Быстродействующие радиоволновые датчики параметров реактивных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

скоростных параметров» и «Самолетовождения и навигации», а также систем «Управления полетом» и «Предупреждения критических режимов с искусственным интеллектом, содержащим информацию руководства летному экипажу и подсказки летному экипажу».

Выводы:

В работе показано, основным преимуществом отказоустойчивой системы ИМА, из которых синтезируется отказоустойчивый комплекс бортового оборудования летательного аппарата КБО ЛА, яв-

ляется возможность достижения надежности обеспечивающей выполнение норм летной годности и регулярности полетов без технического обслуживания в межрегламентный период.

Эксплуатация отказоустойчивых КБО ЛА без технического обслуживания (принцип Maintenance Free Operating Periods) позволяет существенно (приблизительно до пяти раз) снизить их расходы на техническую эксплуатацию по отношению к тем ж расходам на комплексы, эксплуатируемые по техническому состоянию до отказа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авиационные правила. Ч. 25: Нормы летной годности самолетов транспортной категории. М.: Изд-во Межгос. Авиац. Комитета. 2009.

2. Типовые требования к эксплуатационно-техническим характеристикам комплексов бортового оборудования гражданских магистральных самолетов, самолетов МВЛ и авиации общего назначения. Утверждена заместителем директора ГосНИИ «Аэронавигация В.Я.Кушельманом 10 мая 1994 г.

3. А.А. Авакян, В.В. Клюев «Синтез сложных многофункциональных отказоустойчивых систем электроники», «Издательский дом «Спектр», Москва, 2014 г.

4. SC-200 © 2005, RTCA Inc. Руководство по вопросам разработки и сертификации интегрированного модульного авиационного радиоэлектронного оборудования (IMA) ДО-297. RTCA, Incorporated, 1828 L St NW„ NW„ 805 Washington, 2005 г.

5. А.А. Авакян, Н.К. Юрков «Создание отказоустойчивых систем электроники на основе управляющей избыточности», журнал «Труды международного симпозиума надежность и качество», издательство «Пензенский государственный университет», г. Пенза , 2011 г.

УДК 629.7.03:658.583

Болознев1 В.В., Застела1 М.Ю., Мирсаитов2 Ф.Н.

1КНИТУ-КАИ, Казань, Татарстан, Россия

2Департамент информационных технологий ООО «Тулпар-Техник», Казань, Татарстан, Россия БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ РАДИОВОЛНОВЫЕ ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Введение. Интерес к быстропротекающим процессам в транспортных тепловых энергетических установках (ТЭУ) и особенно в двигателях летательных аппаратов (ДЛА) обострился еще в 70-е годы прошлого века по ряду причин:

- росту удельной мощности двигателе, в частности, вследствие применения специальных топ-лив;

- участившимися авиакатастрофами и срывам стартов космических аппаратов (за пятьдесят лет космонавтики имело место 6000 удачных стартов и 10 0 0 - неудачных);

- научными успехами в нелинейной термодинамике (нобелевская премия И.М.Пригожину, 1977 [1]) выявившими новые диагностические параметры - быстропротекающие физические процессы, в принципе позволяющие предсказать состояние ТЭУ в полете на одной из доаварийных стадий [2].

Самым динамичным фактором работающей ТЭУ является пламя - поток ионизированного газа, главными энергетическими его параметрами - давление и температура. Однако регистрации этих параметров в динамике ТЭУ препятствует ряд причин. Поэтому внимание инженеров привлекают косвенные параметры, статистически взаимосвязаны с основными. В космических двигателях - жидкостных и твердотопливных - это электронная концентрация плазмы пламен, а в авиационных (газотурбинных) - вибрации лопаток турбин и компрессоров.

Известно множество вполне успешных попыток измерения названных параметров радиоволновыми методами [3]. Однако попытки конструктивного сопряжения датчиков с двигателями, их недостаточные помехозащищенность и эрозионная стойкость препятствуют внедрению известных методов в функциональную (полетную) диагностику ТЭУ. В то же время быстродействие радиоволновых методов и возможность выявления спектра диагностического параметра в широком диапазоне (присущие радиоволновым средствам) побуждают искать новые технические решения.

Цель работы состоит в описании разработанных авторами и их коллегами способов и средств оперативной диагностики внутрикамерных процессов в космических и авиационных ТЭУ путем зондирования сверхвысокочастотным радиоизлучением. Косвенными диагностическими параметрами являются электронная концентрация, плотность теплового потока и вибрации лопаток. Регистрации подлежа-

ла информативная высокочастотная часть спектров, в наибольшей степени отображающая аномальные режимы. Обязательными условиями ставились невозмущающий характер контроля при полной конструктивной совместимостью с действующими ТЭУ.

