Как сделать диагностику плазменного двигателя

Разработка и исследование спектрально-томографической системы анализа параметров водородной плазмы в плазменных двигателях Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Аннотация научной статьи по медицинским технологиям, автор научной работы — Филонин О. В., Щелоков Е. А.

В статье рассмотрены разработанные авторами методы и алгоритмы малоракурсной томографической диагностики параметров плазменных двигателей . Приведено описание малоракурсного оптического томографа, разработанного для проведения таких исследований. Описан метод решения задач прямой 3D-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии.

WORKING OUT AND RESEARCH OF SPECTRAL-TOMOGRAPHIC SYSTEM FOR DIAGNOSIS PARAMETERS OF A HYDROGEN PLASMA OF PLASMA ENGINES

In the article the authors developed methods and algorithms for tomographic diagnosis of few parameters of plasma thrusters. The description of few optical scanner designed for such research. Describes a method for solving the direct 3D-reconstruction within a few-optical tomography.

Текст научной работы на тему «Разработка и исследование спектрально-томографической системы анализа параметров водородной плазмы в плазменных двигателях»

1. Колебания совершаются на основной частоте возбуждения ap и являются гармоническими (q0 = 50).

2. Далее, увеличивая амплитуду нагрузки до q0 = 100, наблюдаем в спектре мощности возникновение линейно независимой частоты колебаний а1. Система переходит в состояние двухчастотных колебаний на частотах а1 = 1,8592 и a>p = 5

При увеличении нагрузки до q0 = 500 , происходит образование линейно-зависимой от а1

4. При нагрузке q0 = 5000 мы видим образование линейно-зависимой частоты b1 = 4,4117 . Причем a>p — b 1 = а2 — а1 . Фазовый портрет становится предельным циклом.

5. Дальнейшее движение по амплитуде нагрузки приводит к образованию новых линейно-зависимых частот колебаний

а3 = — а1 = 0,6197, а4 = — а1 = 2,4789, а частоты b2 = 3,7481 и b1 = 4,4117 зависят от ap так же, как и а2и а3от а1.

Сигнал и фазовый портрет становятся хаотическими.

6. Затем при увеличении нагрузки до q0 = 15000 возникает новая комбинация линейной зависимости:

с1 = а3 — а5 = b2 — b3 = 0,196 .

7. Таким образом, серия возникновения зависимых частот колебаний приводит систему в состояние хаоса на частоте возбуждения ( q0 = 22000 ).

Следовательно, переход в хаос осуществляется по сценарию Рюэля-Такенса-Ньюхауза, т.е. появляется новая линейно независимая частота и переход к хаосу происходит через серию линейных комбинаций линейно-зависимых частот.

1. Вольмир А.С. Нелинейная динамика пластинок и оболочек / А.С. Вольмир.- М.: Наука, 1972.- 492 с.

2. А. В. Крысько, М. В. Жигалов Математические модели и методы исследования сложных колебаний неклассических распределенных механических систем; Сарат. гос. техн. ун-т (Саратов). — Саратов : СГТУ, 2008. — 230 с.

3. Григолюк Э.И. Неклассические теории колебаний стержней, пластин и оболочек / Э.И. Григолюк, И.Т. Селезов // Механика твердых деформируемых тел. Т. 5. М.: ВИНИТИ, 1973.- 272 с.

Филонин О.В.1, Щелоков Е.А.2

'Доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия; 2Студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ

ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

В статье рассмотрены разработанные авторами методы и алгоритмы малоракурсной томографической диагностики параметров плазменных двигателей. Приведено описание малоракурсного оптического томографа, разработанного для проведения таких исследований. Описан метод решения задач прямой SD-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии.

Ключевые слова: Плазменный двигатель, диагностика плазмы, спектральный анализ.

