CC BY
111
нала знать частоты отдельных компонентов и за- Результаты, отраженные в данной статье полу-
коны их изменения во времени. Было предложено чены при поддержке Минобрнауки РФ в сфере науч-использовать представленный метод для проверки ной деятельности - задание № 9.2108.2017/ПЧ. качества электрической энергии. Данное предположение требует проведения дальнейших исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балабан О.М., Львова Е.В., Серанова А.А., Томашевский Ю.Б. Исследования измерителей мощности в режиме несинусоидальных сигналов // Труды Международного симпозиума НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО. Пенза, 2017. Т. 2. С. 124 - 128.
2. Балабан О.М., Львова Е.В., Серанова А.А., Томашевский Ю.Б. Проблема измерения реактивной мощности несинусоидальных сигналов в системах электроснабжения // Труды Международного симпозиума НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО. Пенза, 2017. Т. 2. С. 128 - 132.
3. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Сов. радио, 1980. 224 с.
4. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.
5. Gabor D. Theory of communication // J. Inst. Elect. Eng. 1946. V. 93 (3). P. 429-457.
6. Дженкинс Дж., Ваттс Г. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1971. Вып. 1. 317 с.
7. Osborne M.R. Some special nonlinear least squares problems // SIAM J. of Numerical Analysis. 1975. V. 12. P. 571-592.
8. Kumaresan R. On the zeros of the linear prediction-error filter for deterministic signals // IEEE Trans Acoust Speech Signal Process. 1983. V. 31, N 1. P. 217-220.
9. Osborne M.R., Smyth G.K. A modified Prony algorithm for fitting functions defined by difference equations // SIAM J. Sci. and Graphical Statistics. 1991. V. 1. P. 329-349.
10. Bracale A., Caramia P., Carpinelli G. Adaptive Prony method for waveform distortion detection in power systems // Electrical Power and Energy Systems. 2007. V. 29. P. 371-379.
11. Therrien C.W. Discrete Random Signals and Statistical Signal Processing // Englewood Cliffs. NJ: Prentice Hall, 1992. 727 p.
12. M. R. Osborne and G. K. Smith, "A modified Prony algorithm for exponential function fitting," SIAM J. Scientif. Comput., vol. 16, no. 1, pp. 119-138, Jan. 1995.
13. Львов, А.А. Анализ моделей метода наименьших квадратов и методов получения оценок / А.А. Львов, М.В. Мусатов // Вестник СГТУ, 2009. - № 4(43). - С.137-141.
14. Львов, А.А. Оценивание параметров квазигармонических сигналов методом максимального правдоподобия / А.А. Львов, В.П. Глазков, В.П. Краснобельмов, Р.С. Коновалов, М.А. Соломин // Вестник СГТУ. 2014. № 4 (77). - С. 147-154.
15. Askarova, A.K. High Accuracy Impedance Measurements of the Rootage System Used in Investigating its Condition by the EIS Method / A.K. Askarova, A.A. L'vov, S.A. Kuzin, S.P. Ivzhenko, V.V. Komarov // Proceedings of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, 2017, St. Petersburg, Russia, P. 351-355.
УДК 681.772
Шокоров В.А., Смирнов И.И.
АО «НИИФИ», Пенза, Россия
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Объектом исследования является полупроводниковый датчик давления, обеспечивающий работоспособность в реактивных двигателях ракетно-космической техники при температурах 1327 °С.
Целью исследований является разработка датчика, работоспособного при воздействии высоких температур в течение значительного промежутка времени.
Проведен анализ стойкости отдельных функционально значимых узлов датчика к воздействию повышенных температур, выявлены наиболее критичные элементы датчика, сформированы предложения, направленные на повышение их температурной стойкости, а также представлена разработанная конструкция охлаждаемого штуцера датчика.
Предложенная конструкция полупроводникового датчика давления обеспечивает его применение при высоких температурах, технические и метрологические характеристики датчика не уступают отечественным и зарубежным аналогам, а по некоторым показателям даже превосходят их.
