Горение смесевого твердого топлива
Использование ракетных двигателей на твердом топливе в составе современных образцов ракетно-космической техники. Структура зоны горения смесевого твердого топлива. Анализ и выбор метода измерения температурного поля и скорости стационарного горения.
| Рубрика | Астрономия и космонавтика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.08.2011 |
| Размер файла | 1,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Основной составляющей погрешности современных индуктивных и трансформаторных преобразователей является температурная погрешность. Под влиянием температуры изменяется активное сопротивление обмоток преобразователя, магнитная проницаемость материала магнитопровода, геометрические размеры магнитопровода и упругость элементов крепления якоря. Радикальным способом уменьшения этих погрешностей является применение дифференциальных преобразователей с двумя или четырьмя обмотками, соединенными по полумостовой схеме или схеме четырехплечевого моста.
Достоинства метода:
- надежность;
- значительная чувствительность;
- значительная мощность выходного сигнала;
- возможность работы с напряжением промышленной частоты;
- возможность работы при температурах окружающей среды от - 200 до + 500 ?С;
- возможность применения в дискретном режиме.
Недостатки метода:
- сильное влияние температуры.
Ёмкостные преобразователи
Ёмкостные преобразователи основаны на преобразовании измеряемой физической величины х в изменение электрической ёмкости С.
C = f(х).
Ёмкостные преобразователи можно классифицировать на преобразователи с перестраиваемой структурой и преобразователи с неизменной структурой.
Пренебрегая краевыми эффектами величину ёмкости можно выразить через параметры конденсатора следующим соотношением:
С = еS / д.
Вариация ёмкости может быть получена вариацией любого из параметров конденсатора, либо их комбинации. Варианты таких раздельных преобразований следующие:
Преобразование физической величины в изменение расстояния между обкладками:
х > д > С.
На этом принципе строятся разные варианты датчиков малых перемещений.
Преобразование физической величины в изменение активной площади обкладок конденсатора:
х > S > С.
На этом принципе могут строиться датчики малых перемещений, датчики угла поворота, момента сил и т.д.
Преобразование физической величины в изменение количества или состава диэлектрика между обкладками конденсатора:
х > е > С.
На этом принципе строятся датчики для измерения концентрации определенных веществ, содержания газообразной фазы в жидкости, влажности воздуха, толщины диэлектриков.
Тензодатчики
Данные датчики предназначены для измерения давления, силы и частотных характеристик. В качестве активных элементов являются полупроводниковые материалы, как правило, полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются из монокристаллов кремния и германия.
Конструктивно тензодатчики разделяют на:
Беспетлевые, используются для исследования напряженно деформируемого состояния твердого тела, когда требуемая точность измерения относительно низка, и при измерении больших градиентов:
Фольговые, изготавливающиеся из металлической фольги толщиной 10-15 мкм:
Тензодатчики из литого микропровода, обладающие низкими механическими свойствами:
Проволочные:
Все тензодатчики кроме активной части имеют подложку: бумажную, пленочную, стеклоткани, лакоткани, металлическая фольга. К подложке они крепятся с помощью клея БФ-4.
Важной характеристикой тензодатчиков является коэффициент тензочувствительности который зависит:
от размеров тензодатчика;
от коэффициента тензочувствительности материала КМ;
от коэффициента изменения тензочувствительности на участках тензорозетки.
Струнные и стержневые преобразователи
Струнные и стержневые преобразователи являются разновидностью частотных преобразователей с механическим резонатором.
В этих преобразователях чувствительным элементом служит плоская или круглая струна - струнные преобразователи, или балочка прямоугольного сечения, изготовленная за одно целое с упругим элементом - стержневые преобразователи.
Работа струнных механических резонаторов основана на использовании изменения частоты поперечных колебаний струны в зависимости от её натяжения. Связь частоты поперечных колебаний струны с величиной нормальных механических напряжений в ней определяется известной зависимостью f = 1/2l vу/с.
Естественной входной величиной струны и стержневых преобразователей является сила, причем в большинстве случаев струна работает в режиме вынужденных деформаций. Для осуществления такого режима нужно, чтобы жесткость упругого элемента и всей механической цепи, замкнутой на струну, была бы значительно выше жесткости струны. При выполнении этого условия струна осуществляет два последовательных преобразования: силы в деформацию и деформации в частоту.