Функциональные и конструктивные особенности диагностической аппаратуры.

Быстродействующие датчики энергетических параметров по условиям их эксплуатации могут быть разделены на три группы в соответствии с длительностью рабочих циклов ТЭУ:

- короткий - несколько секунд - рабочий цикл, имеющий место в двигателях орбитального маневра космического аппарата; вариантом является ряд кратковременных включений ТЭУ.

- непродолжительный («стартовый») - несколько минут - до выхода космического аппарата на орбиту или для сведения с орбиты спускаемых аппаратов;

- длительный - несколько часов - характерный для авиадвигателей.

Датчики первой группы работают как «холодные», то есть не успевают заметно изменить под влиянием нагрева рабочие характеристики, например, чувствительность.

Датчики второй группы подвержены существенному изменению характеристик в ходе цикла, в том числе, выходу из строя (к концу цикла это допустимо).

Наконец, датчики третьей группы «успевают» прогреться до отрыва летательного аппарата от взлетно- посадочной полосы и в ходе полета имеют достаточно стабильные показатели.

В функциональном отношении все разработанные датчики представляют собой приемопередающие модули, возбуждающие электромагнитное поле в объеме камеры сгорания или проточного тракта и могут быть отнесены в этом плане к устройствам так называемой сверхближней или ближепольной (near-field) радиолокации. Для этой области радиолокации характерно непосредственное влияние объектов своим присутствием, физической природой и размерами на электрические характеристики антенны: структуру поля в ближней зоне и сопротивление излучения. О свойствах объекта (электронной концентрации, теплового потока или виброперемещения) судят по изменению сопротивления, поскольку его спектр адекватно отобража-

ет спектр объекта, причем в достаточно широкой для диагностики полосе частот.

Разработано и испытано на стенде пять типов датчиков. В основу работы двух из них - датчиков электронной концентрации положена зависимость сопротивления излучения от диэлектрической проницаемости среды (как объекта) [9,4]. Третий датчик [5] имеет термозависимую конструкцию антенны. Четвертый и пятый [6] реагируют на общую конфигурацию секции проточного тракта, в которой имеет место перемещение лопаток турбины.

Для всех датчиков соблюдена конструктивная преемственность. В частности, они снабжены не-выступающими антеннами и предназначены для установки в предусмотренные для стендовой диагностики смотровые окна ( во всех существующих космических и авиационных двигателях такие окна имеются, но в полете закрыты заглушками). Стандартные диаметры этих окон от 4 до 16 мм.

Сразу отметим, что любой из пяти датчиков подвержен влиянию всех трех названных диагностических параметров и совокупности помех, в том числе помех несвойственных для традиционной радиолокации.

Автогенераторный датчик электронной концентрации № [9]

Датчик представляет собой генератор на диоде Ганна с коаксиальным резонатором, в торце которого прорезана кольцевая щель - антенна. Продольный размер резонатора близок к четверти длины волны, а соответствующая частота

/ > Гл(1)

где £л - ленглировская частота, в (в,ш)~80Гц.2м3, причем в (е,т) есть функция только заряда и массы электрона, то есть фундаментальная физическая константа. Частота £ зависит от реактивного сопротивления щели Zл, а оно от размеров щели и концентрации N.

Алгоритм диагностического преобразования

N = 1-С/Л/ ^ гл (2)

В результате СВЧ излучение модулировано по частоте процессами горения, влияющими на концентрацию. При малых приращениях N и £ процесс преобразования и спектр модулированного радиосигнала адекватен спектру концентрации. В космических (жидкостных) реактивных двигателях ^(1017...1018)м-3 и при температурах (1500...2 00 0)К диагностический спектр простирается до (6...9)МГц и в сравнении с обычно регистрируемым средним значением несет значительный объем диагностической информации [3]

В эксперименте чувствительность датчика 5 = д/ / М ~5*10-18 м-3 (при £=4,04ГГц и £л~9ГГц)

У датчика два серьёзных недостатка

- нагрев диода со стороны пламени, поэтому испытуемый двигатель включали не упомянутые выше несколько (2.4) секунд,

- Узкий динамический диапазон, ограниченный с одной стороны ленглиоровской частотой - датчик (1), с другой снижением Б~1/Г2' Поэтому он датчик мало пригоден на старте.

Автодинный датчик электронной концентрации

[4]

В конструкцию предыдущего датчика введен секционированный отрезок волновода. Между генератором и антенной при сохранении общей компоновки конструкции названной многозвенным резонатором. Отрезок играет роль теплоизолирующего элемента, обеспечивающего комфортную температуру диода. В этом варианте схемы имеет место отражение части генерируемой мощности от антенны и перевод генератора в автодинный режим.