Ключевые слова:
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ТЕМПЕРАТУРА, КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, ТЕПЛООТВОДЯЩИЙ ШТУЦЕР
Введение электрореактивные двигатели (ЯЭРД) характеризу-
Ракетно-космическая отрасль - один из важней- ются большей компактностью, чем солнечные, не-ших секторов мировой экономики с многомиллиард- зависимостью генерируемой мощности от расстояния ными оборотами, во многом определяющих развитие до Солнца и условий освещенности, а также отли-человечества. Одной из основных тенденцией раз- чаются повышенной радиационной стойкостью. Кроме вития ракетно-космической техники является рост этого они превосходят солнечные двигатели по требований к уровню энергетического обеспечения удельным массовым характеристикам при уровне космических аппаратов (КА). Среди современных электрической мощности примерно 50 кВт и более автоматических КА наибольшей энерговооруженно- [0].
стью (до 20-25 кВт) обладают геостационарные те- Одними из основных компонентов, входящих в
лекоммуникационные КА. В настоящее время прак- состав любых реактивных двигателей, являются тически все КА (за исключением автоматических датчики давления, к которым предъявляются высо-аппаратов для исследования дальнего космоса) ис- кие требования по надежности и качеству в связи пользуют солнечные энергетические двигатели. В с такими особенностями эксплуатации как невоз-то же время низкая плотность энергии солнечного можность замены и ремонта в условиях открытого излучения, связанные с этим значительные габа- космоса [0].
риты солнечных батарей, а также необходимость Анализ предъявляемых требований к датчикам
использования тяжелых накопителей энергии на те- Хотя ЯЭРД набирают популярность в сфере при-
невых участках орбиты, ограничивают возможность боростроения, большим спросом в РКТ обладают дальнейшего наращивания мощности солнечных энер- датчики давления в жидкостно-реактивных двига-гетических двигателей до уровня десятков-сотен телях (ЖРД). К датчикам, предназначенным для из-киловатт. Повышение эффективности космической мерения давления в жидкостно-реактивных двига-деятельности возможно за счет внедрения в кос- телях, предъявляются следующие технические тре-мическую технику ядерной энергетики. Ядерные бования:
- диапазон измерений (0 - 50) МПа;
- основная приведенная погрешность не более ± 0,5%;
- работоспособность в следующих рабочих средах: водород, кислород, агрессивные и неагрессивные жидкости и газы, продукты сгорания;
- диапазон температур рабочих сред (от минус 150 °С до +1327 °С) [0].
Для ЯЭРД предъявляются требования по стойкости аппаратуры и составных узлов к потокам быстрых нейтронов и гамма-излучению.
Анализ технических характеристик существующей мировой номенклатуры датчиков давления показал, что ни один из рассмотренных приборов не может быть применен в составе реактивного двигателя без доработки конструкции. Требования к условиям эксплуатации датчико-преобразующей аппаратуры и уровням воздействия внешних факторов в составе реактивного двигателя вместе с достаточно высокими требованиями к надежности подразумевают необходимость серьезной проработки всех элементов конструкции при модернизации существующей номенклатуры ДПА или проектировании новой. Чрезвычайно высокие радиационные нагрузки в условиях космоса в сочетании высокими температурами требуют рассмотрения вопросов не только функциональной надежности отдельных узлов, но также и элементарной конструктивной прочности материалов.
Ниже поэлементно рассмотрены конструктивные особенности традиционных полупроводниковых датчиков давления и проведен анализ стойкости отдельных функционально значимых узлов и их материалов к повышенным температурам окружающей среды, выявлены наиболее критичные к температуре, и сформированы предложения, направленные на повышение их температурной стойкости.
В конструкции современных полупроводниковых датчиков давления применяют такие материалы как нержавеющая сталь, реже - алюминий, титан и сплавы на их основе, стекла, керамика, клеи и компаунды, кремний и драгоценные металлы [0].
Основным конструкционным материалом полупроводниковых датчиков давления, используемым для изготовления корпусов, кожухов, штуцеров, контактных колодок является нержавеющая сталь. Наибольшее применение получили такие марки как 12Х18Н10Т, 36НХТЮ, 44НХТЮ, а также железонике-левые сплавы.
