Главная » 2014 » Август » 14 » Скачать Комплекс методик оперативного контроля состава газовой среды в криогенных системах объектов ракетно-космической техники. бесплатно
10:48 PM
Скачать Комплекс методик оперативного контроля состава газовой среды в криогенных системах объектов ракетно-космической техники. бесплатно
Комплекс методик оперативного контроля состава газовой среды в криогенных системах объектов ракетно-космической техники
Диссертация
Автор: Хмельщиков, Михаил Владимирович
Название: Комплекс методик оперативного контроля состава газовой среды в криогенных системах объектов ракетно-космической техники
Справка: Хмельщиков, Михаил Владимирович. Комплекс методик оперативного контроля состава газовой среды в криогенных системах объектов ракетно-космической техники : диссертация кандидата технических наук : 05.07.06 Москва, 2007 177 c. : 61 07-5/2392
Объем: 177 стр.
Информация: Москва, 2007
Содержание:
Введение
Глава
I Анализ состояния работ в области оперативного контроля газовой среда в криогенных топливных системах
11 Обзор существующих методов газового контроля в криогенных системах
12 Сравнительный анализ эффективности используемых методов газового контроля
13 Постановка научной задачи и методическая схема ее решения
Глава
II Теоретический анализ физических процессов, используемых при оперативном контроле газовых сред
21 Эмиссионный спектральный анализ в задаче определения примеси азота и кислорода в гелии
211 Определение малых концентраций азота в гелии
212 Определение малых концентраций кислорода в гелии
213 Особенности определения сложных смесей азота и кислорода в гелии
22 Физико-химические основы методов обнаружения утечек водорода и кислорода
221 Методики оперативного определения концентрации водорода
222 Методика оперативного определения концентрации кислорода
Глава
III Экспериментальное обоснование прииципов оперативного контроля газовых сред в криогенных топливных системах
31 Описание экспериментальной установки и методик проведения экспериментальных исследований
32 Экспериментальное обоснование и оптимизация методики контроля малых концентраций кислорода и азота в гелии
33 Экспериментальное обоснование использования методов и аппаратуры контроля утечек водорода и кислорода в криогенных топливных системах
4 Экспериментальные и теоретические результаты обоснования методик оперативного контроля газовых сред
41 Методика оперативного контроля малых примесей азота и кислорода в гелии
42 Приборно-аппаратурная реализация методики оперативного контроля малых примесей азота и кислорода в гелии
421 Разработка газоанализатора азота ГАЗ-
422 Разработка газоанализатора азота и кислорода ГАЗ-
23 Применение приборов ГАЗ при подготовке РКТ на стендах предприятия и космодроме «Шрихарикота»
43 Методики определения концентраций водорода и кислорода при утечках в криогенных системах
44 Аппаратная реализация методик контроля утечек кислорода и водорода в криогенных системах
441 Разработка и испытания макета системы контроля утечек кислорода и водорода для испытаний РКТ
442 Испытания сенсора кислорода
Заключение Литература
Приложения
Введение:
Широкое использование и продолжающееся внедрение криогенных компонентов ракетного топлива, в первую очередь жидкого водорода и кислорода, в практику создания и эксплуатации объектов ракетнокосмической техники (ракеты-носители, разгонные блоки, межорбитальные буксиры) ставят целый ряд специфических задач, связанных с высокочувствительным оперативным газовым контролем компонентов топлива и рабочих тел на содержание малых концентраций примесей различной природы. Особую значимость эти задачи приобретают в процессе подготовки и применения по целевому назначению ракетно-космической техники, использующей в жидкостных ракетных двигательных установках (ЖРДУ) в качестве горючего жидкий водород. Жидкий водород, в отличие от других компонентов топлива, имеет экстремально низкую температуру кипения и обладает аномально широким диапазоном концентраций, образующих взрывоопасные смеси с кислородом и воздухом. В связи с этим весьма актуальной является задача оперативного и высокоточного определения не только утечек водорода, но и качественного состава гелия, применяемого для подготовки водородных систем. При этом в качестве определяемых в гелии примесей наибольшее значение имеют кислород и азот, как следы воздуха. Традиционно для контроля чистоты гелия при работе с изделиями ракетно-космической техники используется хроматографический метод. К недостаткам метода относится длительность процесса анализа, что не позволяет в