автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Метод и средства определения параметров плазмы для обеспечения функционирования бортовых РТС связи

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ '

Для служебного пользования Экз. N У2Ч На правах рукописи

Андреев Владимир Леонидович

МЕТОД И СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ РТС СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Устройства радиотехники и средств связи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

- г -

Работа выполнена на кафедре "Конструирование и управление качеством РА" Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроения.

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

доктор технических наук профессор

A.Г. Варжапетян.

доктор технических наук профессор С.З.Бубнов ( ЦНПО "Авангард", г. Санкт-Петербург); кандидат технических наук, доцент

B.М. Балашов ( НИИ системотехники холдинговой компании "Ленинец" г. Санкт - Петербург)

Ведущая организация

- Особое конструкторское бюро Московского энергетического института.

Защита диссертации состоится

199 г4, в

и_" часов на заседании специализированного совета Д.063.21.01

при Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроения по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "_" __ 1995 г.

Ученый секретарь . специализированного совета кандидат технических наук

В. П. Ларин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ •

Актуальность темы. Полет гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) в атмосфере Земли сопровождается рядом факторов, существенно влияющих на функционирование систем^ связи "борт-Земля". К ним прежде всего следует отнести наличие плазменного образования и сильный аэродинамический нагрев поверхности ГЛА. который приводит к интенсивному оплавлению и уносу материала теплозащитного покрытия (ТЗП). Основными причинами, обусловленными плазмой и расплавом и затрудняющими функционирование бортовых радиотехнических систем (РГС) связи являются:

- резкое ухудшение условий работы бортовых антенн (искажение диаграммы направленности, расстройка, уменьшение КПД, пробой);

- резкое ухудшение условий распространения электромагнитных волн (ЭМВ) через двойной слой "плазма - расплав" (затухание, отражение. переотражение, изменение параметров сигнала).

В результате возможен отказ в работе бортовых РТС, заключающийся в потере радиосвязи в канале "борг - Земля", который вызывает:

- срыв в канале управления;

- поступление телеметрической информации в масштабе времени отличном от реального для испытательных ракет (ИР);

- нарушение траекториях измерений ЙР.

Для борьбы с этим явлением необходимо знать электрофизические параметры полетной плазмы и слоя расплав'а теплозащитного материала (ТЗМ) покрытия непосредственно в месте установки антенных систем связи на борту ГЛА. Поэтому, задача по определению параметров полетной плазмы и слоя расплава ТЗМ антенн для обеспечения функционирования бортовых РТС связи ГЛА на всей траектории полета, несомненно, актуальна. Работа, направленная на решение этой задачи, проводилась в течение многих лет в Государственной Академии аэрокосмического приборостроения (г.Санкт-Петербург) в рамках Целевой комплексной программы Минвуза РСФСР "Неразрушающие методы контроля".

• Цель работы заключается в разработке методов и средств определения электрофизических параметров полетной плазмы и слоя расплава ТЗМ для обеспечения функционирования бортовых РТС связи, установленных на летательных аппаратах (ПА), движущихся с гиперзвуковыми скоростями в атмосфере Земли.

В соответствии с целью работы сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Разработать иетод определения электрофизических параметров полетной плазмы и слоя расплава ТЗМ непосредственно в месте установки антенн связи на борту ГЛА.

2. Разработать аппаратуру зондовых датчиков.

3. Разработать метод калибровки зондовых датчиков.

4. Разработать метрологические основы метода.

5. Разработать стендовый комплект калибровки (СКК) зондовых датчиков.

6. Разработать методику обработки результатов исследований на СКК и в натурном эксперименте.

7. Разработать методику прогнозирования потерь ЭМВ в радиоканале связи "борт - Земля" при интенсивном нагреве ,поверхности ГЛА. используя результаты зондовых измерений.

... Методы исследований. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований, для аналитических исследований использованы теория поля, физика плазмы, метрология, теплофизика,•теория радиотехнических и спектрометрических измерений. Расчеты проведены на ЭВМ "Искра - 226" и СМ-2. Экспериментальные исследования проведены с использованием современной отечественной аппаратуры и специально разработанных аппаратурных комплексов.

Научна^ новизна. Научная новизна выполненного исследования состоит в следующем:

1. Разработан метод, позволявший определять электрофизические параметры плазмы и слоя расплава ТЗМ связных антенн на всей траектории полета ГЛА.

2. Разработаны принципы построения аппаратуры и конструкции датчиков, позволяющие определять параметры полетной плазмы и

расплава ТЗМ антенн связи.

3. Разработаны принципы и рекомендации и создан СКК зондо-, вых датчиков плазмы и расплава.

4. Разработана методика обработки результатов исследований на СКК и в натурном эксперименте.

5. Разработана методика прогнозирования потерь ЭМВ в радиоканале связи "борт - Земля", основанная на использовании результатов измерения параметров полетной плазмы и расплава ТЗМ антенн о помощью предложенных зондовых датчиков.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволили:

- разработать аппаратуру и зондовые датчики, реализующие предложенный метод;

- определить электрофизические параметры плазмы и расплава-ТЗМ непосредственно в месте установки антенн связи радиоканала "борт - Земля" на всей траектории полета ГЛА;

- проводить калибровку зондовых датчиков любых конструкций на разработанном стендовом комплексе калибровки;

- прогнозировать потери ЭМВ в радиоканале "борт - Земля" при наличии участка "нагретый диэлектрик - плазма" по результатам натурного эксперимента для создания антенн с уменьшенными потерями;

- дать рекомендации по установке антенн связи не борту ГЛА по результатам натурного эксперимента.