Стабильность функции преобразования струнного резонатора в первую очередь определяется качеством крепления предварительно натянутой струны к упругому элементу.
Струнные резонаторы с одной струной имеют нелинейность функции преобразования порядка 3...5% на 10% девиации частоты и существенную температурную погрешность. В дифференциальных струнных преобразователях эти недостатки теоретически можно свести к нулю. Конструкция упругого элемента дифференциального преобразователя предусматривает крепление одинаковых струн, причем под действием деформации частота собственных колебаний одной струны увеличивается, а частота другой уменьшается.
Стабильность характеристик струнного резонатора в первую очередь определяется качеством крепления струны. Кардинальное решение проблемы крепления, сводящееся к отказу от всякого крепления как такового, предложил Л.Г. Эткиным. Роль резонатора в этих конструкциях выполняет вместо струны тонкая стальная пластинка, изготовленная за одно целое с упругим элементом из одной заготовки (рис.3).
Размещено на http://www.allbest.ru
28
Размещено на http://www.allbest.ru
Начальное напряжение в такой конструкции отсутствует, и начальная частота целиком определяется упругими свойствами пластинки. Под действием приложенной силы упругий элемент деформируется, и пластина растягивается, при этом повышается частота собственных колебаний. Датчики с такими преобразователями известны как стержневые или вибрационно-частотные.
Датчики со стержневыми преобразователями в настоящее время применяются как высокоточные измерители статических и медленноменяющихся давлений, усилий и крутящих моментов. Упругие элементы серийных датчиков изготавливаются из стали 35ХГСА, колеблющиеся перемычки имеют начальную частоту 3000 и 6000 Гц при девиации частоты в пределах 25...30%.
Механические резонаторы, как правило, используются в частотных датчиках в режиме свободных колебаний или в автоколебательном режиме. Возбуждение колебаний в резонаторах осуществляется двумя методами: электромагнитным, при котором происходит взаимодействие струны или перемычки из ферромагнитной стали и переменного магнитного потока, создаваемого электромагнитным возбудителем; электродинамическим, при котором происходит взаимодействие переменного тока, протекающего через струну из диамагнитного материала, и магнитного потока постоянного магнита.
Характерная особенность частотных преобразователей с механическими резонаторами заключается в том, что амплитудные погрешности возбудителя, приёмника и усилителя не влияют непосредственно на погрешность преобразователя.
Выбор датчика давления
Для определения давления оптимальным является частотный датчик, так как он дает высокую точность измерения, и на выходе получаем дискретный сигнал, что удобно при регистрации этого сигнала на персональном компьютере.
Принцип действия датчика основан на зависимости частоты свободных колебаний струны от напряжения в струне:
fo =1 / 2l (vу/с), где
fо - частота свободных колебаний струны;
l - длина струны;
у - напряжение в струне;
с - плотность материала струны.
В УПД устанавливается частотны датчик давления ПДВ - 100 А, ГОСТ 18618 - 73, год выпуска 1979, частота опроса этого датчика 6 КГц, измеряемое давление до 100 кгс/см3.
Для более удобного снятия сигнала с частотного датчика давления он соединяется со станцией ПН 1775, которая выдает период времени между двумя колебаниями и посылает эту информацию на компьютер.
3. Проектирование экспериментальной установки
3.1 Стенд для измерения температурного поля продуктов сгорания твердого ракетного топлива
Экспериментальный стенд предназначен для измерения поля температур продуктов сгорания твердого ракетного топлива. Горение топлива должно происходить при давлении приближенном к давлению в камере сгорания ракетного двигателя, оно создается путем подачи в установку постоянного давления азота через редуктор и электропневмоклапан, который связывается с персональным компьютером через пульт управления. Измерение давления производиться с помощью частотного датчика давления ПДВ - 100 А, через станцию ПН 1775 связанного с ПК. В установки постоянного давления для визуализации эксперимента должны быть два кварцевых окна, на против одного из окон установлен цифровой фотоаппарат. Для измерения скорости горения в образец топлива закладываются два репера, контакты которых подводятся к регистрирующей аппаратуре, т.е. к плате АЦП PCL-818 L (описанной ниже), она установлена в системном блоке персонального компьютера.
