Система керування ракетного двигуна твердого палива

1. Система керування ракетного двигуна твердого палива, що має антенний пристрій з вставкою із радіопрозорої термотривкої кераміки, встановлений аксіально у переднє днище ракетного двигуна твердого палива, радіометричний приймач теплового випромінювання, телеметрію у складі температурного перетворювача, локально C2 2 (19) 1 3 чим і приймальним пристроями, індикатором і регістратором, підключеними поміж антенами і генератором, компенсатором віддзеркалених сигналів, підключеним поміж антенами і регістратором. Недоліком аналогу по а.с. SU 2215297 є розміщення приймальних і передавальних антен по різні боки РДТП, що випробується, і випромінюючих перпендикулярно осі каналу заряду. Радіосигнал в такій системі вимірювань повинен послідовно пройти через шар металізованого палива, через прококсований шар на кордоні полум'я і палива, через плазму продуктів згоряння, знов через прококсований шар і крізь шар металізованого палива. На кожному з шарів надвисокочастотний сигнал послаблюється, не кажучи про можливість його віддзеркалення від плазми з високою концентрацією електронів. Тому до протилежної стінки двигуна випромінювання взагалі не дійде. Крім того, відомий пристрій за а.с. SU 189827, в схемі якого з метою вимірювання швидкості руху полум'я, на корпус двигуна в перерізі, що досліджується, встановлюється велика кількість надвисокочастотних (далі НВЧ) сенсорів, один з виходів Y-циркуляра яких з'єднаний з генератором відповідної частоти, а другий вихід з'єднаний з НВЧінтерферометром. Вимірювання швидкості руху фронту полум'я здійснюється по допплерівському зміщенню частоти випроміненого і віддзеркаленого сигналів. Недоліком аналогу по а.с. SU 189827 є малий рівень віддзеркаленого сигналу, обумовлений тим, що антени НВЧ-сенсорів відносно каналу РДТП розташовуються у радіальному напрямку. Внаслідок цього радіосигнал двічі (вперед і назад) проходить крізь товщу металізованого палива і значно послаблюється. Крім того, за допомогою НВЧсенсорів можна одержати пласку картину розпалу каналу заряду в якомусь одному перерізі. При цьому, кількість сенсорів повинна бути достатньо великою і залежить від зовнішнього діаметру заряду і кількості перерізів по довжині каналу, в яких проводяться вимірювання. Для визначення інтегральної площі поверхні горіння вся поверхня заряду повинна бути вкритою сенсорами. Така система вимірювань є дуже громіздкою і дорогою. Найбільш близькою по своїй технічній суті (прототипом) радіометричної системи розпалу каналу заряду є "Система измерения площади поверхности горения в канале заряда ракетного двигателя твердого топлива" за позитивним рішенням Державного патентного відомства Росії від 12.10.1992 р. по заявці на винахід №5101557/23 (00948) з датою подання 9.07.1992 р. (охоронний документ відсутній). Вказана технічна система містить антенно-хвилевідний пристрій, встановлений в осьовому напрямі і виконаний у вигляді отвору крізь переднє днище РДТП. Отвір має конічну в плані форму і заповнений з боку камери згоряння радіопрозорою вставкою з термотривкої кераміки. З зовнішнього боку до радіопрозорої вставки підведений хвилевід із змонтованим в ньому сенсором температури багатоканального радіометричного приймача теплового випромінювання. За режекторним фільтром хвилевідного пристрою всередині приймача теплового випромі 96685 4 нювання виконане відведення НВЧ-тракту. До згаданого відведення приєднаний НВЧ-тракт ватметру, який має вмонтований процесор, що дозволяє вимірювати щільність потоку потужності і вводити поправкові коефіцієнти. Аналоговий вихід вказаного ватметра з'єднується кабелем послідовно з аналого-цифровим перетворювачем і з входом електронно-обчислювальної машини (далі - ЕОМ). Вихід радіометричного приймача теплового випромінювання і сенсор температури, вмонтований в антенно-хвилевідний пристрій з'єднаний з температурним перетворювачем. Температурний перетворювач кабелем послідовно з'єднаний