оперативном режиме контролировать процессы газозамещения в полостях изделий. Сложность подготовки и работы хроматографической аппаратуры вызывает необходимость дублирования газоаналитических работ при ответственных измерениях. В настоящее время отсутствуют методики и аппаратура, обеспечивающие высокочувствительное и оперативное измерение малых примесей азота и кислорода в гелии. Несколько иная ситуация сложилась в области контроля утечек водорода. Существует широкий спектр сенсоров водорода, использующих в своей основе различные физические принципы. Несмотря на это, системы контроля утечек водорода, применяемые в отечественной и зарубежной ракетной технике не в полной мере отвечают современным требованиям, в первую очередь, по показателям оперативности и взрывобезопасности проводимого анализа. Для многих сенсоров имеются ограничения на присутствие других газов кислорода и гелия, а также ограничения на максимальную концентрацию водорода. Указанные особенности применяемых методов измерения концентрации водорода не позволяют использовать их для оперативного с задержкой не более одной секунды взрывобезопасного контроля утечек водорода в среде азота или воздуха с переменным составом по кислороду и гелию. В этой связи исследования и разработки методов и методик, направленных на парирование указанных выше недостатков, представляются 4 чрезвычайно актуальными. Целью настоящей диссертационной работы является повышение безопасности и качества подготовки и использования объектов по целевому назначению путем решения научной задачи разработки комплекса эффективных методик оперативного контроля примесей в рабочих газах криогенных систем объектов ракетно-космической техники и обнаружения малых концентраций криогенных топлив в окружающей среде. Для достижения сформулированной выше цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи: а) анализ существующих способов контроля малых концентраций криогенных компонентов топлива и примесей в рабочих телах, используемых в процессе подготовки и эксплуатации объектов криогенной ракетной техники; выбор базовых методов для разработки методик высокочувствительного оперативного газового анализа и их приборноаппаратурного оформления; б) разработка методик высокочувствительного оперативного контроля концентрации примесей азота и кислорода в гелии, используемого при подготовке объектов криогенной ракетной техники к использованию по целевому назначению; в) разработка методики оперативного контроля утечек жидкого водорода и кислорода в смесях с азотом, обеспечивающей требуемый уровень безопасности эксплуатации криогенной ракетной техники; г) создание экспериментального стенда для исследования различных методов газового анализа; д) теоретические и экспериментальные исследования по верификации разработанных методик, базирующихся на спектрально-эмиссионных методах анализа концентрации азота и кислорода в гелии, каталитических, полупроводниковых и радиационных методах контроля водорода и фосфоресцентных методах контроля кислорода; е) приборно-аппаратурная реализация выбранных газоаналитических методик и комплексные испытания разработанной газоаналитической аппаратуры при подготовке и эксплуатации изделий криогенной ракетной техники в реальных условиях. Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются изделия ракетной техники, их базовые элементы, при подготовке и целевом использовании которых применяются криогенные компоненты ракетного топлива и рабочие тела, содержащие в качестве примесей малые газовые составляющие, в значительной степени влияющие на качество и безопасность операций, проводимых в ходе их эксплуатации. Предметом диссертационной работы являются методы и методики газового анализа малых концентраций криогенных компонентов ракетного топлива и примесей, содержащихся в рабочих телах, используемых в процессе подготовки и эксплуатации криогенной ракетной техники. 