Реализация результатов, работы. Результаты диссертационной работы внедрены в Особом конструкторском бюро Московского энергетического института и лаборатории НИС кафедры "Конструирование и управление качеством РА" ГААП г.Санкт-Петербург.

В НИС кафедры используется стендовый комплекс калибровки зондовых датчиков и результаты теоретических исследований.

Зондовые датчики прошли натурные испытания, которые показали, что их работоспособность сохраняется на всей траектории полета ГЛА.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы ■ доложены и обсуждены на:

- Всесоюзной конференции по распространению радиоволн в

г.Ленинграде на XIV в 1984 г. - 1 доклад, на XVI в 1987 г. в г. Алма-Ата - 1 доклад;

- Всесоюзных семинарах "Технология неметаллических конструкций" в г. Обнинске в 1980 г. - 1 доклад, б 1882 г. - 1 доклад, в 1985 г. - 1 доклад, в 1987 г. - 1 доклад;

- Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур" в г.Харьков в 1986 г. - 2 доклада;

- Научной сессии ВМЭИ "Ленин-89" в г. София (Болгария) в 1989 г. - 1 доклад;

- Ш-ей Крымской конференции и выставке "СВЧ-техника и спутниковый прием" в г. Севастополе (Украина) в 1993г. - 2 доклада.

- 1У-0Й Крымской конференции и выставке "СВЧ-техника и спутниковый прием" в г. Севастополе (Украина) в 1994г.-3 доклада.

Публикации. По результатам диссертационной работа опубликовано И статей и 14 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 279 листах машинописного текста и содержит 119 рисунков и 3 листа приложений. Список использованной литературы включает 113 наименований.

Содержание работы.

Во введении определяются основные факторы, обусловленные наличием плазмы и слоя расплава ТЗМ антенн, способные нарушить Функционирование бортовьк радиотехнических систем связи, приводится обоснование актуальности темы диссертационной работы, формулируется цель диссертации, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе доказывается необходимость определения электрофизических параметров плазмы и слоя расплава ТЗМ антенн канала радиосвязи "бсрт - Земля" на всей траектории полета ГЛА.

ГЛА входят п атмосферу Земли со скоростями 6...Т км/с и айве под сравнительно большими углами наклона к горизонту. Начиная с высоты 100 км и при скорости'более 3 км/с возникающая перед

ГЛА ударная волна приводит к сжатии и разогреву окружающего ее. воздуха. В результате такого разогрева молекулы воздуха диссоциируют и ионизируются. Температура на поверхности аппарата оказывается достаточной и для ионизации проаблированного материала ТЗП. Ионизированный слой, который окружает ГЛА при полете в атмосфере, называется плазменной оболочной. Характеристики плазменной оболочки в сильной степени зависят от геометрических форм ГЛА. высоты и скорости полета. Для оценки влияния плазменной оболочки на характеристики бортовых РТС связи необходимо знать-ее электрофизические параметры: концентрацию электронов Ne, частоту соударений V34. плотность теплового потока, геометрические размеры. Для малоразмерных ГЛА. которые можно условно разбить на три класса (тупые, тонкие и комбинированные тела), характерно, что основное влияние на величины электрофизических параметров плазменной оболочки оказывают скорость полета и радиус затупления тела. При наличии конечного, хотя и небольшого радиуса затупления, уровень концентрации электронов N„ плазменной оболочки изменяется от 10" см"3 до 1016 см'3. Для эффективной частоты соударений Уэф характерно, что она слабо зависит от радиуса затупления и почти постоянна поперек ударного слоя. Основное влияние на V3(f оказывает высота и скорость полета аппарата и она изменяется в диапазоне от 10® Гц до 1013 Гц. Тепловые потоки к поверхности ГЛА могут достигать величины 2 кВт/см®, что приводит к абляции ТЗП. Появление продуктов абляции в плазменной оболочке существенно влияет на ее электрофизические параметры, в частности, на концентрацию электронов, уровень которой может повыситься в несколько раз.

Рассматривая взаимодействие электромагнитной волны с плазмой, пользуются понятием плазменной круговой частоты Wp Wp , ( егНе / t0m )1/г.

При изменении частоты радиосигнала W от значения W < Wp до значений W » Wp плазма меняет свои свойства от проводника через область практически полного "запирания" сигнала до диэлектрика. Поэтому, построение антенных систем связи на борту ГЛА связано с правильным выбором частоты радиосигнала. Оценивая энергетику канала "борт - Земля", необходимо оценивать не только потери на поглощение и отражения в плазме, но и потери энергии из-за характеристик. антенн, которые происходят в основном из-за разогре-

ва ихТЗМ вплоть до появления на его поверхности слоя расплава. В некоторых случаях потери в слое расплава ТЗМ антенны могут быть соизмеримы с потерями ЭИВ в плазме и достигать величины 30 дБ. Это объясняется высокой удельной электропроводностью слоя расплава ТЗМ антенн. Удельная электропроводность ионных расплавов достигает Ю3 1/(0м-м). для карбидов - 5-Ю4 1/(0м-м), а для материалов со 100 % содержанием углерода при температуре 2500 К 103...106 1Л0М-М).

Оценка влияния полетной плазмы на энергетику канала "борт -Земля" и функционирования бортовых РТС связи в общем виде связана с большими трудностями, одной из которых является необходи-.мость определения на всей траектории полета параметров плазмы и слоя расплава ТЗМ в месте установки антенных окон (АО) на бор , ЛА.