Схема стенда представлена на рис. 4. Стенд включает в себя
1). УПД (см. Приложение 1);
2)..Камеру для проведения киносъемки (фотоаппарат);
3). Проектор для создания подсветки;
4). Систему подачи азота, состоящую из баллона с азотом, редуктора и ЭПК;
5). Систему измерения давления, состоящую из частотного датчика давления, станции ПН 1775, АЦП, компьютера;
6). Пульт управления всеми цепями;
7). Систему измерения скорости горения, состоящую из контактов реперов и АЦП.
Экспериментальное исследование проводиться следующим образом. Из топлива вырезается образец сечением 1010 мм и высотой 10 мм. В него производиться закладка двух реперов (проволочек). Образец приклеивался на подложку из органического стекла. Боковые поверхности образца покрывались слоем лака 30-40 мм из сополимера метилметакрилата и полистирола для того, чтобы исключить горение образца по боковой поверхности. К верхней части образца приклеивался воспламенитель, состоящий из тонкой пластинки того же топлива с намотанной на ней нихромовой проволочкой. Образец вместе с подложкой крепится к державке. Концы нихромовой проволочки воспламенителя припаиваются к контактам держателя образца. После чего держатель устанавливается на основание бомбы. Сверху устанавливается корпус бомбы таким образом, чтобы кварцевые окна были напротив образца, и закрепляется разрезной шайбой. Включается осветитель и фотоаппарат устанавливается таким образом, чтобы образец топлива находился в кадре.
Открывается кран азотной магистрали и редуктором устанавливается нужное давление (от 1 до 8 МПа). После чего дверь бокса закрывается.
Последовательность дальнейших действий
1). Включается электропневмоклапан (ЭПК) для подачи азота.
2). Включается фотоаппарат.
3). Включается воспламенение.
4). По прошествии 10-15 с (ориентировочное время для полного сгорания образца) выключается воспламенение и ЭПК.
Размещено на http://www.allbest.ru
28
Размещено на http://www.allbest.ru
3.2 Аналогово-цифровой преобразователь
АЦП необходимо выбрать исходя из того, чтобы устройство подходило по техническим характеристикам, то есть могло воспринимать аналоговый сигнал со станции ПН 1775, с контактов реперов, и по возможности было предельно простое в эксплуатации и коммутации.
Я остановил свой выбор на многофункциональной плате АЦП PCL-818 L. Плата содержит специальный инструментальный усилитель для обработки очень маленьких входных сигналов (есть большой выбор коэффициентов усиления), что пригодится, при снятии сигнала с реперов. Таким образом, возможно измерение низкоуровневых сигналов без дополнительных внешних устройств нормализации сигналов. Число каналов АЦП позволяет одновременно получать информацию как о перегорании проволочек (в методе перегорающих реперов) так и электрический сигнал с датчика давления. Нет необходимости монтажа мультиплексора, который будет обеспечивать переключение каналов для их дальнейшей регистрации, так как он входит в состав данного устройства. Еще один «плюс» этого устройства заключается в том, что возможно получение, анализ и обработка полученной информации в стандартных приложениях Windows - Basic, Pascal, C++. Для Windows 3.1/95/NT - DLL.
Технические данные:
- Время преобразования: 25 мкс.
- Диапазон входного напряжения: ±10 В, + 5 В, ±2,5 В, ±1,25 В, ±0,625В.
- Максимальный поток данных: 40 кГц для всех диапазонов входного напряжения.
- Предел основной погрешности измерения:
Коэф. усиления = 1: 0,01% шкалы ± 1 МР.
Коэф. усиления = 2 и 4: 0,02% шкалы ± 1 МР.
Коэф. усиления = 8: 0,04% шкалы ± 1 МР.
- Габаритные размеры: 155 х 100 мм.
- Внешний соединитель DВ - 37.
- Порты ввода/вывода: каждая плата занимает область из 16 портов ввода/вывода.