з локальним і основним комутаторами. Вихід основного комутатора з'єднаний відеотрактом з приймальнореєструвальною апаратурою. Вказана апаратура кабелем з'єднана з погоджуючим пристроєм ЕОМ, до якої заводиться інформація ватметра, як було згадано вище. Недоліки прототипу: вимірювання потужності радіотеплового випромінювання і радіояскравої температури здійснюється різними приладами, а потім обробляються в ЕОМ, що створює труднощі сумісної обробки даних з метою обчислення температурних змін в камері згоряння РДТП в умовах постійних швидких коливань щільності потоку потужності теплового випромінювання. Останнє обумовлене суттєво нестабільною структурою полум'я. Окрім синхронізації результатів вимірювання вищезгаданими приладами потрібна також синхронізація результатів вимірювань температури сенсором, вмонтованим в антенно-хвилевідний пристрій. При цьому треба враховувати теплопровідність матеріалів антенно-хвилевідного пристрою. Крім того, безпосереднє вимірювання потужності теплового випромінювання продуктів згоряння твердого палива ватметром стикається з необхідністю підсилення дуже слабкого сигналу. Загальними ознаками у відомому (прототипі) і технічному рішенні, що заявляється, є отвір у передньому днищі ракетного двигуна твердого палива, закритий вставкою з термотривкої кераміки, антенний пристрій, підведений зовні до згаданого антенного вікна, телеметрія у складі температурного перетворювача, локального і основного комутаторів або аналого-цифровий перетворювач, інформаційно-обчислювальний комплекс. В основу заявленого винаходу поставлено задачу створення системи керування ракетного двигуна твердого палива зі зворотним зв'язком. Поставлена задача вирішується тим, що замість температури і потужності теплового випромінювання вимірюється напруженість поля, яка змінюється при коливаннях полум'я в камері згоряння (КЗ) РДТП і концентрація електронів. На підставі зміни коефіцієнту віддзеркаленої радіохвилі можна відстежувати зміни концентрації електронів, пропорційні розпалу каналу заряду РДТП. Тобто є можливість відокремити зміни, обумовлені розпалом каналу заряду РДТП від випадкових коливань напруженості поля теплового випромінювання, пов'язаних із нестабільністю процесу горіння. В основу системи діагностування в складі заявленого винаходу поставлена задача: встановити 5 жорсткий зв'язок (вимірювати сумісно) зміни концентрації електронів і фази віддзеркаленого від кордону плазми радіозондуючого випромінювання. Для цього радіометричний приймач використовується модуляційного типу. Тобто схема радіометричного приймача теплового випромінювання виконується у вигляді двох паралельних блоків модуляторів, одного - падаючої радіохвилі, а другого - стоячої, поєднаних з антенним пристроєм, вихід одного з яких з'єднаний з НВЧ входом радіоприймача того ж самого діапазону радіохвиль, що і блоки модуляторів. При цьому блоки модуляторів поєднані поміж собою низькочастотним кабелем, а радіоприймач має вмонтований сенсор напруженості електромагнітного поля на вході, сигнал якого заведений за допомогою кабелю на низькочастотний вхід модулятора віддзеркаленої радіохвилі. Крім того, до складу антенного пристрою входить встановлений поміж антенною і блоками модуляторів циркулятор з приєднаним до одного з плечей магнетроном для розігріву парів води в продуктах згоряння в каналі заряду РДТП. У зв'язку з тим, що в схемі використовується радіометричний приймач, тобто блочна схема модуляційного типу, для усунення дрейфу нуля, обумовленого тепловими шумами, установлення сенсору температури в антенно-фідерний пристрій або у хвилевід не є обов'язковим. В схемі з двома блоками модуляторів і радіоприймачем вимірювання потужності теплового випромінювання здійснюється пропорційно інформації сенсора напруженості електромагнітного поля. Тому у ватметрі з процесором також нема потреби. З метою поєднання системи діагностування з системою керування НВЧ-випромінювач і радіоприймач можуть бути виконані