Исследование электрофизических и акустических характеристик горения жидких углеводородных и твердых топлив в высокоэнтальпийных потоках и разработка бесконтактных методов электрофизической и акустической диагностики ракетных и реактивных двигателей

Выполнен обзор работ зарубежных и отечественных авторов в области электростатической диагностики реактивных и ракетных двигателей и созданана база данных по характеристикам ионизированных продуктов сгорания жидких углеводородных и твердых топлив в зависимости от химического состава топлив и режимных параметров рабочих процессов ракетных и реактивных двигателей. Проведены расчетные исследования собственного электромагнитного поля ионизированного гомогенного и гетерогенного потока продуктов сгорания ракетных и реактивных двигателей. Разработана конструкция и изготовлены датчики магнитного поля, выполненные в виде намотанной на стальной сердечник диаметром 7 мм и длиной 55 мм проволоки ПЭВ2 диаметром 0,08 мм (21400 витков) и проведена их градуировка в диапазоне частот от 200 до 10000 Гц переменного тока от 0 до 0,4 мА, что позволяет регистрировать напряженность магнитного поля от 0,06 до 0,3 А/м. Экспериментально исследованы интегральные, спектральные и корреляционные зависимости характеристик собственного электромагнитного поля от параметров рабочего процесса в камере сгорания жидкостных ракетных двигателей и прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В процессе огневых испытаний модельного ЖРД на керосине получены экспериментальные зависимости амплитуды и плотности мощности сигнала с датчика магнитного поля от коэффициента избытка окислителя при неизменном давлении в камере сгорания и определена зависимость Н = 0,1546 α-0,251 (А/м), которая может быть рекомендована как базовая для верификации математических моделей электрофизических процессов, а также при разработке систем бесконтактной электрофизической диагностики ЖРД. При экспериментальных исследованиях электрофизических характеристик рабочего процесса в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на керосине получена линейная зависимость амплитуды сигнала, регистрируемого датчиком ЭМП, от давления в КС в диапазоне от 0,3 до 0,6 МПа: A_ЭМП = 0,018p_к+0,2302. При анализе амплитудного спектра сигналов с датчика ЭМП определена дискретная частота 550 Гц, которая соответствует первой моде продольных колебаний давления в КС модельного ПВРД. При экспериментальных исследованиях электрофизических характеристик рабочего процесса в ПВРД на порошкообразном алюминии марки АСД-1 получены зависимости амплитуды и плотности мощности сигнала с датчика магнитного поля от давления в камере сгорания и коэффициента избытка окислителя: с ростом давления в КС увеличивается значение амплитуды спектра: от 0,04 до 0,1 В (в диапазоне до 2000 Гц) и от 0,005 (10000 Гц) до 0,06 В (5000 Гц). Разработана новая неинвазивная методика акустической диагностики внутрикамерных процессов модельного РДТТ с торцевым зарядом, основанная на использовании в качестве датчиков трех волоконно-оптических интерферометров Маха-Цендера, с помощью которых измерена скорость перемещения торцевой поверхности горения (линейная скорость горения) твердого топлива u = 19,3 мм/с. Анализ спектрограмм позволил определить резонансные частоты продольных мод акустических колебаний в камере сгорания РДТТ в диапазоне от 3 до 20 кГц и их гармоники, являющиеся наиболее вероятными. В результате экспериментального исследования акустического поля модельного ЖРД получен коэффициент пропорциональности в формуле Лайнтхилла (K_1 = 5,634×10-9), позволяющий определять газодинамические параметры потока (скорость на срезе сопла) в зависимости от амплитуды звукового давления, что может быть использовано при параметрической диагностике ЖРД. Анализ спектров акустического поля позволил определить частоты продольных колебаний давления в КС от 2400 до 2700 Гц, что подтверждено сравнением со спектрами сигналов, полученных с помощью датчика пульсаций давления. Разработана методика бесконтактной акустической диагностики с использованием динамического микрофона Philips SBCMD650 и показана возможность её использования при огневых стендовых испытаниях РДТТ для определения характерных времен задержки воспламенения заряда и выхода РДТТ на расчетный режим работы (в диапазоне от 0,5 до 1,0 с), а также разработана методика расчёта значений давления в камере сгорания ракетных двигателей, основанная на базе данных термодинамических характеристик продуктов сгорания и измерении в процессе огневых стендовых испытаний уровня звуковой мощности потока продуктов сгорания (232,3 Дб), показавшая удовлетворительную сходимость результатов расчёта (0,48 МПа) с экспериментальными данными (0,43 МПа). С использованием разработанной методики газоразрядной визуализации и диагностики процессов горения диффузионного углеводородного пламени на основе Кирлиан эффекта получено удовлетворительное согласование распределения напряженности электрического поля и числа зарегистрированных электрических разрядов (от 10 до 40 разрядов в минуту) по высоте пламени, подтвердившее принципиальную возможность применения газоразрядной визуализации для диагностики слабо ионизированных газовых потоков и процессов горения в ракетных двигателях.