Phylonin O.V.1, Schelokov E.A.2

'Doktor technical sciences, professor, Samara State Aerospace University named after academic S.P. Korolev, Russia;

2Student, Samara State Aerospace University, named after Korolev S.P., Russia WORKING OUT AND RESEARCH OF SPECTRAL-TOMOGRAPHIC SYSTEM FOR DIAGNOSIS PARAMETERS OF A

HYDROGEN PLASMA OF PLASMA ENGINES

In the article the authors developed methods and algorithms for tomographic diagnosis offew parameters of plasma thrusters. The description of few optical scanner designed for such research. Describes a method for solving the direct 3D-reconstruction within a few-optical tomography.

Keywords: Plasma engine, plasma diagnostics, spectral analysis.

Применение методов малоракурсной томографической реконструкции (МКТ) параметров плазменных объектов, в частности потоков рабочих тел плазменных двигателей, позволяет получить информацию об их пространственном распределении совершенно иного качества по сравнению с известными методами диагностики. Тем не менее, не смотря на широкие возможности МКТ в плане реконструкции вида искомых функций, в задачах диагностики параметров плазмы: главными вопросами являются адекватность получаемых функциональных распределений искомым параметрам, анализ соответствия динамики параметров процессов в плане идентичности реконструируемых данных, например, ожидаемым «мгновенным» сечениям исследуемого параметра. Это определяется, прежде всего, корректностью используемых известных расчётных соотношений применяемых для определения исследуемых параметров. Например, при исследовании низкотемпературной плазмы, используемой в плазменных двигателях, это, прежде всего, относится к расчётным соотношениям для вычисления локальных значений температур, концентраций электронных и ионных компонентов и т.д.

При проектировании и разработке новых систем диагностики в рамках автоматизированного физического эксперимента необходимо учитывать ряд важных обстоятельств:

1. Вновь разрабатываемые системы должны достаточно просто сопрягаться с существующими устройствами и системами диагностики — в данном случае это устройства для проведения спектрально-томографических исследований.

2. Целесообразно применять агрегатированно-модульный принцип построения разрабатываемой системы, что позволяет упростить процесс совершенствования отдельных узлов для расширения круга решаемых задач.

3. При разработке программного обеспечения целесообразно использовать модульный принцип формирования пакета

прикладных программ. Это значительно упрощает процедуры развития версий для различных вычислительных платформ.

Рис. 1. Структурная схема малоракурсного оптического томографа

С учетом указанных принципов разработан ряд малоракурсных оптических томографов для исследования параметров плазменных объектов, использующих как собственное излучение объекта, так и внешнее зондирующее излучение, применительно к условиям лабораторного эксперимента.

На рисунке 1 представлена структурная схема малоракурсного оптического томографа эмиссионного типа, предназначенного для изучения параметров дуговых разрядов плазменных потоков малогабаритных плазменных двигателей. Данная конструкция позволяет одновременно регистрировать до 24 двумерных проекций.

Максимальный размер исследуемого плазменного объёма можно представить как цилиндр диаметром

10 мм, и высотой до 10 мм. Конструктивно данный томограф состоит из двух оптических столов (выполненных в виде планшайб), в которых имеются направляющие пазы ориентированный относительно геометрического центра, в зоне которого располагаются исследуемый плазменный объект. В пазах устанавливаются входные объективы — 4, собирающие собственное излучение исследуемого объекта и проецирующие двумерные проекционные изображения на входные торцы оптоволоконных светопроводов (для передачи изображений).

Несмотря на то, что пакеты проекций представляют собой двумерные проекции исследуемых плазменных объектов, процедуры реконструкции предполагают послойное восстановление нескольких срезов. При таком подходе можно сделать вывод 3D конфигурации искомого распределения. Так как сечения оказываются реконструированными для различных интервалов времени, то такой способ может быть оправдан лишь для «стационарных» плазменных объектов.