В настоящее время разработаны или разрабатываются методы диагностики плазменной оболочки, окружающей ГЛА в полете. Следует отметить, что ни один из современных методов диагностики не обеспечивает измерения всех необходимых параметров полетной плазмы в широком диапазоне изменений концентрации электронов и удельных тепловых потоков, из всех существующих на сегодняшний день методов определения параметров прибортовой плазмы аппара-турно реализованы и применяются практически два: радиометрический и зондовый.

Радиометрический метод позволяет определять электрофизические параметры без внесения в плазму каких-либо возмущений. При использовании достаточно чувствительной приемной аппаратуры и соответствующих антенн этот метод позволяет вести оценку параметров плазмы на значительном расстоянии от поверхности ЛА. К недостаткам этого метода следует отнести неоднозначность решения обратной задачи для некоторых областей параметров плазмы и некоторых расчетных моделей, а значит и неоднозначность в определении параметров бортовой плазмы.

Зондовый метод до сих пор является одним из основных методов определения параметров плазмы, благодаря тому важному принципиальному преимуществу, практически перед всеми другими видами диагностики, что он . несмотря на вносимые возмущения, дает возможность определять локальные параметры плазмы. Следует отметить, что при существующей теории зондов применение их ограниче-

но. начиная с высот примерно 50 км и ниже, где условия в плаз-,' менном слое являются самыми тяжелыми. Однако, совершенствоваание теории, а также применения новых диэлектриков в качестве изоляторов и новые конструкции зондовых датчиков, несомненно, позволят расширить диапазон их применения по высоте.

Проведенный анализ методов определения параметров полетной . плазмы показал, что наиболее приемлемым методом является зондо-вый, как с точки зрения простоты аппаратурного решения, так и возможности измерения локальных параметров плазмы и слоя расплава ТЗМ в месте установки на поверхности аппарата бортовых антенн. Но, имеющаяся на сегодняшний день теория, не позволяет использовать зонды на всей траектории полета ГЛА в атмосфере Земли (ограничения по давлению и тепловому потоку).

Так встал вопрос о разработке метода и средств определения' параметров полетной плазмы и расплава ТЗМ с помощью зондовых датчиков, позволяющих о достаточной точностью определять их электрофизические параметры на всей траектории, знание которых необходимо для создания антенн с уменьшенными потерями, ■ что обеспечит функционирование бортовых РТС связи в течение всего времени полета ЛА.

Во второй главе разрабатываются теоретические основы метода определения электрофизических- параметров прибортовой плазмы по измеренным значениям удельной электропроводности среды между двумя цилиндрическими электродами.

Приводятся расчеты, которые позволяют сделать вывод о том, что на высотах меньше 60 км, а эти высоты интересуют больше всего с точки зрения пропадания радиосвязи в канале "борт - Земля", средняя длина свободного пробега электронов, и тем более ионов, из-за давления в пристеночном слое плазменной оболочки ГЛА, значительно меньше радиуса"применяемых зондов и теория зондовых измерений, основанная на теории Ленгмюра, на этих высотах не приемлема. Показана целесообразность применения двойного зонда при высоксм давлении в прибортовой плазме, определяемая возможностью измерения с его помощью удельной электропроводности среды, в которую погружены электроды, с последующим переходом от нее к концентрации электронов. Выражение для определения удельной электропроводности среды между двумя цилиндрическими электродами имеет вид

1п 0/с1

бпл = я р 1-К' '

л п л э д

где: - 1?пл - сопротивление среды (плазмы) между электродами зонда;

1ЭЛ . длина электродов, погруженных в плазму, д - расстояние между электродами: а - радиус электродов;

К, - коэффициент, учитывающий конструкцию и краевые эффекты на торцах электрода. Плотность тока проводимости плазмы при наличии электричес-. кого поля Е2 записывается в виде

е2Пе

-- е2 •

П^э®

Тогда величина электропроводности плазмы на постоянном токе

.1. рг N.

= 2,82 10'3 - , 1/0М'М

ше-уэл V,«

Установлено, что в этом случае на поверхности электрода образуется, так называемый, объемный разряд, который экранирует внешнее электрическое поле. Показано, что толщина слоя объемного пространственного заряда Ь будет меняться в интервале 0,69-10"5м до 5-10"5м. Тогда, сопротивление зондового датчика плазмы (ЗДП). представляющего собой совокупность выступающих электродов и изолятора с учетом объемного заряда и толщины слоя заряда I записывается в виде

1п[ №-2Ь)/(сЗ+2и]

Для того, чтобы избавиться тот влияния объемного заряда, предложено располагать в изоляторе еще одну пару цилиндрических электродов, из которых а2=с3,=(3, 13д1=1Эд2=1зд и разные величины межэлектродных расстояний Б, иЭ2. Учитываем, что 0, >Ь,. 0г»Ьг. (3>Ь,. (5>Ьг. При близких значениях Б, и получаем: 2Й0|)1 . Тогда, выражение для определения концентрации электронов плазмы по измеренным сопротивлениям датчиков плазмы при отсутствии слоя расплава запишется в следующем виде

м = --1!- к .

2.82- 10-» «„(Н,;.,-^,.,)

При использовании только одного датчика и пренебрежении величиной объемного заряда (в =0) выражение для определения конг центрации электронов имеет вид

111(0»/<1) V,,

не = -Ц-^— к,.

2.82- Ю"' Я^дИздв . ■

Величина эффективной частоты соударений может быть рассчитана по формуле

Уэв - 4,95 ■ 101г • Р /Л1".

