Пристрій для експрес-контролю герметичності паливних баків рідинних ракетних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пристрій для експрес-контролю герметичності паливних баків рідинних ракетних двигунів

О.Г. Забірний

О.Т.Кудрєватих

Н.О. Куінн

Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара

Розроблена конструкція пристрою, призначеного для експрес-контролю герметичності паливних баків рідинних ракетних двигунів методом кореляційної спекл-інтерферометрії. Здійснено моделювання вигину сенсорної мембрани, за результатами якого визначено, що чутливість пристрою є порівняною із чутливістю масс-спектрометричних пристроїв пошуку течі. паливний бак двигун

Ключові слова: контроль герметичності, паливний бак, спекл-інтерферометрія, кореляція зображень.

Разработана конструкция устройства, предназначенного для экспресс-контроля герметичности топливных баков жидкостных ракетних двигателей методом корреляционной спекл-интерферометрии. Проведено моделирование изгиба сенсорной мембраны, в результате которого установлено, что чувствительность устройства сравнима с чувствительностью масс-спектрометрическихтечеискателей.

Ключевые слова: контроль герметичности, топливный бак, спекл-интерферометрия, корреляцияизображений.

The design of a leak detector for express control of the fuel tank for liquid propellent rocket engine based on correlation speckle interferometry has been developed. Computer simulation of the sensor membrane shows that the sensitivity of the device is comparable to that of mass spectrometric leak detectors.

Keywords: leak detector, fuel tank, speckle interferometry, image correlation.

Вступ. Герметичність паливних баків значною мірою відповідає за надійність ракетно-космічної техніки. Наявність витоку компонентів рідинного палива являє собою загрозу на етапі пуску ракети, а також в умовах транспортування та зберігання і підготовки до пуску на стартовому комплексі. Таким чином, актуальноює задача створення надійних методів і пристроїв для контролю герметичності паливних баків.

Аналіз існуючих рішень. Існуючі методи контролю герметичності класифікуються за різними ознаками. По-перше, існує класифікація за типом пробної речовини, яка використовується для контролю герметичності - рідина або газова суміш. Інший підхід до класифікації методів контролю герметичності викладений у звіті з експерименту LASRENASA[1]. Згідно цього підходу методи контролю герметичності можна поділити на дві основні групи - системні та локальні (табл.1). Методи, що відносяться до першої групи, дозволяють визначити наявність порушення герметичності і оцінити ступінь негерметичності за обсягом і швидкістю витікання пробної речовини. Методи другої групи дозволяють локалізувати ділянку, яка спричинює порушення герметичності, але не завжди дозволяють кількісно оцінити ступінь негерметичності.

Таблиця 1. Основні методи контролю герметичності

Слід відзначити, що найбільш поширеним методом контролю герметичності паливних баків в авіаційній та ракетно -космічні галузі є мас- спектрометричний метод із застосуванням у якості пробної речовини гелію. Це пояснюється високою чутливістю методу, а також властивостями гелію - його хімічною інертністю, нетоксичністю, вибухобезпечністю, низькою концентрацією у повітрі (приблизно 5 10-4 %).

Основні проблеми при використанні мас-спектрометричного методу - висока вартість обладнання, складність і високі вимоги до точності процедури калібрування обладнання, залежність часу відгуку детектора течі від способу підключення мас-спектрометра до системи навантаження об'єкта, об'єму об'єкта контролю та швидкості подачі тиску, поступове зменшення чутливості обладнання внаслідок накопичення пробної речовини в компонентах обладнання. Крім того, слід відзначити, що оскільки цей метод є локальним, то існує можливість того, що величина локальної течі знаходиться у допустимих межах, але сумарна ступінь негерметичності при цьому є вищою за допустиму [2].

Активний розвиток обчислювальної техніки та цифрових пристроїв реєстрації зображення обумовив підвищений інтерес до впровадження оптичних методів контролю у виробництві високотехнологічних об'єктів авіаційної та ракетно-космічної техніки. Особливо активно розвиваються на даний час оптичні методи високої роздільної здатності - ширографія, голографічна та спекл-інтерферометрія, метод цифрової кореляції зображень. Аналіз літературних джерел показує, що дані методи можуть використовуватися також для контролю якості виготовлення та герметичності баків [3, 4].