Рис. 2 Оптическая схема формирования проекций в побочных фокусах

С другой стороны конструкции оптоэлектронных сканеров дают возможность одновременно регистрировать 24 проекции в заданном диапазоне длин волн, при этом каждая проекция может содержать до (256×256) реальных отсчёта. Это дает возможность достаточно точно и с относительно высоким разрешением реконструировать 2D сечения. В то же время существует достаточно широкий класс физических задач, когда необходима информация о 3D- распределениях искомых параметров за малые интервалы времени.

Для решения задач прямой 3D-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии существуют системы сбора данных с регистрацией ракурсов формируемых входной относительно длиннофокусной линзой в главном и побочных фокусах. Оптическая система такого рода представлена на рисунке 2.

Излучение исследуемого объекта в главном ракурсе попадает на входную линзу — 1, в задней фокальной плоскости, в которой установлена диафрагма — 2, имеющая отверстия в зонах главного и ряда побочных фокусов, линзы — 3 формируют главную и побочные 2D — проекции и проецируют их на входные торцы светопроводов, установленных в обечайке — 4. Далее, производя выборку одномерных проекции на выходных торцах светопроводов и использую спектральное расположение потоков интенсивности, можно сформировать массивы исходных проекционных данных для прямой 3D-реконструкции.

Рассмотренный способ получения реальных 2D проекционных данных значительно упрощает процедуры вычисления полного набора проекций для задач 3D реконструкции. Эти процедуры удобно выполнять в пространстве Фурье, где предварительно, в соответствие с теоремой о центральном сечении строятся одномерные (двумерные) образы Фурье. Вычисление недостающих проекционных данных производится с помощью методов интерполяции и экстраполяции по кольцевым (сферическим) гармоникам. Для упрощения процедур доопределения проекционных данных авторами разработан метод, позволяющий проводить только одномерные процедуры вычисления, как в плане определения недостающих отсчетов по кольцевым гармоникам, так и в смысле доопределения проекционных данных в требуемых сечениях.

Математическое моделирование описанных способов получения исходных двумерных данных и процедур реконструкции, искомых 3D функциональных распределений для задач диагностики плазменных двигателей — распределение интенсивности излучения по объему факела, локальные значения температур, концентраций и т.д. Погрешность рассмотренных методов реконструкции при форматах 256x256x256 вокселей не превышает (8И0)%.

1. Финкельберг И., Меккер А. Электрические дуги и термическая плазма. М.: ИИЛ, 1981, — с.345-367.

2. Филонин О.В. Малоракурсные оптические томографы для исследования плазменных объектов. Инженерная физика, №5, 2006, — с. 4-14.

3. Филонин О.В. Общий курс компьютерной томографии, Самара, СНЦ РАН, 2012, с.407.

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ / CHEMISTRY Ширяева Р.Н.1, Асадуллина А.С.2

'Кандидат химических наук, доцент;2 студент, Башкирский государственный университет ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АСФАЛЬТЕНОВ СПЕКТРАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ

Методом ИК-спектроскопии изучены структурные фрагменты асфальтенов, выделенных из нефтей Герасимовского, Аскаровского и Западно-Салымского месторождений. Лазерным дифрактометрическим методом определены размеры частиц асфальтенов. Установлено, что асфальтены Аскаровской нефти являются более высококонденсированными.

Ключевые слова: нефть, асфальтены, ИК-спектроскопия, дисперсионный анализ.

Shiryaeva RN1, Asadullina AS2 'Associate professor, PhD; 2student, Bashkirsky state University INVESTIGATION OF THE STRUCTURE OF ASPHALTENES SPECTRAL METODS

IR-spectroscopy studied structural fragments of asphaltenes isolated from petroleum Gerasimovsky, Askarovsky and West Salym fields. Laser diffractometry method defined particle sizes of asphaltenes. Found that asphaltenes Askarovsky oil are more highly condensed.

Keywords: oil, asphaltenes, IR- spectroscopy, analysis of variance.