где: Р - давление, кг/см1;

Т - температура, К.

При воздействии интенсивных' тепловых потоков на поверхности изолятора зондового датчика появляется слой расплава, который существенно влияет на величину измеренного сопротивления. Чтобы учесть это влияние, используем еще один датчик - зондовый датчик расплава (ЗДР), у которого электроды расположены заподлицо с поверхностью изолятора и имеют те же размеры (0 и й), что и у ЗДП. Величина электропроводности слоя расплава и его толщина определяют сопротивление, возникающее между электродами, которое записывается в виде

1п(0/<1)

Ир - — к,.

Тогда, используя две парЬ Датчиков ЗДП и ЗДР с различными межцентровыми расстояниями и обозначив измеренные ими сопротивления через Издп!, йЭЛп2. Кадр! и кздр2 получим выражение для определения концентрации электронов при воздействии на ЗД интен-. сивных тепловых потоков

1п(С,/02)у,ф К,Нг

Н.

2. 82-Ю-" «зд 1 - ----^иЛдрг

4 ^эдр1 "здв! "эдр2 ~ "здр2 '

где: к2 - коэффициент, учитывающий изменение геометрии

электродов под воздействием интенсивных тепловых потоков.

При использовании только одной пары датчиков (ЗДИ и ЗДР) и пренебрежении величиной объемного заряда (Лоб « 0) получим

ШШ/а^зф^Кг

Ир =

2.88-10"

^з д п ^з д р

Кздр йздп

Как было отмечено в главе I, одна из причин ослабления СВЧ сигнала в ТЗМ антенн - слой электронно-ионного расплава на ее поверхности. Зная толщину слоя расплава 1Р, можно определить удельную электропроводность расплава ТЗМ. Используя два ЗДР с различными межцентровыми расстояниями (В! * 02) и измеряя соответствующие сопротивления, электропроводность слоя расплава запишется в виде

бр "

1п(Р| /Рг )-УэфК1

~~ ^здрг )

Без учета объемного заряда электропроводность определяется по формуле

ШССЛЗИэфК,

бр •= -.

л1РКздр

Полученные соотношения являются основопологающими для определения концентрации электронов для случая только плазмы и при наличии слоя электронно-ионного расплава,- возникающего на поверхности изолятора под воздействием интенсивных тепловых потоков. на постоянном токе без снятия вольт-амперных характеристик на всей траектории полета ГЛА при использовании значений электрического сопротивления ЗДЛ и ЗДР.

Для проведения расчетов необходимо знать коэффициент К,. В работе для его определения использован метод сеток. При этом были рассмотрены плоско-параллельные поля и поля, образованные зарядами на телах вращения. Окончательное выражение для определения коэффициента, учитывающего конечность длины электродов ЗД различных геометрических размеров, имеет вид

К, = 1 + (£1/1зд Нп<0/с3)

Геометрия обгоревших электродов позволяет считать, что наиболее подходящей аппроксимацией их поверхности будет аппроксимация полуэллипсоидами вращения с малой полуосью ообразующего эллипса, равной <1 проводника, с которым соприкасается полуэллипсоид с большой полуосью 1зд. Решение задачи, как изменение геометрии электродов зонда сказывается на результатах измерения удельной электропроводности плазмы, сводится к определению изменения емкости зонда, вызванного изменением его формы. Поэтому, в работе для определения коэффициента Кг было получено аналитическое выражение для емкости зонда на основе известного строгого решения задачи электростатики об уединенном эллипсоиде. Окончатель -нее выражение для расчета коэффициента К2, учитывающего изменение геометрических размеров электродов (1зл, а) под воздействием интенсивных тепловых потоков имеет вид

4РШ(12-1)1/г

1

К2 ■

3

+ 1

1.« + а'-1)1/г

1„ 1П зд

где: 1эд » 1ад/<1 - относительная длина электродов;

6 ■ Б/й - относительное расстояние между электродами;

(5 - коэффициент. Расчеты показали, что значения коэффициента К2 при изменении 1 от '4 до 12 при Б=30 изменяется в пределах от 1,47 до 1,17.

Теоретические исследования и расчеты по полученным выражениям позволили разработать конструкции ЗД. В разработанных конструкциях в качестве изолятора использовалась керамика ВИО-18. При размещении электродов ЗД в АО, изолятором служил ТЗМ ан-тенн-композитный материал РТП-170. Электроды были изготовлены из вольфрамовой проволоки с 20 % рения. Представлены результаты механического расчета электродов на аэродинамическое нагружение.

Получены соотношения для оценки среднеквадратической погт решности измерения электрофизических параметров плазмы и слоя расплава.ТЗМ на постоянном токе в зависимости от конструкции и геометрических размеров ЗД.

Проведенный анализ полученных соотношений показали, что при

Использовании двух датчиков с различным межцентровым расстоянием, минимальной погрешностью будет обладать комбинация датчиков о соотношением размеров D/d = 15, D/D = 4. Также показано, что использование тех же двух пар датчиков позволяет проводить определение Ne с погрешностью не хуже 20 использование же только двух датчиков (ЗДП и ЗДР) позволяет проводить определение Ne с погрешностью не хуже 50 %. Так как, в полете не представляется возможным проконтролировать характер изменения геометрии электродов под воздействием высоких температур и определить толщину слоя расплава, предложен метод калибровки ЗД в лабораторных условиях.

