RU2731786C1 - Method for determination of solid rocket propellant sample combustion rate - Google Patents
Method for determination of solid rocket propellant sample combustion rate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2731786C1 RU2731786C1 RU2019142792A RU2019142792A RU2731786C1 RU 2731786 C1 RU2731786 C1 RU 2731786C1 RU 2019142792 A RU2019142792 A RU 2019142792A RU 2019142792 A RU2019142792 A RU 2019142792A RU 2731786 C1 RU2731786 C1 RU 2731786C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- combustion
- sample
- determining
- microwave
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/96—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by specially adapted arrangements for testing or measuring
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Portable Nailing Machines And Staplers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерения основных внутрибаллистических характеристик в камере сгорания с использованием текущих значений толщины свода горящего образца.The invention relates to the field of measuring the main intraballistic characteristics in the combustion chamber using the current values of the thickness of the arch of the burning sample.
Известно, что обеспечение заданных характеристик твердотопливных энергетических установок (давление, газоприход) определяется величиной свода, сгорающего в единицу времени. Скорость горения, рассчитанная по изменению величины свода, является одной из основных характеристик твердого ракетного топлива (ТРТ).It is known that ensuring the specified characteristics of solid fuel power plants (pressure, gas flow) is determined by the size of the vault that burns out per unit time. The combustion rate, calculated from the change in the size of the roof, is one of the main characteristics of solid propellant (TPT).
Современное состояние теории горения не позволяет определять скорость горения для конкретного состава топлива расчетным путем с практически приемлемой точностью. Поэтому основным источником информации остаются экспериментальные результаты, полученные на образцах в приборах (бомбах) постоянного давления.The current state of the theory of combustion does not allow determining the combustion rate for a specific fuel composition by calculation with practically acceptable accuracy. Therefore, the main source of information remains the experimental results obtained on samples in devices (bombs) of constant pressure.
Известны различные способы определения скорости горения образцов твердого топлива. Контактный метод основан на фиксации моментов времени пережигания закладных элементов (проволочек), установленных на фиксированной толщине образца, горящего в бомбе. Принципиальным недостатком метода является определение средней (интегральной) скорости горения по всей толщине и необходимость доработки образцов.Various methods are known for determining the burning rate of solid fuel samples. The contact method is based on fixing the times of burning out embedded elements (wires) installed on a fixed thickness of the sample burning in a bomb. The principal disadvantage of the method is the determination of the average (integral) combustion rate over the entire thickness and the need to refine the samples.
Известны бесконтактные способы определения скорости горения, основанные на применении проникающих излучений, к которым относятся радиационный и ультразвуковой способы (Жарков А.С, Потапов М.Г., Демидов Г.А. Стендовые испытания энергетических установок на твердом топливе: Учебное пособие. - Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001, стр. 182-213).Known non-contact methods for determining the burning rate, based on the use of penetrating radiation, which include radiation and ultrasonic methods (Zharkov A.S., Potapov M.G., Demidov G.A. Bench tests of power plants on solid fuels: a textbook. - Ed. -vo Alt. State Technical University, 2001, pp. 182-213).
В бесконтактных способах требуемую информацию получают, используя данные измерения какого-либо параметра взаимодействия электромагнитных или акустических волн с измеряемым сводом образца, и путем последующего расчета. Способы реализуют с помощью установок (приборов), содержащих два основных блока, один из которых обеспечивает преобразование электрической энергии в требуемый тип волн и их направленное излучение, а другой - их прием после взаимодействия с образцом и измерение информативного параметра.In non-contact methods, the required information is obtained using the measurement data of any parameter of the interaction of electromagnetic or acoustic waves with the measured arch of the sample, and by subsequent calculation. The methods are implemented with the help of installations (devices) containing two main units, one of which ensures the conversion of electrical energy into the required type of waves and their directed radiation, and the other - their reception after interaction with the sample and measurement of the informative parameter.