Известно, что многие физико-химические характеристики нефтей определяются свойствами высокомолекулярных смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) и, прежде всего, асфальтенов. Асфальтены играют первоочередную роль в структурировании НДС и обуславливают стабильность коллоидной структуры нефтей. К наиболее распространенным методам изучения строения САВ относится ИК-спектроскопия [1,2]. Спектры ультрафиолетового и видимого диапазонов асфальтенов мало изучены [3].

В данной работе проводилось изучение структурных характеристик асфальтенов, выделенных из нефтей Герасимовского, Аскаровского, Западно-Салымского месторождений по методике [4],методом ИК-спектроскопии. В табл.1 приведены физикохимические свойства образцов этих нефтей и содержание в них компонентов. Содержание бензольных смол в этих нефтях близкое, а асфальтенов практически одинаковое для Герасимовской и Аскаровской нефтей.

Таблица 1- Ха рактеристики исследуемых нефтей

Герасимовская Аскаровская Западно- Салымская

Плотность, кг/м3 908,8 902,8 878,7

Групповой углеводородный состав, % масс.

Парафино-нафтеновые 36,9 32,9 36,5

Легкие ароматические 17,1 14,7 21,7

Средние ароматические 8,0 9,0 8,3

Тяжелые ароматические 23,3 21,4 19,5

Смолы бензольные 4,3 4,6 4,5

Смолы спирто-бензольные 7,8 14,9 7,7

Асфальтены 2,6 2,6 1,8

ИК-спектры образцов снимали на спектрометре фирмы «Shimadzu» в виде пленок между пластинами из NaCl.

На рис.1,2 приведены ИК-спектры Аскаровской нефти и выделенных из нее асфальтенов. В спектре Аскаровской нефти наблюдаются полосы деформационных (1380 см-1) и валентных (2850 см-1) колебаний, характерных для метильной группы, и колебания при 1460, 2920, 2980 см-1 для метиленовых групп. В спектре асфальтенов отсутствует полоса поглощения при 1380 см-1 и уменьшается интенсивность полос при 2850, 2920 см-1. Появление полос поглощения при 1715 и 1750 см-1 характерно для 31

Измеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя

В 2016 году Хабр рассказал о старте проекта Курчатовского института по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт. Сегодня этот проект выходит на финишную прямую, и пора измерять плотность плазмы и ускорение ионов, чтобы подобрать оптимальные режимы двигателя. Ведь двигателю придется работать на орбите десятки, а то и сотни часов, и фактическая плотность плазмы должна соответствовать расчетной для достижения требуемых параметров тяги и ресурса.

Кому он нужен, этот геликонный двигатель

Что такое геликонный двигатель. Это один из видов плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в более общий класс так называемых электрических ракетных двигателей.

ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. падеж. helikos — кольцо, спираль) — слабо затухающая электромагнитная волна, возбуждающаяся в газовой плазме или плазме твердых тел, находящейся в постоянном магнитном поле.

Далее — зачем вообще нужен плазменный ракетный двигатель. В ракетостроении, начиная с самых первых полетов и по сегодняшний день используются ракетные двигатели на химическом топливе (жидкостные и/или твердотопливные). Из плюсов — у них высокая тяга, позволяющая отправлять многотонные космические аппараты на околоземную орбиту и к планетам Солнечной системы. Из минусов — эти двигатели чрезвычайно прожорливы, и топливо занимает до 99% от возможной полезной нагрузки.

Что важно — для дальних перелетов в глубоком космосе традиционные ракетные двигатели не слишком подходят, т.к. при работе на химическом топливе имеют относительно низкую скорость выброса рабочих газов, не превышающую 5 км/с. Иными словами, с их помощью хорошо разогнать космический аппарат для дальнего полета с высокой скоростью не получится.

Для длительного межпланетного полёта двигатели космического аппарата должны обладать большей скоростью истечения газов (рабочего тела), недоступной для химических ракетных двигателей. Кроме того, очень актуальна задача экономии топлива. Поэтому космической отрасли требуется двигатель с многократно увеличенным удельным энергосодержанием рабочего вещества.

Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ "Курчатовский институт"

Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»

На эту роль уже несколько десятилетий претендуют различные типы электрического (плазменного) двигателя. В плазменном двигателе тяга возникает в результате выброса заряженных частиц, поэтому требуется источник электрической энергии для создания и ускорения заряженных частиц. К примеру, расчетная скорость выброса газов у плазменного двигателя находится в диапазоне от 5 до 50 км/с, т.е. может почти на порядок превышать скорость истечения газов у двигателя на основе химических реакций.

Здесь следует отметить, что в создании плазменных двигателей конструкторы уже давно добились определенного практического успеха. Впервые такой двигатель был применен в 1964 году для ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2». На современных спутниках также можно встретить маломощные плазменные двигатели, выполняющие задачу коррекции аппаратов на орбите, смены позиционирования и для иных небольших перемещений в космосе. Иными словами, идея плазменного двигателя вполне рабочая, но требуется ее масштабировать, создав двигатели с тягой, достаточной для буксировки грузов по орбите или для дальних перелетов.

Геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД) позиционируется в последнее десятилетие как новое поколение электрических двигателей для передвижения в космосе. Геликон — это название низкочастотной электромагнитной волны, которая возникает в плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.

Большой вклад в популяризацию идеи геликонных двигателей внес Олег Батищев, кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, и позже сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. В конце 2000-х Олег Батищев, работая в MIT (Массачусетский Технологический Институт), предложил идею одноступенчатого геликонного двигателя в виде кварцевой трубки с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется мощностью, подводимой к антенне, плазма разогревается, и магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении.

Чтобы популяризовать свою идею, в 2009 году Олег Батищев организовал публичную демонстрацию плазменного двигателя, сделанного из бутылки Кока-Колы и жестяной банки, помещенных в вакуумную камеру. На YouTube сохранилась запись этого эксперимента с макетом мини-геликонного двигателя, хотя видео и не очень хорошего качества. Можно увидеть, как с подачей тока в бутылке загорается свечение, и струя голубой плазмы истекает из отпиленного донышка.

Небольшой итог: геликонный двигатель обладает несколькими преимуществами перед большинством других конструкций электрических ракетных двигателей. В нем отсутствуют электроды, погружаемые в плазму (эти электроды имеют малый ресурс), практически нет эрозии стенок рабочей камеры, можно относительно легко управлять тягой.

Геликонный двигатель без движущихся механических частей и подверженности эрозии может иметь значительный ресурс, и работать, пока он обеспечивается энергией и рабочим телом для создания плазмы.

Следует уточнить, что в геликонном двигателе, в отличии от традиционного реактивного двигателя, разделены источник энергии и рабочее тело. Источник энергии может быть любой — например, солнечная батарея или бортовой ядерный реактор.

В качестве рабочего тела (пока еще в теории) могут использоваться не только лабораторные водород или аргон, но и довольно распространенные во Вселенной виды газов, такие как азот. Иными словами, запас рабочего тела может пополняться прямо в космосе, «по дороге». Для работы на околоземной орбите или на орбите планет с атмосферой в этом качестве предполагается использовать разреженный атмосферный газ (воздух).

Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы

Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о 94-гигагерцевом интерферометре, сделанном в Санкт-Петербурге для установки Е-1 Курчатовского института (на ней выполнен прототип геликонного двигателя), стоит рассказать, каковы типичные применения интерферометрии и почему они так важны для будущего мировой энергетики.

Методы измерения параметров плазмы крайне разнообразны, без преувеличения можно сказать, что в этом вопросе используется большая часть арсенала экспериментальной физики, так или иначе связанная с электромагнетизмом.

Для измерения плотности электронов в плазме можно использовать интерферометр. Метод интерферометрии основан на измерении фазового сдвига при прохождении электромагнитной волны через исследуемый объект. Фазовый сдвиг, вносимый плазмой, может быть измерен фазовым детектором, и затем по определенным формулам может быть рассчитана электронная плотность плазмы.