Реализация метода базируется на знании величин тепловых потоков, воздействующих в полете на поверхность ГЛА в местах установки ЗД. Метод предполагает моделирование тепловых потоков и определение при этом характера изменения геометрии выступающих электродов датчика, а далее по изложенной выше методике определяется поправочный коэффициент Кг. Определение электропроводности бр и толщины слоя расплава 1р происходит по зондовым и радиометрическим измерениям, для реализации этого метода необходимо создание стендового комплекса калибровки ЗД (СКК).

В третьей главе разрабатывается стендовый комплекс калибровки зондовых датчиков. Функционально в составе комплекса можно выделить следующие необходимые части:моделирующую тепловые потоки и плазму и измерительную.

В качестве генератора тепловых потоков в СКК используется электродуговой плазмотрон с истечением струи в свободное пространство. Разработана схема плазмотрона с двумя и четырьмя ионизирующими камерами (ИК). В первом случае дуга горит между двумя ИК, во втором - струи двух пар ИК образуют общее плазмообразова-ние. С целью уменьшения эрозии сопел и катодов ИК в процессе пуска и получения практически чистой от примесей плазмы разработана и реализована схема пуска с выносными анодами. В качестве плазмообразувщих газов используются воздух и аргон. Плазмотрон создает плазменный поток стабильный в пространстве и во времени. Плазма, генерируемая электродуговым плазмотроном, находится в состоянии локального термодинамического равновесия (ЛТР). Параметры потока для схемы с двумя ИК: платность теплового потока до

2.5 кВт/см2, размеры в поперечном сечении 50...60 мм, в продольном порядка 400 мм. Для схемы с четырьмя ИК: плотность теплового потока до 3,0 кВт/см2, размеры в поперечном сечении до 1.00 мм, в продольно - в пределах 500... 600 мм. .

Измерительная часть СКК включает в себя спектрометрический', радиометрический и калориметрический каналы. Комплекс, кроме определения коэффициента К2 позволяет осуществлять сравнение результатов измерения электрофизических параметров плазмы зондовым методом с методом спектроскопии. Спектрометрический канал СКК реализует метод абсолютных интенсивностей. В качестве эталонного источника излучения используется банд-лампа. Разработан метод, оценки погрешности диагностики плазмы спектроскопическим способом по известным погрешностям измерения температуры эталонного источника и толщины плазмы

» : ~ А . „

* У» " 1„' V, * \г, ' т," те " с, '

Ес N. (Т.)' ДТВ — - ( 0,75 + 0,5-^— ♦ 1.5 ' ' • Г, ) -- .

Не • Те Н.(Т.) . Те

Из анализа расчетных зависимостей ДНв/Н, отДТ,/Т, и А1п/1„, и ДТе/Те от Д1п/1„ и 4Т, /Т, следует, что в погрешность диагностики плазмы погрешность измерения температуры эталонного источника Т дает вклад в 20 раз больший, чем погрешность измерения толщины плазмы. Т.е., при достижении точности ЛГ,/Г, ■ ± 1 55 и Д1п/1„ = ± 25 % погрешность ДТе/Те не превышает 8 55. Процесс обработки результатов спектрометрической диагностики плазмы СКК автоматизирован.

Радиометрический канал введен в СКК для определения удельной электропроводности бр и толщины слоя расплава ТЗМ 1р.

Методика определения бр и 1р с использованием результатов радиометрии следующая. По данным спектрометрических и зондовых измерений определяется, электронная температура Тв и величина концентрации электронов И,, производится расчет эффективной частоты соударений По радиометрическим измерениям определяется величина радиояркостной температуры плазмы и величина шумовой температуры антенны с теплозащитной вставкой. Лалее определяются

бр и 1р по разработанной методике, которая базируется на решении обратной задачи. Для решения обратной задачи по данным радиометрических и зондовых измерений наиболее простой является трехслойная модель "плазма - расплавленный диэлектрик - твердый диэлектрик". В данной модели рассматриваются три среды с параметрами: е - относительная диэлектрическая проницаемость; б - удельная электропроводность; Т - термодинамическая температура. Параметры е, биТ постоянны в каждой среде. Коэффициент отражения от границы "твердый диэлектрик - воздух" близок к нулю - 0) и потери в этом слое отсутствуют (| Т312 » 1). а потери в слое расплава достаточно велики. Поэтому, выражение для определения антенной шумовой температуры записывается в виде Тх - Тя ПЛ Нбр) 4 тр ¥(бр>.

гДе Тя пя " радиояркостная температура плазмы: Тр - термодинамическая температура расплава.

Тогда задача сводится к отысканию корня нелинейного уравне ния по бр . Исходное выражение можно представить в виде Р - ТА - Тя „ Г(бр) - Тр ф(бр) - 0.

Решение рассматриваемого уравнения возможно по программе, приведенной в приложении. Блок счета данной программы содержит две части:

- грубый поиск корней предыдущего уравнения путем перебора интервалов (бр1. бр1+| )-Лбр заданном интервале (бш1п, пбр+бр я10] и определение интервала (бр, бри»,). на котором происходит смена знака функции Р;

- точный поиск корней, который производится методом деления выбранного интервала ■(бр»>бр,41) пополам (метод дихатомии) с заданной точностью определения.

Программа содержит сервисную часть для ввода и документирования исходных данных и подученных результатов.

