу ЭП4П в диапазоне f = 3,5 - 7кГц прослеживается практически линейная. Очевидна независимость от частоты среднего уровня сигнала по каналу ЭП2П. Постоянное значение сигнала по каналу ЭПЗП, начиная с частоты f « 1,5 кГц, обусловлено полосой пропускания блока усилителя, осуществляющего аналоговую фильтрацию сигналов, поступающих по каналу ЭП2П. Исследование зависимости сигнала ДЭП от напряженности электрического поля проводилось при двух фиксированных частотах 0,7 кГц и 8 кГц. Результаты градуировок при изменении напряженности электрического поля на фиксированных частотах приведены на Рис. 3.14 а, б.
Из приведенных выше графиков видно, что сигналы ДМП и ДЭП по каналам МП2П и ЭП2П существенно зависят от напряженности внешнего магнитного и электрического полей и от частоты их изменения, т.е. Ццмп, Ццэп = f(H, Е, f). В этом случае, обратное преобразование - нахождение напряженности магнитного и электрического полей по сигналу датчиков неоднозначно. Выявление истинных значений напряженности полей по каналам датчиков МП2П и ЭП2П возможно с помощью разложения сигналов в ряд Фурье, умножением амплитуд выделенных частот на соответствующие коэффициенты, нормирование полученного разложения и применением обратного преобразования Фурье. Подобный подход требует большой объем вычислений. В связи с этим в работе было принято решение не определять истинное значение напряженности полей по каналам ЭП2П и ЭПЗП, так как дальнейший спектральный анализ значений напряжений, снимаемых с них, уже позволяет выделить характерные частоты электромагнитного поля истекающей струи продуктов сгорания ЖРД.
Математическая модель САЗ модельного ЖРД
Основным методом частотного (спектрального) анализа является метод расчета статистических спектральных характеристик сигнала. При анализе данных часто встречаются случаи, когда больший интерес представляет спектральная характеристика сигнала, позволяющая выделить устойчивые частотные составляющие на фоне случайных шумов. Например, в работе [74] применение данного метода для анализа процесса горения твердого топлива дало возможность легко определять моменты начала и конца процесса горения, а также находить время задержки зажигания, а в работах [75, 76] позволило удалять помехи и случайные шумы, верхняя частота которых превышает половину частоты дискретизации.
Вторичная обработка сигналов с высокой частотой выборки, может проводиться с помощью известных программных систем инженерных расчетов Ansys, Lab View, Matcad, Matlab, Statistica, S-Plus Statistica Standart, WinLTOC и др. имеющих эффективные встроенные пакеты статистической обработки.
Проведенное сравнение вышеуказанных пакетов показало схожесть используемых приемов и алгоритмов статистического анализа. Основные различия между ними связаны с реализацией интерфейса пользователя, форматами хранения структурированных данных и удобством графического представления результатов. В настоящей работе применялся пакет «Matlab» и программный комплекс «WinnOC» разработки НПП «Мера».
Спектральный анализ информации проводился по каналам ЭП2П (переменная составляющая сигнала напряженности электрического поля) и МП2П (переменная составляющая сигнала напряженности магнитного поля), которые опрашивались аппаратно-программным комплексом с частотой до f 20 кГц.
При использовании системы «Matlab» спектральные характеристики анализировались с помощью выполняемых программ «SPECTRUM» и «SPECGRAM» из пакета прикладных программ «Signal Processing Toolbox», которые используют алгоритм построения периодограмм Уэлча (Welch s).
Подпрограмма «SPECTRUM» позволяет для двух групп статистически соотнесенных временных выборок данныххиуи доверительным интервалам их значений рассчитать вектор спектральной плотности энергии сигналов х, у соответственно и их доверительные диапазоны. При проведении спектрального анализа применялись установки, рекомендованные по умолчанию, за исключением назначения реальной частоты опроса первичных измерительных преобразователей.
Программа «SPECGRAM» позволяет получать трехмерную спектрограмму, показывающую изменение спектральной мощности различных частот от времени, отображая, ее в виде двумерного цветного изображения, на котором изменение цвета соответствует изменению спектральной плотности.
С учетом частоты опроса датчиков по каналам ЭП2П и МП2П при построении спектральных характеристик в программе «Matlab, SPECGRAM» использовались 256 коэффициентов ряда Фурье (параметры программ SPECTRUM и SPECGRAM по умолчанию) мощность спектра оценивалась в 129 точках.
Топограммы спектральной мощности колебаний электрического и магнитного поля, полученные при обработке информации за все время пуска в программе «WinnOC» и «Matlab» (Signal Processing Toolbox), представлены на Рис. 3.23, 3.24 соответственно.
Топограммы сигналов электрического (а, б) и магнитного (в, г) полей ПС модельного ЖРД, полученные в программе «Matlab» Визуальный анализ топограмм позволяет выделить в общем спектре колебаний, наличие «шумов» в системе регистрации, вызванных работой электроискровой системой воспламенения, а также собственных электромагнитных колебаний струи ПС, истекающей из сопла.
В связи с этим сначала было выполнено исследование «шума», генерируемого системой регистрации, в частности, источниками питания и коммутирующими элементами измерительной цепи. Анализ спектральной плотности «шума» каналов ЭП2П и МП2П проводился по сигналам, зарегистрированным датчиками после включения системы регистрации и до начала огневого пуска (см. Рис. 3.17, время пуска от 1,0 до 1,5 с).
В рамках спектрального анализа алгоритмами программы «WinlTOC» [77] вычислялись следующие характеристики переменных составляющих сигналов ЭП и МП: амплитудный спектр и спектр плотности мощности.