Недостатком перечисленных способов является необходимость использования специально созданного оборудования для генерации требуемого типа зондирующих волн и их направленного излучения. Наличие в этом оборудовании токонесущих частей, находящихся под высоким напряжением, ограничивает, а иногда делает невозможным реализацию с его помощью указанных способов при испытаниях взрывопожароопасных образцов. Использование радиоизотопных источников излучения исключено из-за возможности разрушения камеры сгорания и радиационного заражения испытательного стенда. Общим недостатком перечисленных методов является высокая погрешность определения величины текущего свода образца.The disadvantage of these methods is the need to use specially designed equipment to generate the required type of sounding waves and their directional radiation. The presence of high-voltage current-carrying parts in this equipment limits and sometimes makes it impossible to implement these methods with its help when testing explosive and fire hazardous samples. The use of radioisotope radiation sources is excluded due to the possibility of destruction of the combustion chamber and radiation contamination of the test bench. A common disadvantage of these methods is the high error in determining the value of the current fornix of the sample.
Известны способы определения скорости горения ТРТ с использованием микроволнового метода (Зарко В.Е., Вдовин Д.В., Перов B.В. Методические проблемы измерения скорости горения твердых топлив с использованием СВЧ-излучения. Физика горения и взрыва. - 2000. - №1. - C. 68-78). В известных способах скорость горения определяют по интерферограмме сигналов падающей и отраженной СВЧ-волн от поверхности горения образца ТРТ.Known methods for determining the combustion rate of TPT using the microwave method (Zarko VE, Vdovin DV, Perov VV Methodical problems of measuring the burning rate of solid fuels using microwave radiation. Physics of combustion and explosion. - 2000. - No. 1. - P. 68-78). In the known methods, the burning rate is determined from the interferogram of the signals of the incident and reflected microwave waves from the combustion surface of the TRT sample.
Экспериментально установлено, что выходной сигнал датчика характеризуется высоким уровнем шумов, изменением амплитуды колебаний, нестабильностью уровня условного нуля. В результате возникает методическая погрешность, которая проявляется как погрешность определения временных интервалов, достигающая 4-6%.It has been experimentally established that the sensor output signal is characterized by a high noise level, a change in the vibration amplitude, and an unstable level of a conventional zero. As a result, a methodological error arises, which manifests itself as an error in determining the time intervals, reaching 4-6%.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, является способ определения скорости горения образцов заряда торцевого горения, основанный на использовании эффекта Допплера (А.С. Жарков и др. Применение микроволнового метода для измерения скорости горения высокоэнергетических композиционных материалов. Физика горения и взрыва. - 2000. - №1. - С. 79-82), включающий регистрацию СВЧ-датчиком изменения во времени сигнала низкочастотных колебаний, возникающих в результате смешения на детекторе-смесителе опорного СВЧ-колебания, излучаемого генератором, и СВЧ-колебания, отраженного перемещающейся поверхностью горения образца, регистрацию сигнала в компьютерном блоке, вейвлетную фильтрацию сигнала, определение скорости горения расчетным путем.Closest to the claimed technical solution, adopted as a prototype, is a method for determining the rate of combustion of samples of a charge of end combustion, based on the use of the Doppler effect (AS Zharkov et al. Application of the microwave method to measure the rate of combustion of high-energy composite materials. Physics of combustion and explosion - 2000. - No. 1. - P. 79-82), including the recording by the microwave sensor of the time variation of the signal of low-frequency oscillations arising from mixing on the mixer-detector of the reference microwave oscillation emitted by the generator and the microwave oscillation reflected moving surface of combustion of the sample, registration of the signal in the computer unit, wavelet filtering of the signal, determination of the burning rate by calculation.
В данном способе при движении фронта горения, вследствие непрерывного изменения фазы отраженной радиоволны, выходной сигнал датчика скорости изменяется по синусоидальному закону. По периоду колебаний рассчитывают скорость движения фронта горенияIn this method, when the combustion front moves, due to the continuous change in the phase of the reflected radio wave, the output signal of the speed sensor changes according to a sinusoidal law. According to the oscillation period, the speed of the combustion front is calculated
где λ - длина волны радиоизлучения опорного генератора,where λ is the wavelength of the radio emission from the reference generator,
β - показатель преломления материала образца,β is the refractive index of the sample material,
Δti - период колебаний на осциллограмме сигнала приемника.Δt i is the oscillation period on the oscillogram of the receiver signal.