Был выполнен теоретический анализ зависимости погрешности определения удельной электропроводности слоя расплава 6бр от бр для фиксированной 1Р»5-Ю~4 м и получены расчетные соотношения, из которых видно, что в диапазоне изменения бр от 1,0 до 10 1/(0м-м) величина относительной среднеквадратической погрешности не превышает 40 %. а величина ошибки (при фиксированном 1р) уменьшается с ростом величины бр. Т.к., для всех значений бр удовлетворяется равенство 51р « обр, которое вытекает из того.

что реальная погрешность определения Кздр. определяемая БПЗД не превышает 5 %, то характер изменения и величина погрешности определения 1р аналогична определению погрешности бр. Методика расчета бр и 1р определила и состав радиометрической части СКН. которая состоит из тре- каналов: канала для измерения Тя ПЛ; ка-' нала измерения ТА и канала для измерения энергетического отражения антенны со вставкой |!?|2.

Калориметрический канал СКК реализует метод и разработанную конструкцию охлаждаемого калориметра, которая позволяет уверенно измерять тепловые потоки до 2,0 кВт/см2. Для измерений удельных тепловых потоков до 2.0...3.0 кВт/см2 был использован метод, ос- . нованный на решении обратных задач теплопроводности (ОЗТ), который позволяет восстанавливать плотность теплового потока, проходящего в исследуемый объект по измеренным внутри материала температурам. Практическая реализация решения. ОЗТ. а с ней и определение теплового потока, основана на программе, разработанной на кафедре "Конструкции летательных аппаратов" МАИ. Определенные требования по точности измерения температуры, выдвигаемые условиями сходимости решений ОЗГ, явились предпосылкой для совершенствования метода контактных измерений температуры в керамических материалах при помощи термопар.

Были выполнены теоретические исследования по определению погрешностей, возникающих при измерении температур в керамических материалах при помощи термопар. Анализ результатов исследований позволил получить рекомендации по установке термопар а датчике теплового потока (ДТП), которые и реализованы в предложенной конструкции. Разработанный ДТП позволяет, если известна величина уноса материала, измерять удельные тепловые потоки, до 3.0. ..5,0 кВт/см2.

Используя разработанную измерительную часть СКК. были аттестованы тепловые характеристики и сама плазма, генерируемая _ электродуговым плазмотроном. Приведены результаты аттестации, которые показали, что плазма СКК позволяет калибровать ЗД плазмы и расплава и обеспечивает интенсивность тепловых потоков в пределах от 0.1 кВт/см2 до 3.5 кВт/смг.

В четвертой главе приводится методика калибровки ЗД на разработанном СКК. разрабатываются методика измерения электрофизи-

часкик параметров плазма и слоя расплава ТЗМ в натурном эксперименте, методика прогнозирования потерь ЭМВ в радиоканале "борт -Земля" при наличии участка "нагретый диэлектрик - плазма", приводятся результаты калибровки ЗД на СКК, результаты натурного эксперимента по измерению параметров плазменной оболочки на всей траектории полета ГЛА и результаты прогнозирования потерь ЭМВ в какала связи для различных частот радиосигнала.

На основании разработанной методики были проведены эксперименты по определению характера изменения геометрии электродов ЗД при воздействии на них удельных тепловых потоков адекватных натурным. Доказана правильность полученных соотношений для определения коэффициента Кг.

Калибровка ЗД заключалась, во-первых в нахождении количественных критериев оценки зависимости сопротивления ЗДР для материалов ВИО-18 и РПТ-170 от плотности теплового потока, которая хорошо аппроксимируется в интервале q = 0,05. ..2,0 кВт/см2 следующий выражением

1« Нздр - 2,13 / (ч/107>1/г.

Во-вторых, в процессе калибровки на СКК были получены данные по шумовой температуре антенны с диэлектрической вставкой Т,_ радиояркостной температуры плазмы Т„ пл. электронной температуры Т, и термодинамической температуры Тр, которые приведены в виде таблиц. По результатам калибровки ЗД был проведен расчет величин удельной электропроводности бр и толщины слоя расплава ТЗМ 1„ для материалов ВИО-18 и РГП-170 в зависимости от плотности воздействующих тепловых потоков, результаты которого представлены в графической форме. Анализ результатов расчета позволил получить зависимости бр (йздр) и 1РШ,ДР) для типовой конструкции датчика расплава в виде

1йвр (Й3 др) »9?, 09/(др)8+ехр [32,88 (1вя, лр) -3 • *8 ]-ехр (Кг3 л р) ] Шр- 1.озз - ^др - 1ебр; 1р - 1,033/(Н,дрб?).

Полученные зависимости, позволяют диагностировать параметры слоя расплава ТЗМ антенн-связи. ~ ,;нли проведены эксперименты по определению концентрации электронов плазмы СКК с использованием ЗД предложенных конструкций, результаты которых подтвердили правомерность использования разработанных методик.

В работе показано, что в диапазоне радиочастот удельная

электропроводность плазмы, измеренная на постоянном токе, практически не отличается от электропроводности, измеренной на переменном токе, что подтверждает правомерность использования предложенного метода определения электрофизических параметров полету ной плазмы и слоя расплава ТЗМ для прогнозирования потерь в радиоканале связи "борт - Земля".