5 Научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы. В результате проведенных исследований: Впервые была обоснована возможность одновременного измерения малых концентраций азота и кислорода в гелии с использованием эмиссионно-спектральных методов. Определены условия возбуждения разряда в гелии и выбраны спектральные аналитические линии и полосы, позволяющие реализовать спектральную методику в компактном приборе. Детально рассмотрены факторы, влияющие на аналитические возможности разработанной методики. Созданы опытные образцы газоанализатора для контроля примесей азота и кислорода в гелии, нашедшего практическое применение при изготовлении изделий криогенной РТ (наземное оборудование и бортовые системы кислородно-водородного разгонного блока 12 КРБ) и в процессе их предстартовой подготовки в условиях космодрома Шрихарикота (Индия). Использование разработанного газоанализатора позволило значительно сократить время предстартовой подготовки изделий РТ, повысить надежность ответственных измерений и безопасность эксплуатации криогенной РТ. Показана эффективность и целесообразность применения датчиков термокаталитического и полупроводникового типов при определении утечек водорода. Для обеспечения работы сенсоров в смесях с азотом, водородом и кислородом переменного состава разработан датчик кислорода фосфоресцентного типа с уникальным быстродействием менее одной секунды. На основе указанных сенсоров создан опытный образец системы контроля утечек водорода и кислорода, позволяющей аккумулировать данные с нескольких точек контроля и передавать их по взрывобезопасным цепям. В результате исследования люминесценции молекул азота при возбуждении потоком а-частиц получены значения констант снижения уровня люминесценции возбужденных молекул азота в присутствии водорода и кислорода. Полученные зависимости положены в основу методики радиационно-люминесцентного контроля утечек водорода и создания опытного образца радиационного датчика водорода, обладающего принципиальной взрывобезопасностью Результаты, выносимые на защиту. а) спектрально эмиссионная методика одновременного измерения малых концентраций азота и кислорода в гелии; б) закономерности излучательных процессов в возбуждаемом ачастицами азоте с примесью водорода и кислорода. в) методика радиационно-люминесцентного определения нм, и на первой отрицательной системе иона N2 (BZu ->XSg), А,=391, 428, нм, причем эти линии существенно удалены относительно линий гелия. Показано, что в квазистационарных условиях горения разряда на возбуждение излучательного уровня N2*(Cnu) идет достаточная доля от вложенной энергии, что должно обеспечивать уверенное распознавание сигнала и повторяемость измерений. Задачу анализа кислорода также предложено решать спектроскопическим методом. Для принятых условий разряда наибольшей спектроскопической привлекательностью обладает триплет атомарного кислорода к!=111\ш (ЗрР-ЗэЗ"). Показано, что примесь кислорода до 100 ррм слабо влияет на условия горения разряда в гелии. Также установлено, что доля энергии разряда, идущая на возбуждение кислорода прямо пропорциональна его концентрации, но в два три раза меньше доли энергии, идущей на возбуждение азота при их равной концентрации. Это дает предпосылки к реализации спектроскопического метода при условии увеличения потока излучения в кислородном канале. В данной главе также рассмотрены особенности одновременного анализа сложных смесей азота и кислорода в гелии. Приведены традиционные подходы, среди которых наиболее перспективным является корреляционный метод, обычно используемый для определения концентрации одной компоненты в присутствии других, мешающих. Предложено использовать корреляционные связи в спектрах атомов и молекул для определения концентраций азота и кислорода в гелии. В части задачи контроля утечек водорода проанализированы физикохимические основы и основные факторы, влияющие на чувствительность к водороду термокаталитических и полупроводниковых сенсоров, а также пути оптимизации их характеристик для заданных условий работы. Рассмотрен также радиационный способ контроля утечек водорода, обладающий принципиальной взрывобезопасностью. Способ заключается в изменении свечения возбуждаемого а-частицами азота в присутствии водорода. Приведена зависимость интенсивности свечения азота от концентраций водорода и кислорода, отражающая основные процессы в системах азота, кислорода и водорода. Для обеспечения работы указанных сенсоров водорода в среде переменного состава по кислороду рассмотрена возможность применения фосфоресцентных методов определения кислорода. Методы основываются на явлении снижения интенсивности фосфоресценции некоторых органических красителей, например, порферинового комплекса, молекулярным кислородом. Такие факторы, как спектральный сдвиг между излучением накачки и фосфоресценцией и значительные времена затухания фосфоресценции способствуют созданию эффективной аналитической методики. Для обеспечения требуемого быстродействия сформулированы принципы экспериментальной оптимизации толщины пленки, 8 активированной красителем и величины концентрации красителя. В третьей главе приведены данные, характеризующие условия проведения экспериментальных