Недостатком прототипа является сложность определения информативного участка сигнала для образцов, не имеющих сигнализаторов начала и конца процесса, которая заключается в том, что трудно выделить полезный сигнал на фоне помех в начале процесса.The disadvantage of the prototype is the complexity of determining an informative signal section for samples that do not have signaling devices of the beginning and end of the process, which consists in the fact that it is difficult to distinguish a useful signal against the background of interference at the beginning of the process.
На фиг. 1 представлена осцилограмма исходного сигнала с высоким уровнем шума и произвольной линией тренда. Степень влияния тренда зависит от его вида и может даже изменить число зарегистрированных периодов колебаний сигнала. Поэтому важным этапом является предварительная фильтрация сигнала, особенно в случае низкого отношения сигнал/шум. Оптимальный метод должен минимизировать среднеквадратическую ошибку без появления в обработанном сигнале дополнительных частотных компонент.FIG. 1 shows an oscillogram of an initial signal with a high noise level and an arbitrary trend line. The degree of influence of a trend depends on its type and can even change the number of recorded periods of signal fluctuations. Therefore, pre-filtering the signal is an important step, especially in the case of a low signal-to-noise ratio. The best method is to minimize the root mean square error without introducing additional frequency components in the processed signal.
В прототипе для фильтрации микроволнового сигнала используют МНАТ-вейвлет (дословный перевод «мексиканская шляпа»), который записывается выражениемIn the prototype, the MHAT wavelet (literal translation of "Mexican hat") is used to filter the microwave signal, which is written by the expression
где t - время.where t is time.
Данный вейвлет имеет только действительную часть, поэтому при его использовании погрешность определения периодов колебаний по экстремумам осциллограммы не превышает 4%, однако, прототип не обеспечивает выделение сигнала в начале процесса горения.This wavelet has only a real part, therefore, when using it, the error in determining the oscillation periods from the extrema of the oscillogram does not exceed 4%, however, the prototype does not provide signal extraction at the beginning of the combustion process.
Задачей заявляемого технического решения является дополнительное повышение точности определения скорости горения образца ТРТ за счет расширения контролируемого временного диапазона горения путем выделения сигнала в начале процесса горения.The objective of the proposed technical solution is to further improve the accuracy of determining the combustion rate of the TRT sample by expanding the controlled time range of combustion by isolating a signal at the beginning of the combustion process.
Задача решается заявленным способом определения скорости горения, включающим регистрацию СВЧ-датчиком изменения во времени сигнала низкочастотных колебаний, возникающих в результате смешения на детекторе-смесителе опорного СВЧ-колебания, излучаемого генератором, и СВЧ-колебания, отраженного перемещающейся поверхностью горения образца, регистрацию сигнала в компьютерном блоке, вейвлетную фильтрацию сигнала, определение скорости горения расчетным путем. Особенность заключается в том, что фильтрацию сигнала осуществляют комплексным вейвлет-преобразованием сигнала, выделяют действительную и мнимую части сигнала, определяют фазу сигнала как арктангенс отношения мнимой части к действительной, затем определяют масштаб вейвлет-преобразования со скачком фазовой характеристики, по времени появления которого судят о моменте начала процесса горения и рассчитывают скорость, начиная с указанного момента.The problem is solved by the claimed method for determining the burning rate, including the recording by the microwave sensor of the time variation of the signal of low-frequency oscillations arising from mixing on the mixer-detector of the reference microwave oscillation emitted by the generator and the microwave oscillation reflected by the moving surface of the combustion of the sample, recording the signal in computer unit, wavelet filtering of the signal, determination of the burning rate by calculation. The peculiarity is that the signal is filtered by complex wavelet transform of the signal, the real and imaginary parts of the signal are separated, the phase of the signal is determined as the arctangent of the ratio of the imaginary part to the real part, then the scale of the wavelet transform with a jump in the phase characteristic is determined, according to the time of appearance of which the the moment of the beginning of the combustion process and calculate the speed starting from the specified moment.