Натурный эксперимент проводился на ГЛА, представляющем собой конус, ось которого находилась под углом а относительно набегающего потока, что предопределило появление наветренной и подветренной сторон на поверхности ЛА. Аппаратура для определения электрофизических параметров плазмы и слоя расплава ТЗМ в. натурном эксперименте состояла из БПЗД, комплектов ЗДП и ЗДР и штатной системы телеметрических измерений. Прием данных, поступающих по каналам телеметрии, осуществлялся специальным наземным комплексам. Методика определения параметров плазмы в натурном эксперименте заключается в следующем. Производится измерение сопротивлений ЗД. Для каждого момента времени производится расчет сопротивления каждого датчика, учитывающий его предварительную калибровку с БПЗД, по выражению

(1 +1) 1

Ryn = (1уп""1кп 1 ) ~ ~ R*i-

где 1хп , - уровень калибровки! 'ле^ащи^ ниже измеренного; lkn (1М) . уровень калибровки, лекащий выше измеренного;

RMi*n ~ сопротивления, соответствующие уровню

калибровки.

Т.к., с целью стабилизации ГЛА относительно траектории движения придается вращение и максимальное значение сопротивления соответствует наветренной стороне ГЛА, а минимальное - подветренной. то дальнейшая обработка проводится по значениям сопротивлений соответствующим положению в пространстве. Расчет концентрации электронов Ne(tBp) производится с учетом периода вращения Гвр ГЛА. Для получения пространственного распределения параметров плазмы необходимо произвести их измерения как минимум в двух сечениях ГЛА

Ne хк ■ C(t„c) ♦ А / (Хк ♦ В),

где C(tSKC) = 0,125 • t„c *9.5; tj*c " время эксперимента;

Хк - координата искомого сечения относительно начала ГЛА.

Результаты эксперимента по определению электрофизических параметров прибортовой плазмы и слоя расплава ТЗМ в полете приведены в виде распечаток и графиков. Для упрощения были взяты минимальные значения сопротивлений ЗДЛ и ЗДР.

Методика прогнозирования потерь в радиоканале связи "борт -Земля" сводится к следующему:

- измеряются сопротивления ЗДП и ЗДР в полете в различных точках размещения их на ГЛА;

- рассчитываются по разработанным методикам Ме, бр и 1Р:

- производится газодинамический расчет толщины пограничного слоя и слоя плазмы по соответствующим формулам, которые приведены в работе;

- рассчитываются суммарные потери в пристеночной плазме и слое расплава ТЗМ антенн при использовании трехслойной модели.

Для расчета потерь с учетом возможных переотражений приведены формулы.

Представлены в виде распечаток и графиков результаты расчета энергетических коэффициентов отражения . К2, Р.3 и суммарных потерь в расплаве ТЗМ для частот ^ - 220 МГц, {г =2,7 ГГц и Г3 =9,2 ГГЦ.

Анализ результатов расчета показал, что в метровом диапазоне длин волн основные потери происходят за счет отражений на границах "плазма - воздух", "расплавленный диэлектрик - твердый диэлектрик" и составляют величины порядка 15... 17 дБ. Третья граница вносит незначительные потери, около 3...5 дБ, так как проводимость плазмы и расплавленного диэлектрика близки по своим значениям. Потери на поглощение в расплаве в метровом диапазоне малы, они составляют примерно 1, 0 дБ, в то время, как потери в плазме значительны и достигают 15...20 дБ и в значительной степени зависят от толщины плазменного слоя 1пл. В сантиметровом диапазоне длин волн по сравнению с метровым - коэффициенты отражения на всех границах уменьшаются, но вместе с тем, начинает возрастать поглощение в плазме. На основании анализа результатов расчета даны рекомендации по установке антенн связи на борту

ГЛА. По результатам исследований разработаны антенны с уменьшенными потерями, применяя которые на одном из ГЛА в ходе натурных испытаний была обеспечена непрерывная связь в радиоканале "борт - Земля" на всей траектории полета.

Заключение

Полученные в диссертационной работе результаты прогнозирования потерь ЭМВ в радиоканале "борт - Земля" по результатам зондовых измерений, проведенных по разработанной методике, позволяют обеспечить функционирование сложных бортовых радиотехнических комплексов, в состав которых входят антенны с ТЗМ, и яв-. ляются необходимым дополнением к современной теории проектирования устройств средств связи, работающих в условиях плазмообразо-вания.

Разработанные метод и средства определения электрофизических параметров полетной плазмы и расплава ТЗМ антенн могут быть использованы в смеячых областях науки и техники, например, в материаловедении при исследовании свойств расплавов диэлектрических материалов, при прогнозировании качества функционирования изделий из диэлектрических материалов при воздействии внешних возмущающих факторов, обусловленных условиями их эксплуатации (температура, ионизированная среда и т.д.).

Использование новых метода и средств определения электрофизических параметров плазмы, основанного на предварительной калибровке зондовых датчиков, стендового комплекса калибровки, прогнозирования потерь ЭМВ в радиоканале "борт - Земля" и выработки рекомендаций на основе результатов натурных экспериментов по выбору места для установки антенн на борту ГЛА обеспечили выполнение поставленной цели исследования - обеспечение функционирования бортовых РГС связи на всей траектории полета ГЛА в условиях плазмообразоваания и интенсивного нагрева.