У роботі [4] представлений мембранний манометр, який складається із двох основних блоків - випробувальної камери з сенсорною мембраною і спекл-інтерферометра, який забезпечує реєстрацію зображення сенсорної мембрани протягом часу контролю. Визначення ступеню герметичності здійснюється методом електронної спекл-інтерферометрії. Показано, що при застосуванні мембрани із високопружнього матеріалу (модулі пружності Е = 2,1 МПа) товщиною 0,05 мм можна за допомогою методу електронної спекл- інтерферометрії визначати падіння тиску внаслідок порушення герметичності до 10-9 Па.

Метод електронної спекл-інтерферометрії передбачає отримання цифрових зображень поверхні об'єкта контролю у двох різних станах, які відрізняються величиною навантаження на об'єкт контролю, при цьому для кожного стану об'єкта необхідно зробити декілька знімків, які будуть відрізнятися один від одного фазовим зсувом опорного променя. Такий фазовий зсув забезпечується використанням високоточного механізму керування дзеркалом системи формування опорного променю спекл-інтерферометра, що обумовлює його високу вартість. Слід зазначити, що за наявності високого ступеню негерметичності деформація сенсорної мембрани у проміжки часу між здійсненням фазового зсуву опорного променя буде призводити до зменшення точності і достовірності результатів контролю. Крім того, розміщення сенсорного елементу та цифрового реєстратора зображення у окремих компонентах призводить до виникнення похибок вимірювань, обумовлених порушенням стабільності умов реєстрації зображення як то зміни загальної освітленості, наявність вібрацій та температурних флуктуацій у навколишньому середовищі.

Задача роботи - зменшення чутливості пристрою для експрес-контролю герметичності на основі методу спекл-інтерферометрії до впливу негативних факторів.

Матеріали і методи. Для реалізації поставленої мети запропоновано використати метод кореляційної спекл-інтерферометрії. Моделювання конструкції та роботи пристрою здійснювалося в середовищі SimulationSolidWorks.

Результати дослідження. Для усунення впливу негативних факторів запропонована нова конструкція пристрою для експрес-контролю герметичності на основі методу кореляційної спекл-інтерферометри (рис.1).

Рис. 1. Загальний вигляд пристрою для експрес-контролю герметичності паливних баків: 1 - сенсорна мембрана; 2 - контрольна камера; 3 - камера порівняння; 4 - штуцери підключення до пневмосистеми навантаження; 5 - джерело лазерного випромінювання; 6 - цифровий реєстратор зображення

Основний сенсорний елемент пристрою - мембрана 1 із еластичного матеріалу з високим модулем пружності - розміщується в герметичному корпусі пристрою і являє собою одночасно перетин між двома камерами - контрольною 2 і камерою порівняння 3. Обидві камери через штуцери 4 підключені до пневмосистеми для експрес-контролю герметичності баку (рис.2). Вхід контрольної камери 2 залишається відчиненим в ході випробувань, а вхід камери порівняння 3 зачиняється до початку випробувань. Сенсорна мембрана 1 освітлюється за допомогою джерела лазерного випромінювання 5. Цифровий реєстратор зображення 6 підключається до пристрою обробки інформації.

Перед початком випробувань на герметичність паливний бак, а також контрольна та порівняльна камери заповнюються надлишковим тиском згідно технічних умов випробувань. В такому стані здійснюється реєстрація спекл - зображення початкового стану сенсорної мембрани.

Після цього клапан входу камери порівняння перекривається і здійснюється відеозапис стану сенсорної мембрани, освітленої когерентним (лазерним) випромінюванням. Контроль герметичності паливного баку відбувається шляхом порівняння у реальному часі вихідного та поточного цифрових зображень сенсорної мембрани. За наявності течі тиск у контрольній камері змінюється, що призводить до деформування сенсорної мембрани, а саме її вигину.

Величина максимального вигину мембрани манометра визначається наступним чином:

Де циліндрична жорсткість мембрани,

Pк, P0 - поточне та початкове значення тиску відповідно,

E, ? - модулі пружності першого та другого роду матеріалу мембрани,

R - радіус мембрани,

h- товщина мембрани.

При цьому зміна тиску (Рк -- Р0)у обсязі V об'єкта контролю за час спостереження і характеризує величину інтенсивності течі Q:

(2)

де к - коефіцієнт, що залежить від фізико-механічних характеристик матеріалу мембрани.

Для реєстрації вигину сенсорної мембрани пропонується використати метод кореляційної спекл-інтерферометрії. Вигин мембрани призводить до зміни розподілу яркостіспеклів в площині цифрового зображення. Якщо здійснити порівняння зображень шляхом визначення попіксельної різниці інтенсивностей зображення, що відповідає поточному стану мембрани, і зображення початкового (вихідного) стану мембрани, то отримаємо різницеве зображення з полосами, що визначають ступінь корельованості зображень (рис.3).