- Энергопотребление: по+5 В -до 180 мА, по+12 В -до 100 мА, по -12 В - 14 мА
4. Обработка и анализ экспериментальных данных
4.1 Методика обработки экспериментальных данных
На кафедре «Космические аппараты и двигатели» БГТУ разработана методика исследования поля излучения высокотемпературных объектов.
Ее особенности - регистрация лучистого потока в цветовом изображении на цифровой приемник - фотокамеру или видеокамеру (Рис. 5) с дальнейшей автоматизированной обработкой.
Рис. 5. Исходная фотография пламени в УПД
Цвет пикселя матрице цифрового фотоаппарата состоит из трех базовых цветов - красного, зеленого и синего, длина волны которых достаточно точно известна, причем спектральная ширина этих диапазонов весьма мала. Построение цветовой гаммы определяется интенсивностью каждой из этих составляющих сигнала, которая, в принципе, может быть определена.
Современные цифровые фотоприемники позволяют организовать, без каких-либо дополнительных устройств адаптацию и передачу зафиксированного изображения на компьютер. Цифровые измерительно-информационные устройства обладают существенно более высоким уровнем помехозащищенности, уровнем потери информации, минимальными погрешностями при ее обработке. На компьютере производится обработка сигнала в графическом редакторе, например, используя Photoshop (Рис 6), можно провести масштабирование объекта, выбрать интересующую область, скорректировать изображение и т.п. Опции этого продукта позволяют определить величину яркости в любой точке для выбранной длины волны. Далее, применяя вышеописанный аппарат определения цветовой температуры, можно провести построение поля температур пламени.
Рис. 6. Фотография после обработки в графическом редакторе (вырезана интересующая нас область).
Второй принципиальной особенностью разработанного метода является преобразование фотоизображения в символьный массив, которое может быть осуществлено с помощью одной из последних версий пакета Matlab. Разработанное математическое сопровождение позволяет получать за считанные минуты двумерный массив температур по всему полю пламени, обрабатывать его, строя необходимые графические зависимости, определяя статистические характеристики и т.п.
Как и в традиционном измерении, перед экспериментами необходимо получить тарировочную зависимость с помощью, например, эталонной лампы или используя другой источник лучистого потока с известными характеристиками, установить известным способом «баланс белого». В отличие от традиционных измерений, когда процедура должна проводиться регулярно, перед каждой серией опытов, здесь достаточно получить ее один раз, так как тарировка является характеристикой фотоаппарата.
Таким образом, при высокой точности и достоверности сигнала, рассматриваемый метод, по сравнению с традиционными, является более быстрым методом (время получения информации снижено, примерно, на два порядка), и при некоторой доработке может быть использован в системах реального времени.
Опытное определение поля температур продуктов сгорания проводилось в установке постоянного давления (УПД) традиционного исполнения.
В целях автоматизации процесса обработки результатов использовался пакет MatLab версии 6.5. Дополнительно была написана программа («expert_tmp»), которая преобразует цветное компьютерное изображение фотографии в зоне горения в двумерный массив температур (попиксельно). С помощью программ «graph_i» и «graph_j» получаются зависимости температуры от координаты по линиям параллельным и перпендикулярным к поверхности горения, соответственно.
Корректная работа программы «expert_tmp» организуется в диалоговом режиме следующим образом.
В начале вводится название интересующего графического файла (фотографии) и проверяются необходимые условия корректной работы программы: наличие в текущей директории файла «TABL.mat» - файл значений температуры; наличие всех графических файлов, которые необходимо обработать, т.к. программа «expert_tmp» обрабатывает графические файлы, находящиеся непосредственно в текущей директории. Результатом обработки графических файлов (фотографий) являются несколько массивов, которые находятся в так называемой рабочей области данных - окне «Workspace», в виде файлов данных с расширением «mat». Их можно сохранять и использовать для получения зависимостей и дальнейшей обработки.
Операторы программы позволяют получать необходимые массивы. Оператор «imread» - считывает изображение из графического файла (попиксельно) и представляет его в виде трёхмерного массива А с размерностью три, т.е. A(i, j,:)=[R G B], где i и j - размеры массива, определяемые высотой и шириной изображения соответственно, а третье измерение представляет информацию о цвете (красный, зеленый и синий цвета соответственно).