Однако не все металлы и сплавы, применяемые при изготовлении полупроводниковых датчиков, обладают необходимой температурной стойкостью. Например, сплав 12Х18Н10Т используется для изготовления сварных аппаратов и сосудов, работающих в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и других деталей, работающих под давлением при температуре от -196 до +600 °С, а сплав 29НК, применяемый для изготовления герметичных металлостеклянных колодок, обладает ТКЛР от 4.5-106 до 6.5-106 [1/С] лишь в диапазоне температур от -70 до +420 °С. В свою очередь, сплав 3 6НХТЮ применяют как конструкционный материал в сферах производства паровых и газовых турбин, компонентов двигателей внутреннего сгорания, реактивных двигателей и атомных котлов. Благодаря жаростойкости сплава 3 6НХТЮ детали способны прослужить намного дольше, особенно при рабочих температурах 1300 0С [0].
Другими элементами конструкции полупроводниковых датчиков давления, применяемыми в качестве диэлектрических конструкционных материалов, являются керамика и стекло. Керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты. При температурах выше 1000 °С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше. Рабочая температура стекол находится в диапазоне от 300 °С до 2500 °С, применяемые стекла типа «пи-рекс» обладают температурной стойкостью не более 1500 °С [0].
При разработке датчиков возможно использование клеев и компаундов. Данные виды материалов предназначены для увеличения качества и прочности электрических контактов, защиты от коррозионных сред. Особых специфических требований, предъявляемых при выборе клея и компаунда, кроме отсутствия пузырчатости при высыхании и выделения газа нет. В связи с этим можно выбрать практически любой материал с работоспособностью выше 1300 °С [0].
Основным отказом при воздействии высоких температур на провода является снижение напряжения пробоя и сопротивления изоляционной оболочки. Учитывая невысокие значения рабочих напряжений (не более 5-10 В) и использование дополнительных конструктивных мер по укладке проводов, можно в качестве материалов использовать провода с многослойной обмоткой стеклянными нитями с пропиткой кремнийорганическим лаком [0].
Главным функциональным элементом в конструкции датчиков давления безусловно является чувствительный элемент (ЧЭ). В настоящее время полупроводниковые ЧЭ формируются при помощи нескольких основных технологий изготовления: объемный кремний и кремний на диэлектрике (поликремний на диэлектрике, карбид кремния на диэлектрике) [0].
В структурах ЧЭ на основе объемного кремния электрическая схема формируются непосредственно в упругом элементе путем диффузии бора в структуру кремния п-типа. Изоляция элементов схемы осуществляется за счёт свойств обратно-смещён-ного р-п-перехода и имеет все его преимущества и недостатки. Максимальная рабочая температура такой структуры ограничена 12 0 °С.
Дальнейшим развитием полупроводниковых ЧЭ является создание структуры «кремний на диэлектрике». В отличие от изоляции, которую обеспечивает р-п переход, создание изоляции с помощью слоя диэлектрика (оксида кремния, нитрида кремния и др.) между тензосхемой и подложкой исключает возникновение токов утечки. Рабочая температура может достигать 500 °С. Однако, например, в структурах «поликремний на диэлектрике» измерительная схема формируется путем окислением кремния в сухом кислороде на слое диэлектрика. Максимальная рабочая температура таких датчиков ограничена 250 °С.
Применение карбида кремния SiC отечественными и зарубежными компаниями в качестве материала для полупроводниковых ЧЭ открыло возможность измерения давлений в широком температурном диапазоне. Большая ширина запрещенной зоны SiC по сравнению с обычным кремнием значительно повышает температурную стойкость. Карбидокремниевые тензорезисторы формируются на окисле методом магнетронного распыления через маску при температуре подогрева подложки до 350 °С с последующим нанесением алюминиевой металлизации. Подобные ЧЭ обеспечивают измерение давлений до 600 °С [0].
Возможные методы реализации конструкции датчика
Исходя из заявленных требований, предъявляемых к датчикам давления для реактивных двигателей, а также анализа применяемых материалов, можно сделать выводы о невозможности разработки полупроводниковых датчиков традиционным способом. Для разработки конструкции датчика, работоспособного при воздействии высоких температур, можно рекомендовать следующие методы модернизации:
1. Применение специального теплоотводящего штуцера из термостойкого сплава 3 6НХТЮ с возможностью подачи и отвода жидкого теплоносителя с подключением в общую жидкостную систему охлаждения компонентов системы реактивного двигателя (рисунок 1). Такое решение может быть реализовано путем использования штуцера с элементами проточного охлаждения, который будет устанавливаться в магистраль перед датчиком и снижать температуру рабочего тела до температур, необходимых для работоспособности ЧЭ.