Полученные в диссертации научные и практические результаты могут быть сформулированы следующим образом:

- на основе анализа свойств плазменной оболочки, образующейся вокруг ГЛА при полете в атмосфере Земля с гиперзвуковыми скоростями (V ) ,3 км/с), выделены основные электрофизические параметры полетной плазмы, оказывающие влияние на функционирование бортовых РТС связи и доказана необходимость определения парамет-

ров плазмы канала радиосвязи "борт - Земля";

- проведен.выбор метода определения электрофизических параметров полетной плазмы и определены ограничения в использовании электростатических зондов (теория Ленгмюра);

разработан метод определения электрофизических параметров полетной плазмы, основанных на измерении удельной электропроводности среды на постоянном токе, определены соотношения, позволяющие находить концентрацию электронов Ие и удельную алектропро-водность слоя расплава ТЗМ 6Р, разработаны математические основы определения поправочных коэффициентов, учитывающих конечность длины электродов и учитывающих изменение геометрии ■ электродов ЗДП под воздействием интенсивных тепловых потоков;

- определена методическая погрешность определения концентрации электронов Ие и удельной электропроводности слоя расплава ТЗМ зондовыми датчиками различной конструкции;

- установлено, что в диапазоне радиочастот удельная электропроводность плазмы, измеренная на постоянном токе, не отличается от электропроводности, измеренной на переменном токе, что подтверждает правомерность использования предложенного метода определения электрофизических параметров полетной плазмы;

- представлена аппаратура зондовых датчиков, реализующая предложенный метод диагностики, показана необходимость предварительной калибровки ЗДП и ЗДР в лабораторных условиях;

- разрабртан стендовый комплекс калибровки ЗДП и ЗДР, реализующий новые концепции построения аппаратуры для моделирования полетной плазмы и измерение требуемых параметров в процессе калибровки зондовых датчиков, с помощью которых определяются параметры плазмы на всей траектории полета ГЛА (спектрометрический, радиометрический и калориметрический каналы);

- на основе разработанной теории по измеренным в полете сопротивлениям ЗДП и ЗДР и, используя результаты калибровки их на СКК,. были определены электрофизические параметры плазмы, установлен характер их изменения в течение всего полета ГЛА, приведены результата расчетов коэффициентов отражения на границах "воздух - плазма", "плазма - расплав", "расплав - диэлектрик" и потери в слоях для различных диапазонов радиочастот, по результатам зондовой диагностики даны рекомендации по установке антенн

на борту ГЛА и минимизации потерь в радиоканале "борт - Земля"; »

- показано, что, применяя в ходе натурных экспериментов ан»; • тенны с улучшенным характеристиками, спроектированными с учетов результатов зондовых измерений параметров полетной плазмы й расплава ТЗМ, и, проведя выбор места установки их на борту Ь учетом минимизации потерь радиоканала, была обеспечена связь в радиоканале "борг - Земля" на всей траектории полета ГЛА;

- результаты исследований использованы на ряде предприятий (см. раздел "Реализация результатов работы");

- определена область дальнейших исследований, которые должны вестись в направлениях совершенствования конструкций зондовых датчиков и повышения точности определения параметров полетной •плазмы.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1. Андреев В.Л.. Калашников B.C. О радиопрозрачности ацети-лено-кислородного пламени в диапазоне СВЧ // Расчет и конструирование и технология устройств СВЧ: Сб. Науч. тр. / ЛЭТИ - ЛИАП. 1977. Вып. 111. С. 103-104.

2. Андреев В.Л., Михайлов В.Ф., Пузанов В.Н. Контроль пара-, метров потока ионизированного газа с примесью аргона спектрометрическим методом // Физические методы и средства неразрушающего контроля в производстве микроэлектронной аппаратур^ и ее компо-. нентов:'- Сб. науч. тр. / ЛИАП, 1986. Вып. 181. С. 57 - 59.

3. Андреев В. Л. и др. Автоматизация спектрометрических измерений параметров низкотемпературной плазмы // III Всесоюз. НТК "Температура - 86". Метрологическое обеспечение температурных теплофизических измерений в области высоких температур: Тез. докл. Харьков. 1986. С 64.

4. Андреев В.Л. и др. Измерение плотности тепловых потоков низкотемпературной плазмы // III Всесоюзн. НТК "Температура 86". Тез. докл. Харьков, 1S86. С. 65.

5. Андреев В.Л., Глаголевский В.Г. Зондовые измерения проводимости низкотемпературной плазмы // Сб.науч. . тр. сессии ВМЭИ "Ленин-8Э". София (Болгария), 1989.

6. Андреев В.Л., Глаголевский В.Г. Учет влияния краевого

эффекта на результаты измерения удельной проводимости ионизированных сред с помощью двойного зонда // Конструирование РЭА: Межвуз. сб. науч. тр. / ЛИАП. "Конструирование РЭА". 1989. С. 32.

7. Андреев В.Л. и др. Исследование антенных окон спускаемых аэрокосмических аппаратов '// III Крымская конференция и выставка "СВЧ техника и спутниковый прием": Сб. науч. тр. - Севастополь (Украина), 1993.

8. Андреев В.Л., БрагинИ.В., Михайлов В.Ф. Исследование нагревостойких радиопрозрачных материалов для теплозащиты бортовых антенн // IV Крымская конференция и выставка "СВЧ техника и спутниковый прием": Сб. науч. тр. - Севастополь (Украина), 1994.

9. Андреев и др. Стенд для исследования бортовых антенн в условиях аэродинамического нагрева // IV Крымская конференция я выставка "СВЧ техника и спутниковый прием": Сб. науч. тр. - Севастополь (Украина), 1994.

10. Андреев В. Л. и др. Бортовые антенны с характеристиками малочувствительными к воздействию аэродинамического нагрева // IV Крымская конференция и выставка "СВЧ техника и спутниковый прием": Сб. науч. тр. - Севастополь (Украина), 1994.

11. Андреев В.Л. и др. Экспериментальное определение КПД бортовых антенн в условиях аэродинамического нагрева // IV Крымская конференция и выставка "СВЧ техника и спутниковый прием": Сб. науч. тр. - Севастополь (Украина), 1994.