исследований, экспериментальное оборудование, использованное для проведения исследований, методические приемы и схемы выполнения экспериментальных работ по созданию методик высокочувствительного газового анализа. Дано описание пневмогазовой установки, позволяющей моделировать различные газовые смеси и исследовать оптико-физические процессы в условиях, соответствующих исследуемым газоаналитическим методам. Описаны методики составления смесей и проведения экспериментов. Для эмиссионно-спектрального метода контроля чистоты гелия рассмотрены различные способы возбуждения разряда, определены спектральные характеристики излучения в гелии с добавками азота и кислорода. Проведено экспериментальное исследование различных способов анализа кислорода, подтвердившее оптимальный выбор корреляционного метода, для которого исследованы влияния примесей азота и кислорода на интенсивность свечения выбранных спектральных линий. Установлен характер этого влияния, имеющий монотонность и повторяемость. Экспериментальная оптимизация электрических параметров разряда, характеристик светофильтров и фотоприемников позволили разработать компактный макет разрядной камеры, на котором отработаны основные технические решения приборной реализации методики эмиссионноспектрального газового контроля. В результате экспериментальных исследований разработана методика оперативного определения примесей азота и кислорода в гелии, а также созданы макеты газоанализаторов ГАЗ-1 и ГАЗ-2, с помощью которых были отработаны методы измерений и определено влияние различных факторов на концентрационные кривые. При создании методики контроля утечек водорода в качестве измерительной основы были выбраны датчики полупроводникового и термокаталитического типов, предварительно испытанные в среде воздуха. Экспериментально исследованы возможности такого рода датчиков для контроля утечек водорода в широком диапазоне внешних условий. Для полупроводникового датчика водорода получена регулярная зависимость концентрационных кривых от примеси кислорода для диапазона [Н2]=0..5% и [О2]=0,1..10%. Также экспериментально доказана высокая специфичность полупроводникового датчика к наличию гелия и исследована зависимость чувствительности датчиков от времени в эксплуатационных условиях. Испытания термокаталитических датчиков показали линейную концентрационную зависимость в диапазоне [Н2]=0,15% и нечувствительность к содержанию кислорода в газовой смеси в диапазоне [О2]=3..20%. Одним из способов повышения быстродействия и селективности 9 исследованных датчиков является увеличение температуры активной поверхности, что ограничено требованиями взрывобезопасности аппаратуры. Этого недостатка лишен радиационный метод анализа водорода в азоте. Результаты экспериментального исследования данного метода также приведены в данной главе. В ходе проведенных исследований экспериментально подтверждена зависимость интенсивности свечения азота от концентрации водорода и кислорода, теоретически обоснованная ранее, изучены основные процессы в системах азота, кислорода и водорода. В результате проведенных исследований впервые получены зависимости интенсивности свечения молекул азота в присутствии малых концентраций водорода и кислорода, а также константы влияния этих примесей на электронное заселение верхнего энергетического уровня азота. Поскольку во всех исследованных методиках измерения концентрации водорода в той или иной степени существует зависимость сигнала от концентрации кислорода, в ходе экспериментальных работ создан и исследован макет быстродействующего сенсора кислорода на основе фосфоресценции красителя. Описаны методы исследования энергетических, временных и температурных характеристик фосфоресцентного метода и результаты оптимизации конструкции и элементной базы сенсора, позволившие достичь быстродействия менее 0,5 сек в заданных условиях работы. В четвертой главе представлены результаты теоретического и экспериментального обоснования методик оперативного контроля газовых сред, базирующиеся на развитии существующих методов газового анализа, а также сформированы методики контроля примесей азота и кислорода в гелии, утечек водорода, в том числе в присутствии азота и кислорода. Приводятся методы обработки полученных данных и вычислительные алгоритмы, на которых строятся методики измерений. Описывается приборно-аппаратурная реализация методик. Па макетах азотно-кислородного газоанализатора отработана аппроксимация массива калибровочных данных по методу наименьших квадратов в приближении поверхностью второго порядка, что