Массивы RAD, GAD и BAD являются двумерными массивами значений, размером i x j, составляющих R, G и B, соответственно, массива А. В программе происходит вычисление значений температуры с помощью файла данных «TABL.mat», который загружается в рабочую область данных «Workspace» с помощью оператора «load». На выходе создается двумерный массив температур (попиксельно) - «TEMP», который можно использовать для построения интересуемых зависимостей, дальнейшей обработки и анализа.
С помощью программы «graph_i_spl» или «graph_j_spl» возможна интерполяция полученных зависимостей бикубическим сплайном, а с помощью программы «graph_cont» возможно получить линии уровня, которые в зависимости от значений массива температур окрашены в разные цвета, что придает наглядность получаемым результатам.
4.2 Результаты экспериментального исследования температурного поля зоны горения твердого топлива
Типичные зависимости T(x, y), где x - горизонтальная координата (вдоль поверхности образца), y - вертикальная, приведены на рис 7.
Пример трехмерной зависимости Т(х, y) и части массива получившегося в результате работы программы «expert_tmp» приведены в Приложении 2 и Приложении 3 соответственно.
Рис. 7. Зависимость температуры Т(y) от поперечной координаты в трех сечениях.
Приложение 1
Установка постоянного давления (УПД)
Приложение 2
Трехмерная зависимость Т(х, y)
Приложение 3
Пример части массива получившегося в результате работы программы «expert_tmp»
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Разработка конструкции двигателей летательных аппаратов. Выбор оптимальных материалов корпуса и соплового блока на примере тормозного ракетного твердотопливного двигателя трехблочной системы посадки космического летательного аппарата "Восход" на Землю.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 07.03.2013Выбор основных параметров ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ). Расчет теплозащитного покрытия двигателя. Выбор давления в камере сгорания и на срезе сопла. Расчет характеристик прогрессивности щелевого заряда и звездчатого заряда РДТТ.
курсовая работа [549,5 K], добавлен 30.11.2009Изучение жизненного пути и научной деятельности С.П. Королева - выдающегося конструктора и ученого, работавшего в области ракетной и ракетно-космической техники. Открытия ученого, обеспечившие стратегический паритет России в ракетно-космической отрасли.
реферат [57,5 K], добавлен 30.03.2011Обзор основных направлений по автоматизированным комплексам пневмоиспытаний изделий ракетно-космической техники. Автоматизированный комплекс КПА ПИ. Требования к блоку имитаторов. Разработка математической модели. Тепловая модель платы блока имитаторов.
дипломная работа [8,1 M], добавлен 18.10.2016Космос как огромное пространство. Анализ первых советских искусственных спутников Земли. Рассмотрение особенностей ракетно-космической системы "Энергия-Буран". Основные этапы развития космонавтики. Характеристика космических систем-мусоросборщиков.
реферат [26,1 K], добавлен 26.01.2013Украина - признанная в мире космическая держава. Описания достижений украинских специалистов в ракетно-космической отрасли. Международное сотрудничество в области исследования и использования космического пространства. Анализ планов страны на будущее.
презентация [6,7 M], добавлен 13.09.2013Рассмотрение краткой истории создания и компоновочной схемы ракеты-носителя "Космос-3М". Тактико-технические характеристики двигателей ракеты. Редукторы давления в системах топливоподачи жидкостных ракетных двигателей: их устройство и принцип действия.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 19.11.2012Определение первой, второй и третьей космической скорости. Соотношение сил тяготения и центробежной, при котором тело будет двигаться по круговой орбите. Преодоление объектом гравитационного притяжения Земли и Солнца. Выход за пределы солнечной системы.
презентация [190,7 K], добавлен 29.10.2014Связь гравитационного поля и фигуры планет Солнечной системы, ее астрофизическое обоснование. Описание измерения коэффициента гравитационного потенциала для Земли с помощью метода лазерной локации. Анализ временного ряда, описывающего ее колебания.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.02.2017Анализ схемных решений и выбор базового варианта подачи компонентов топлива. Оценочный расчёт проектных параметров жидкостного ракетного двигателя. Расчёт топливного отсека. Описание схемы пневмогидросистемы и её работа на всех этапах функционирования.
курсовая работа [7,0 M], добавлен 06.12.2009