Предлагаемый способ опробован при испытании образца ТРТ торцевого горения диаметром 36 мм и длиной 150 мм, защищенного от распространения пламени по боковой поверхности, при начальной температуре 293 К. Образец поджигают снизу, зондирующее излучение от датчика СВЧ подают сверху. Измерительная система работает на частоте 37,5 ГГц.The proposed method was tested when testing a sample TRT of end combustion with a diameter of 36 mm and a length of 150 mm, protected from flame propagation along the side surface, at an initial temperature of 293 K. The sample is ignited from below, probe radiation from the microwave sensor is supplied from above. The measuring system operates at 37.5 GHz.
Для воплощения заявляемого способа может быть использован, например, комплекс технических средств, описанный в работе (Лушев В.П., Воторопин С.Д., Дерябин Ю.Н., Жаринов Ю.Б., Потапов М.Г., Автодинные СВЧ датчики перемещения для измерения скорости горения высокоэнергетических композиционных материалов, 15th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2005), Sevastopol, Crimea, Ukraine, p. 831-833, 12-16 September, 2005) или любой другой комплекс с аналогичными характеристиками.For the implementation of the proposed method can be used, for example, the set of technical means described in the work (Lushev V.P., Votoropin S.D., Deryabin Yu.N., Zharinov Yu.B., Potapov M.G., Autodyne microwave ovens displacement sensors for measuring high-velocity combustion composite materials, 15 th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology"(CriMiCo'2005), Sevastopol, Crimea, Ukraine, p. 831-833, 12-16 September, 2005) or any other complex with similar characteristics.
Излучение от приемопередающей антенны проходит через образец, отражается от поверхности горения и поступает на приемный детектор-смеситель. В результате получают сигнал, аналогичный прототипу, осцилограмма которого представлена на фиг. 1.Radiation from the transmitting antenna passes through the sample, is reflected from the combustion surface, and enters the receiving detector-mixer. The result is a signal similar to the prototype, the oscillogram of which is shown in Fig. 1.
Заявляемый способ подтверждается примером анализа результатов испытания образца ТРТ.The inventive method is confirmed by an example of the analysis of the test results of the TPT sample.
Пример. В соответствии с методикой обработки для расчета скорости горения необходима точная локализация момента начала горения. Момент начала горения сопровождается деформацией образца, что отражается в виде скачка фазы сигнала на осцилограмме.Example. In accordance with the processing technique, to calculate the burning rate, it is necessary to accurately localize the moment of the beginning of combustion. The moment of the onset of combustion is accompanied by deformation of the sample, which is reflected in the form of a jump in the signal phase on the oscillogram.
Для извлечения информации о фазе сигнала был использован комплексный вейвлет Morlet:A complex Morlet wavelet was used to extract information about the phase of the signal:
где i - мнимая единица,where i is the imaginary unit,
ω - безразмерная частота,ω - dimensionless frequency,
t - время.t is time.
На фиг. 2 представлено окно разработанной программы для обработки (анализа) результатов испытаний.FIG. 2 shows a window of the developed program for processing (analysis) of test results.
Графики Real и Imagine на фиг. 2 иллюстрируют уменьшение погрешности определения периодов колебаний по экстремумам осциллограммы. График Phase иллюстрирует полученную фазовую характеристику, которая на одном из масштабов разложения (масштаб 31 на фиг. 2) позволяет локализовать момент начала горения.The Real and Imagine plots in FIG. 2 illustrate the decrease in the error in determining the periods of oscillations by the extrema of the oscillogram. The Phase plot illustrates the obtained phase characteristic, which on one of the decomposition scales (scale 31 in Fig. 2) allows localizing the moment of the beginning of combustion.