у вигляді єдиного приладу - приймача-передавача, поміж яким і одним з блоків модуляторів встановлений надвисокочастотний комутатор, пов'язаний фідером, приєднаним до одного з пліч циркулятора в схемі антенного пристрою, замість використання магнетрону. Суть винаходу пояснюється схемою, на якій позначені: 1 - РДТП; 2 - антенний пристрій з вставкою із термотривкого матеріалу; 3, 4 - блоки модуляторів віддзеркаленого і падаючого електромагнітного випромінювання, відповідно; 5 низькочастотний кабель; 6 - погоджуюче хвильове навантаження; 7 - радіоприймач або приймачпередавач з вмонтованим на вході сенсором напруженості електромагнітного поля; 8 - НВЧкомутатор, пов'язаний з фідером, приєднаним до антенного пристрою паралельно блокам модуляторів; 9 - телеметрія у складі температурного перетворювача, локального і основного комутаторів або аналого-цифровий перетворювач; 10 - інформаційно-обчислювальний комплекс. Запропонована схема працює наступним чином. В камері РДТП 1 температура на поверхні антени антенного пристрою 2 обумовлена дією променистого і контактного теплообміну від високотемпературного газу продуктів згоряння. Блок 96685 6 модулятора 4 посилає до камери згоряння РДТП зондуюче "м'яке" радіовипромінювання. Віддзеркалений від кордону плазми сигнал модулюється в блоці 4 завдяки генератору опорної частоти і передається далі на вхід НВЧ радіоприймача або приймача-передавача 7. Шумове випромінювання з поверхні антени антенного пристрою 2 потрапляє на вхід блоків модуляторів віддзеркаленої 3 і падаючої 4 радіохвилі. У блоці модулятора 4 шумовий радіосигнал модулюється опорною частотою і через декодер радіоприймача або приймача-передавача 7 потрапляє на сенсор напруженості електромагнітного поля. Напруженість електромагнітного поля прямо пропорційна щільності потоку потужності теплового випромінювання. Інформація від сенсора напруженості завдяки кабелю 5 потрапляє до низькочастотного входу блоку модулятора 3, НВЧвихід якого закритий погоджуючим хвильовим навантаженням 6. В блоці 3 коливання напруги сенсора напруженості електромагнітного поля перетворюються в послідовність імпульсів, яку можна перетворювати у цифрову форму за допомогою телеметрії у складі температурного перетворювача, локального і основного комутаторів або аналого-цифрового перетворювача 9 і обробляти у інформаційно-обчислювальному комплексі 10. На підставі цієї інформації обчислювальний комплекс видає команду на вмикання магнетрону або приймача-передавача на режим випромінювання і перемикання виходу приймача-передавача за допомогою надвисокочастотного комутатору 8 на антенний пристрій в обхід модуляторів. Відомо, що найбільше випромінювання в камері згоряння РДТП дають пари води, які мають резонансне поглинання електромагнітної енергії в діапазоні 12 см. Тому магнетрон або приймача-передавач і антенно-фідерний тракт повинні бути того ж діапазону. Електромагнітна енергія передавача поглинається парами води в продуктах згоряння в каналі заряду РДТП і додатково розігріває ці пари. Пари води додатково випромінюють тепло до поверхні твердого палива і прискорюють його горіння. Зворотний зв'язок в такій системі керування здійснюється під час вимикання магнетрону або перемикання приймача-передавача в режим роботи приймача та перемикання НВЧ-комутатора 8 на роботу приймача-передавача з блоками модуляторів. Таким чином, перевагою винаходу в порівнянні з іншими системами керування РДТП є наявність зворотного зв'язку по температурі, яка за формулою Релєя-Джинса пропорційна щільності потоку потужності теплового випромінювання і, відповідно, напруженості електромагнітного поля біля антени. Додатковою перевагою запропонованої системи керування є поєднання в одному приладі приймача і випромінювача єдиного діапазону радіохвиль, що дозволяє спростити схему в порівнянні з використанням магнетрону. 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 96685 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601