Секционирование волноводного отрезка устраняет опасность срыва генерации при кратковременных (но очень характерных для жидкостных ракетных двигателей) увеличениях концентрации N при воспламенении в потоке металлических крошек. За этим следует резкое увеличение ленглио-ровской частоты (1), электрическое закорачива-

ние антенны, переход генератора на более низкую частоту с более устойчивым режимом генерации.

4(1р + г„)

(3)

Где С - скорость света, 1р, 1Ф - длины основного резонатора и отрезка. Секционирование отрезка на участке длинной 1Ф , соответствующей половине длины рабочей волны.

Основные научные результаты работы [4] состоят в расчете теплового режима датчика, отысканию условий устойчивости, а также в обосновании ряда технических предложений по конструкции датчика.

Автодинный датчик плоскости теплового потока

[5]

Существующие датчики указанного назначения заменяют обычные термодатчики в применении к температура выше тысячи градусов. Эти датчики чрезвычайно инерционны и непригодны для измерения быстрых флуктуаций температуры пламён.

В предложенном и исследованном датчике, по конструкции, сходны с предыдущими, роль чувствительного элемента выполняет антенна [ ]. Физический принцип основан на малой тепловой инерционности кольцевой щелевой антенны, прорезанной в тонкой (<0,1мм) мембране.

По закону теплопередачи Фурье амплитуда температурной волны, распространяющаяся от нагрев-ной поверхности твердого тела.

Т^,х) = Т) |1 -^1 + 2р(^) • ехр[-р(П,)]х| ( 4 )

Где Т - амплитуда волны на поверхности, р(0]) коэффициент затухания ^волны, Н - коэффициент теплоотдачи от пламени, Х - координата в направлении теплового потока. На основе данного соотношения рассчитана толщина мембраны (из различных металлов), обеспечивающее контроль флуктуации ширины щели (а, следовательно, и сопротивления антенны) в заданной полосе частот. Реально эта полоса (50.100) Гц, расширение полосы требует уменьшения толщины мембраны, что чревато её тепловой деформацией.

В работе [5] значительное место занимает детальный анализ нетривиальной помеховой ситуации. Специфичная помеха: собственное радиоизлучение пламени. Выбор рабочей частоты здесь ограничен только условием (1). С точки зрения удобства экспериментов выбран номинал 10 ГГц (А=3см).

Автодинные вибродатчики [6, 7]

Выше сказано, что описанные датчики, как и любой локатор, реагируют на вибрации. Это дало основание для оптимизации параметров в данном плане.

Результаты этой работы доложены на симпозиуме "надежность и качество" (Пенза, 2014) и опубликованы в Трудах. Здесь отметим только различие схем и конструкций двух датчиков с описанными выше.

Если в датчиках концентрации и теплового потока сигнал генератора от объекта не отражается, а отражение происходит от антенны, то в данном случае стенки диагностической камеры и рабочие колеса турбины с лопатками способны к отражению. Поэтому антенна должна быть согласованной. Применительно к кольцевой щелевой антенне это неудобно, поскольку сама щель имеет значительную реактивную составляющую сопротивления (хотя датчик вполне работоспособен).

Замена коаксиальной конструкции круглым волноводом, а антенны открытым концом дает лучше результаты. При это чувствительность датчика заметно растет, ростом зондирующей частоты.

В испытанном образце частота 28 ГГц [6].

Заключение

Будучи весьма сходными по схеме и конструкции, датчики существенно различаются по условиям выбора рабочих частот. Для датчиков концентрации - единицы ГГц, для термодатчиков - около 10 ГГЦ, для вибродатчиков - около 30 ГГц. Отсюда различие в размерах.

с

Различны конструкции антенн. У двух первых антенны кольцевые, щелевые с большой разницей в толщине мембран (причины названы выше). Обе антенны слабоизлучающие, поскольку по принципу работы важен коэффициент отражения. У вибродатчиков принцип работы чисто радиолокационный, антенны согласованы и выполнены в виде открытого конца крупного волновода.

Идея радиоволновой диагностики, как средство предотвращения аварий, обсуждалась на многих научных дискуссиях, в том числе на шести зарубежных конференциях European Ezequency and Time

Forum и на защитах трех кандидатский диссертаций [4, 5, 6]. Слушателей смущал высокий уровень помех и, как следствие, низкая точность измерений. Но сопоставление выводов Пригожина стендовых экспериментов в авиации (о космических ТЭУ данных нет) и мнений пилотов главным диагностическим откликом является изменение огибающей спектра, чаще - в виде одного или нескольких всплесков. Оно происходит задолго до угрожающего изменения показаний штатных приборов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пригожин И., Канденуди М. Нелинейная термодинамика. От двигателя до диссинативных систем -М.: Наука, 2003. -612с.