позволяет получать легко программируемые аналитические зависимости. Результатом исследований и макетирования эмиссионноспектрального метода явилось создание штатных образцов газоанализаторов серии «ГАЗ». В главе приведено описание прибора «ГАЗ-2». Представлены структурная схема прибора, конструктивное исполнение, устройство электронных блоков, алгоритм работы прибора, порядок калибровки и приведены его технические характеристики. Значительное место уделено оценке суммарной погрешности газоанализатора для разных диапазонов концентраций. В главе также приведены результаты испытаний и эксплуатации газоанализатора на производстве КБ «Салют» и в индийском космическом центре «Шрихарикота» при подготовке криогенных разгонных блоков. В 10 процессе эксплуатации подтверждены аналитические характеристики приборов, показана эффективность их применения при оперативных работах. Для реализации методики определения концентраций водорода при его утечках в среде азота и кислорода разработан алгоритм вычисления по сигналу полупроводникового датчика при известной концентрации Показано, что сочетание датчиков полупроводникового и термокаталитического типов с одновременным независимым измерением концентрации кислорода в смеси позволяет с требуемым быстродействием обнаружить как малые течи водорода в газе с небольшой концентрацией кислорода, так и существенные утечки в воздухе. Необходимая для работы датчиков информация о текущей концентрации Ог поступает от фосфоресцентного сенсора кислорода. Для этого сенсора также разработан достаточно простой алгоритм вычисления [Ог], который сопрягается с алгоритмами работы датчиков водорода. Описывается аппаратная реализация методики в виде действующего макета системы удаленного сбора и представления информации, включающего указанные датчики, а также устройства искробезопасного питания, преобразования и отображения сигнала, линии передачи данных. Рассмотрены алгоритмы работы системы и результаты испытаний макета на пневмовакуумной установке. Также представлены результаты автономных испытаний сенсора кислорода в процессе анализа чистоты метана в магистральном газопроводе. В заключении представлены основные результаты решения сформулированной выше научной задачи, приводятся основные выводы и рекомендации по материалам диссертационного исследования. Основные результаты опубликованы в следующих работах: 1. Аристов Л.И., Керимов О.М., Киселев Л.Н., Кочетов И.В., Кузин А.И., Певгов В.Г., Семенов А.В., Хмельщиков М.В. Разработка аппаратуры измерения концентрации азота и кислорода в гелии для задач криогенной ракетной техники Датчики и системы, 2006 г., №9, стр. 49-51. 2. Аристов Л.И., Керимов О.М., Киселев Л.Н., Кутыгин Е.Н., Лукьянов В.П., Певгов В.Г., Перминов Е.А., Семенов А.В., Хмельщиков М.В. Разработка аппаратуры измерения концентрации азота в гелии для топливных систем криогенных ракетных двигателей. Тезисы докладов III Международного аэрокосмического конгресса IAC-2000, Москва, август 2000 г. стр. 124-125. 3. Аристов Л.И., Керимов О.М., Киселев Л.Н., Певгов В.Г., А.В. Семенов, Хмельщиков М.В. Разработка системы контроля концентрации водорода и кислорода для испытаний РКТ с криогенными двигателями. Сборник докладов, XII научно-техническая конференция «Датчики2000», май 2000 г. Крым М. МГИЭМ, 2000 г., с. 75-76.Аристов Л.И., Березкин В.А., Долгих В.А,, Каменец Ф.Ф., Керимов О.М., Киселев Л.Н., Певгов В.Г., Перминов Е.А., Семенов А.В., Хмелыциков М.В. Система контроля концентрации водорода и кислорода для испытаний РКТ с криогенными двигателями. Сборник докладов, Международный экологический конгресс, С Петербург, июнь 2000 г. с. 358. 5. Аристов Л.И., Дунаев А.И,, Кочетов И.В,, Керимов О.М., Киселев Л.Н, Певгов В,Г., Семенов А.В., Хмельщиков М.В. Исследование методов оперативного контроля чистоты гелия в системах криогенной ракетной техники. Сборник тезисов IV Международного аэрокосмического конгресса IAC-2003, Москва, август 2003г., с. 149. 6. Аристов Л.И., Керимов О.М., Киселев Л.Н., Певгов В.Г., Перминов Е.А.,. Семенов А.В, Хмелыциков М.В. Патент J 2 2180110 на V изобретение «Ионизационно-спектральный способ оперативного определения концентрации водорода в газовых смесях и устройство для его осуществления» от 01.09.2000 г. 7. Аристов Л.И., Дунаев А.И., Керимов О.М., Киселев Л.П. Певгов В.Г., Перминов Е.А., Семенов А.В., Хмелыциков М.В. Патент 2232982 на изобретение «Спектральный способ оперативного определения малых концентраций азота и кислорода в газовых смесях с гелием и устройство для его осуществления» от 25.03.03 г. 12