Таким образом, заявляемое техническое решение практически реализуемо, позволяет снизить погрешность временной локализации начала процесса горения и экстремумов осциллограммы до 2% и решить поставленную задачу.Thus, the claimed technical solution is practically feasible, it allows to reduce the error in the time localization of the beginning of the combustion process and the extrema of the oscillogram to 2% and to solve the problem.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142792A RU2731786C1 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Method for determination of solid rocket propellant sample combustion rate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142792A RU2731786C1 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Method for determination of solid rocket propellant sample combustion rate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2731786C1 true RU2731786C1 (en) | 2020-09-08 |
Family
ID=72421696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019142792A RU2731786C1 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Method for determination of solid rocket propellant sample combustion rate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2731786C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3201973A (en) * | 1962-12-14 | 1965-08-24 | John E Fitzgerald | Solid propellant burning rate detector |
| RU2177113C1 (en) * | 2000-05-15 | 2001-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова" | Device for measurement of propellant burning rate in solid-propellant rocket engine |
| RU2267636C1 (en) * | 2004-06-18 | 2006-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный центр двойных технологий "Союз" (ФГУП "ФЦДТ "Союз") | Method to determine solid propellant burning rate |
| RU2406864C1 (en) * | 2009-09-02 | 2010-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный центр двойных технологий "Союз" (ФГУП "ФЦДТ "Союз") | Plant for determining burning speed of solid rocket fuel |
-
2019
- 2019-12-17 RU RU2019142792A patent/RU2731786C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3201973A (en) * | 1962-12-14 | 1965-08-24 | John E Fitzgerald | Solid propellant burning rate detector |
| RU2177113C1 (en) * | 2000-05-15 | 2001-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова" | Device for measurement of propellant burning rate in solid-propellant rocket engine |
| RU2267636C1 (en) * | 2004-06-18 | 2006-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный центр двойных технологий "Союз" (ФГУП "ФЦДТ "Союз") | Method to determine solid propellant burning rate |
| RU2406864C1 (en) * | 2009-09-02 | 2010-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный центр двойных технологий "Союз" (ФГУП "ФЦДТ "Союз") | Plant for determining burning speed of solid rocket fuel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gupta et al. | Various methods for the determination of the burning rates of solid propellants: an overview | |
| Bel’skii et al. | Microwave diagnostics of shock-wave and detonation processes | |
| CN102519663B (en) | Polymer film optical fiber F-P cavity-based underwater shock pressure sensor and dynamic calibration experiment system thereof | |
| Pachman et al. | A comparison of methods for detonation pressure measurement | |
| RU2724884C1 (en) | Device for determining parameters of explosive conversion of em in thermal effects | |
| Zhai et al. | Design of terahertz-wave Doppler interferometric velocimetry for detonation physics | |
| Rodriguez et al. | Fiber Bragg grating sensing of detonation and shock experiments at Los Alamos National Laboratory | |
| RU2731786C1 (en) | Method for determination of solid rocket propellant sample combustion rate | |
| RU2634249C2 (en) | Method and device for studying characteristics of charge of explosive substance and method of identification of properties of explosive substance | |
| Osiander et al. | Mine field detection and identification using terahertz spectroscopic imaging | |
| Pavlenko et al. | A VISAR two-channel laser interferometric complex for studying properties of materials under shock-wave loading | |
| Seo et al. | Sensitivity enhancement of fiber optic FBG sensor for acoustic emission | |
| RU2592752C2 (en) | Seismograph | |
| Bianco et al. | Small-aperture array for seismic monitoring of Mt. Vesuvius | |
| Gao et al. | Strain monitoring of combustible gas implosion test based on fiber Bragg grating | |
| Perov et al. | New microwave method for measuring unsteady mass gasification rate of condensed systems | |
| Kuenzel et al. | Optimization of Wall Velocity Measurements Using Photonic Doppler Velocimetry (PDV) | |
| Su et al. | Multiple reflection of metallic time domain reflectometry | |
| Xu et al. | Wideband dispersion removal and mode separation of Lamb waves based on two-component laser interferometer measurement | |
| Cardoso et al. | Detonation parameters of PlSEM plastic explosive | |
| Marcillo et al. | Extracting changes in air temperature using acoustic coda phase delays | |
| Camacho-Tauta et al. | Frequency domain method in bender element testing–experimental observations | |
| Klinger | Several Novel Applications of Microwave Interferometry in the Measurement of Solid Rocket Propellant Regression Rates | |
| Kuznetsov et al. | Laser interferometer for measuring the mass velocity of condensed substances in shock-wave experiments on the TWAC-ITEP proton-radiographic facility | |
| Maisey et al. | Characterization of detonator performance using photonic Doppler velocimetry |