2. Юрков Н.К. Риски отказов сложных технических систем /Н.К.Юрков //Надежность и качество сложных систем: Тр. Межднар. симп. - Пенза, 2014

3. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках //Р.А.Гафуров,

B.В.Соловьев - М.Машиностроение, 1991-271с.

4. Сафонова Е.В. Теплостойкие СВЧ датчики систем контроля режимов горения. Дисс.канд.техн.наук 05.11.13 - Казань, 2003-183с.

5. Станченков М.А. СВЧ датчик плотности теплового потока. Дисс.канд.техн.наук 05.11.13 - Казань, 2012-175с.

6. Мирсаитов Ф.Н. Радиолокационный метод функциональной диагностики ротора газотурбинного авиадвигателя. Дисс.канд.техн.наук 05.12.14 - Екатеринбург, 2014-157с.

7. Мирсаитов Ф.Н., Застела М.Ю., Болознев В.В. Радиолокационная вибродиагностика газотурбинного авиадвигателя в условиях полета -//Мирсаитов Ф.Н. и др. //Надежность и качество сложных систем/ /Тр.Междунар.симп. - Пенза, 2014.

8. Болознев В.В., Сафонова Е.В., Султанов Ф.И., Станченков М.А. Мирсаитов Ф.Н., Сулейманов

C.С., Способ контроля режима ТЭУ и датчик для его осуществления //Патент России, №2374559, 2009, БИ № 33.

9. Болознев В.В., Чабдаров Ш.М. датчик диэлектрической проницаемости потока ионизированного газа //Приборы и техника эксперимента, 1992, №5. с.149-152.

УДК 621.396.6, 621.8.019.8 Жаднов В.В., КулБШИН В.Н.

ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Введение

В принятых в настоящее время методиках оценки показателей долговечности аппаратуры предусмотрено проведение расчетов в два этапа (приближенный и уточненный расчет), что при большом количестве элементов существенно повышает их трудоемкость, связанную, в первую очередь, с поиском данных по характеристикам долговечности. Поэтому приведенные в методиках модели, применяющиеся для пересчета показателей долговечности от предельно-допустимых режимов и условий применения элементов (приближенный расчет) к рабочим (уточненный расчет), достаточно просты. Однако использование таких моделей хотя и не сильно влияет на трудоемкость расчетов, но может привести к снижению точности оценок показателей долговечности. Эта погрешность будет тем больше, чем сильнее предельно-допустимые режимы и условия применения элементов отличаются от рабочих. Вместе с тем, модификация моделей, направленная на повышение точности расчетов, приведет не только к повышению трудоемкости расчетов, но и требований к квалификации специалистов, а, следовательно, к необходимости создания соответствующего программного обеспечения и баз данных.

Программа расчета показателей долговечности электронных средств (АСКОД) разработана для автоматизации выполнения мероприятий по расчету надежности, предусмотренных в «Программах обеспечения надежности электронных средств», в обеспечение стандартизованных методик определения показателей надежности [1] и предназначена для расчетной оценки показателей долговечности электронных средств (ЭС) по данным о характеристиках долговечности электрорадиоизделий (ЭРИ), параметрах режимов и условий их применения, и временных графиков (циклограмм) работы ЭС.

Программа АСКОД ориентирована на инженеров-проектировщиков ЭС, не являющихся специалистами

в области надежности и имеющих минимальные навыки работы на персональном компьютере. Это достигается за счет:

- разработки пользователь-ориентированного интерфейса, позволяющего вводить данные в одном окне, с динамически подгружаемыми полями по мере необходимости их заполнения, а так же перестройкой интерфейса в случае изменения введенных данных;

- введения аналитического ядра, анализирующего вводимые данные и помогающего пользователю избежать ошибок при вводе данных;

- использования встроенной системы интерактивных подсказок, помогающих пользователю определить номенклатуру показателей долговечности;

- создания интерфейсов связи с системами автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств для получения перечня элементов, а так же с автоматизированными системами проектных исследований (АСПИ) для получения режимов работы ЭРИ;

- создания базы данных по характеристикам долговечности ЭРИ;

- возможности сохранения проектов и формирования отчетов.

Пользователь программы АСКОД имеет возможность получать дополнительную информацию о степени влияния каждого ЭРИ и параметров их режимов и условий применения на общий уровень рассчитанных показателей долговечности. Анализ этой информации позволит своевременно выявить «слабые места» разрабатываемых ЭС и дать обоснованные рекомендации по изменению электронной компонентной базы (ЭКБ), режимов, условий применения и временных графиков работы ЭРИ с целью обеспечения заданных уровней показателей долговечности ЭС. Состав модулей программы АСКОД приведен на рис. 1.