Для подтверждения требования по диапазону рабочих температур измеряемой среды от минус 150 °С до 1327 °С было проведено имитационное моделирование воздействие заданных температур при использовании хладагента тетракрезилоксисилана температурой 67 °С (рисунок 2).
2. Проведение комплексной проработки номенклатуры применяемых материалов на предмет их замены на более термостойкие. Необходимо исключить из конструкции датчика покупные электрорадиоиз-делия, электрических соединителей, что эти элементы обладают наименьшей термостойкостью и показателями надежности. В свою очередь, это позволит снизить вероятность отказов, связанных с потерей межвыводной изоляции (уход начального и номинального выходного сигнала), увеличить расчетные значения показателей надежности датчика.
3. Применение ЧЭ на базе структур «кремний на изоляторе» (КНИ) и «карбид кремния на диэлектрике», измерительная схема в которых изолирована при помощи диэлектрика. Для увеличения термостойкости структур необходимо увеличить толщины и плотности диэлектрического слоя Б102, а также применять в качестве диэлектрика альтернативные материалы, например нитрид кремния Б1з№. При проектировании топологии ЧЭ необходимо принять ряд мер, снижающих вероятность образования каналов утечки между элементами, например, отказ от резисторов меандрового типа, увеличение нормы межэлементного расстояния. Такие решения позволят существенно повысить радиационную стойкость ЧЭ и повысить верхнюю границу температурного диапазона до 600 °С. При необходимости
настройки выходных параметров датчика возможно использовать интегральную настройку на чувствительном элементе.
4. Выполнение основных требований к элементам конструкции датчика, обеспечивающих их стойкость к воздействию радиационного излучения, рассмотренных в [0]
Рисунок 1 - Конструкция датчика с теплоотводящим штуцером
а) температура окружающей среды минус 150 °С б) температура окружающей среды 125 °С
Рисунок 2 - Распределение температур по датчику при воздействии окружающей среды
от минус 150 °С до 125 °С
Заключение
В рамках опытно-конструкторской работы в АО «НИИФИ» была произведена разработка высокотемпературного датчика давления. Разработанная конструкция позволяет увеличить область применения полупроводниковых датчиков. При относительно небольшой массе датчик способен выдерживать большие значения температур (1327 °С) и радиации [0], а также не имеет аналогов на территории РФ.
Основные технические и метрологические характеристики не уступают датчикам, работающим при меньших значениях внешних воздействующих факторов, а по некоторым показателям даже превосходит их. Требования, предъявляемые к датчикам, предназначенным для измерения давления в ЖРД и ЯЭРД, подтверждены предварительными испытаниями и расчетами на воздействие радиации. Рабочей конструкторской документации присвоена литера «О».
ЛИТЕРАТУРА
1. Ядерная космическая энергетика: вчера, сегодня, завтра /Акимов В.Н., Коротеев А.С. // Современная наука. Сборник научных статей. 2011, № 2. - С. 77 -85.
2. Способы повышения надежности и точности измерения полупроводниковых датчиков давления в составе изделий ракетно-космической техники при воздействии радиационного излучения / Ползунов И.В., Родионов А.А., Шокоров В.А. //Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль: научно-производственный журнал - Пенза: ПГУ, 2013, №4(6) - С. 71 - 75.
3. Метрологическое обеспечение создания датчиков давления для ракетно-космической техники / Харлан А.А. // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» - Пенза: ПГУ, 2011, т.1.
4. Марочник сталей и сплавов / М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др.; Под ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2001, 672 с.
5. Конспект лекций по дисциплине «Новые материалы в металлургии» / Авт. Зборщик А.М. - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2008. - 253 с.
6. Состояние и перспективы создания полупроводниковых микроэлектромеханических систем и датчиков давления на их основе /Васильев В.А., Москалев С.А., Ползунов И.В., Шокоров В.А. // Метрология. 2014, № 11. - С. 15-24.