При цьому кількість світлих смуг на різницевому зображенні пов'язана з деформацією (вигином) мембрани:

де т=1,2,...К - кількість світлих смуг на зображенні, X - довжина хвилі лазерного випромінювання, у - кут падіння лазерного променя на поверхню мембрани [5].

Враховуючи, що у даному пристрої у=0 інтенсивність течі можна визначити за кількістю смуг, отриманих на різницевому зображенні сенсорної мембрани, наступним чином:

Шляхом комп'ютерного моделювання в середовищі SimulationSolidWorksотримано модель деформування сенсорної мембрани, виготовленої із натурального каучуку (товщина мембрани 0,05 мм, радіус 35 мм). За результатом моделювання різниця тиску в контрольній та порівняльній камерах -- Р0 = 1,67 * 10-7 Па призводить до вигину мембрани на 0,993 мкм (рис.4). При цьому на різницевому зображенні мембрани спостерігається 3 світлих смуги. Розрахунок показує, що така зміна тиску відбудеться за 2 хвилини для циліндричного баку обсягом 35 м за наявності течі величиною 5•10-7мбар-л/с. Таким чином, чутливість розробленого пристрою для експрес- контролю герметичності паливного баку рідинного ракетного двигуна досягає чутливості мас-спектрометричного методу при суттєвому скороченні витрат на проведення контролю та часу випробувань.

Рис. 4. Модель різницевого зображення для

Висновки. В ході досліджень підтверджена можливість проведення експрес-контролю герметичності паливних баків рідинних ракетних двигунів із використанням методу кореляційної спекл-інтерферометри. Розроблена модель спекл-інтерферометра для реалізації даного методу характеризується високою чутливістю та захищеністю від впливу зовнішніх факторів. В подальшому передбачається дослідити вплив температурних змін на метрологічні характеристики даного пристрою, а також вдосконалити програмне забезпечення пристрою з метою повної автоматизації процесу контролю.

Бібліографічні посилання

1. Neal Hass, Masashi Mizukami, Bradford A.Neal, Clinton St. John, Robert J Beil, Timothy P.Griffin Propellant Feed System Leak Detection - Lessons LearnedFrom the Linear, Aerospike SR-71 Experiment (LASRE) // NASA - Nov.1999. - 37 P.

2. Rottlander H., Umrath W., Voss G. Fundamentals of leak detection / H.Rottlander, W.Umrath, G.Voss// Leybold GmbH - 2016. - 49 PP. Режим доступу:

https://www.leyboldproducts.com/media/pdf/90/c7/87/Fundamentals of Leak Detection EN.pdf(Дата звернення 05.04.2019)

3. Pagliarulo V., Bianco V., Memmolo P., Distante C., Ruggiero B., Ferraro P.Leaks detection in stainless steel kegs via ESPI / V. Pagliarulo, V. Bianco, P. Memmolo, C. Distante, B. Ruggiero, P.Ferraro// Optics and Lasers in Engineering - Volume 110, November 2018. - P.P. 220-227. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2018.06.007 Режим доступу:

https://www.researchgate.net/publication/325995211 Leaks detection in stainless steel kegs via ESPI(Дата звернення 05.04.2019)

4. Сохач Ю.В., Кудрєватих О.Т., Рожковський В.Ф., Аліньков О.Л. Патент України 41632 МПК 2009 G01L 7/00 Мембранний манометр вимірювання малого тиску / Ю.В. Сохач, О.Т. Кудрєватих, В.Ф. Рожковський, О.Л.Аліньков // Заявл. 16.02.2009. Заявка № u200901241

5. Горбатенко Б.Б., Рябухо В.П., Гребенюк А.А., МысинаН.Ю.,Максимова Л.А. Контроль микроперемещенийметодами цифровой голографической и спекл-интерферометрии/ Б.Б.Горбатенко, В.П.Рябухо, А.А.Гребенюк, Н.Ю.Мысина, Л.А.Максимова // Вестник Саратовского государственного техничес-кого университета. - т.4, №1(49), 2010. - с.14-24. Режим доступу: https://cyberleninka.ru/article/v/kontrol-mikroperemescheniy-metodami-tsifrovov-golograficheskoy-i-spekl-interferometrii(Дата звернення 05.04.2019)

Размещено на Allbest.ru