Интерферометры для диагностики плазмы делаются на основе лазерного или СВЧ излучения. Использование излучения с различными длинами волн имеют свои преимущества и недостатки, но и те, и другие активно применяются в одной из наиболее многообещающих областей науки и техники — установках магнитного удержания плазмы, в том числе предназначенных для реализации так называемого «управляемого термоядерного синтеза».

Наиболее известная конфигурация таких установок называется «токамак», что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Сам термин появился в СССР вскоре после постройки первого токамака в 1954 году.

Конечной целью, побуждающей вводить в строй новые токамаки во многих странах мира, и повышать температуру плазмы от десятков до сотни и выше миллионов градусов, является создание устройства, позволяющего осуществить управляемый термоядерный синтез в коммерческих целях, а если говорить шире — для обеспечения человечества неисчерпаемым источником экологически чистой энергии на ближайшие тысячелетия.

Наиболее известным проектом в этой области является ITER – проект международного экспериментального термоядерного реактора (реактор расположен во Франции, но работу над его созданием ведут ученые из десятков стран мира, в том числе, большой вклад вносит Россия). Проект официально начат в 1988 году, в 2025 году планируется достройка самого большого токамака в мире, и только в 2035 году планируется достижение важнейшей промежуточной цели – получение энергии за счет слияния атомов дейтерия и трития (изотопов водорода) в гелий с выделением огромной энергии.

Надо отметить, что ITER изначально не предполагал возможности не только использования выделяемой энергии в коммерческих целях, но даже перевода этой энергии в электричество. Эту цель предполагается достичь в планируемом термоядерном реакторе DEMO (DEMOnstration power plant). Выход на режим генерации электроэнергии, когда часть вырабатываемой энергии будет использована для поддержания термоядерной реакции в токомаке и для других нужд электростанции, а часть – передана во внешнюю сеть – планируется после 2050 года. Этот этап развития термоядерной энергетики также является промежуточным, поскольку стоимость и объем вырабатываемой электроэнергии будут еще не такими, как у существующих даже на текущий момент электростанций. Постройка коммерческих термоядерных электростанций планируется еще позднее.

Впрочем, если большие международные проекты могут позволить себе развитие в течение многих десятилетий без коммерческого результата, частные компании, которые также существуют в этой области, рассчитывают получить коммерческие результаты гораздо быстрее.

Например, американская компания TAE Technologies (Try Alpha Energy Technologies, tae.com), основанная в 1998, создает реактор иного типа, который сочетает в себе физику ускорителей частиц и физику плазмы для решения проблемы удержания плазмы. Это позволяет использовать в том числе реакцию водорода с бором, которая имеет более высокий порог зажигания, но зато дает возможность полностью избавиться от «радиоактивного следа». Коммерциализация термоядерной реакции планируется в середине 2020-х, не считая того, что компания продвигает также коммерческое применение своих промежуточных результатов работы по созданию реактора в других областях — например, в медицине и в системах для зарядки электромобилей. Идея плазменной установки FRC (Field-reversed configuration), как средства получения ядерного синтеза — согласно опубликованной дорожной карте, уже близка к коммерческой реализации.

Дорожная карта создания промышленной электростанции на основе плазменного реактора в компании TAE Technologies (США). Источник: https://www.ukpropertyguides.com/wp-content/uploads/2019/01/ceo-of-tae-technologies-says-they-will-reach-commercial-fusion-by-2023-nextbigfuture-com.png

Следует упомянуть также британскую компанию Tokаmak Energy, основанную в 2009 году, которая ориентирована на создание сферических токамаков малых размеров с использованием высокотемпературных сверхпроводников. В планы компании входит запуск к 2030 году токамака с возможностью генерации электроэнергии.

Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России

Надо сказать, что разработка интерферометров для изучения плазмы, особенно под заказ для конкретной установки — это область высокого хайтека. В мире есть всего несколько компаний, способных изготавливать такие приборы, и одна из них — компания «ДОК» из Санкт-Петербурга. У команды «ДОК» большой опыт в изготовлении интерферометров для исследовательских токамаков, петербургскими интерферометрами оснащены многие токамаки в мире. Собранные в Петербурге интерферометры работают в компаниях TAE Technologies и Tokаmak Energy. Также петербургские интерферометры будут работать в токамаке Т-15МД, который планируется запустить в Курчатовском институте в 2021 году.

Плазменная машина Norman С-2W в TAE Technologies, где установлен 300 гигагерцевый СВЧ-интерферометр, собранный в Санкт-Петербурге. Фото TAE: https://tae.com/wp-content/uploads/TAE_Technologies_6528.jpg

Плазма в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу— это состояние вещества с очень высокой температурой, когда атомы полностью ионизуются, т.е. электроны и ионы существуют отдельно. При этом плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки. В частности, согласно опубликованным сведениям от Блумберг, в 2021 году в плазменной установке Norman С-2W в TAE Technologies зарегистрирована температура плазмы в 50 млн °C.

Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.

Магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам.

Огромный минус такого решения — настолько большое затухание сигнала в длинных волноводах, что СВЧ-сигнал ослаблялся на один или даже два порядка по сравнению с ситуацией, когда СВЧ источник и приёмник расположены в непосредственной близости от установки. Поэтому создание нечувствительных к магнитному полю интерферометров — это большое технологическое достижение в отечественном и мировом приборостроении.

Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретике и расскажем о 94-гигагерцевом интерферометре, 3 экземпляра которого поставлены в НИЦ «Курчатовский институт» на проект создания прототипа 100-киловаттного геликонного двигателя.

Передатчик 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя . Источник: НИЦ Курчатовский институт»

Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц идеально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 10 13 см -3 . Именно такая плотность характерна для геликонных источников.

Непосредственно вблизи плазмы располагается блок, состоящий из предусилителя, умножителя на лавинно-пролетном диоде, и узкополосного фильтра. Все эти элементы не чувствительны к магнитному полю. Высокостабильный источник «кварцевый синтезатор» располагается на отдалении от установки с макетом геликонного двигателя и соединяется с приёмником и передатчиком кабелями.

Рабочая частота диагностического оборудования (интерферометра) должна в несколько раз превышать плазменную частоту, которая прямо пропорциональна плотности электронов
(),
иначе СВЧ-волна просто не проникнет в плазму и отразится от неё, как будто плазма является для волны зеркалом. Именно поэтому для интерферометрии более плотной плазмы требуется использовать более высокие частоты. Согласно техническому заданию на интерферометр для Курчатовского института, плазменная частота в установке макета геликонного двигателя составляет примерно 30 ГГц.

Также, чтобы избежать проблем с отклонением зондирующего луча, отношение диаметра D плазменного облака к длине волны интерферометра λ, (D / λ) должно быть достаточно большим. В различных научных работах показано, что для цилиндрической плазмы с постоянной плотностью при соответствующем размере рупора должно соблюдаться условие D / λ > 3. Из-за особенностей, описанных выше, для макета геликонного двигателя была выбрана рабочая частота интерферометра 94 ГГц.

Стендовая плита с компонентами 94 ГГц интерферометра с блоками питания производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»

Многие спросят, почему 94 ГГц, а не ровно 90 ГГц? Дело в том, СВЧ-компоненты выпускаются на определенные дискретные частоты, и выбор этих частот обусловлен локальными минимумами ослабления СВЧ-сигнала в атмосфере и под действием других факторов в общем частотном спектре. К таким минимумам относится и участок вокруг 94 ГГц. Другие ближайшие минимумы ослабления СВЧ-сигнала лежат вокруг частот 76 ГГц (что очевидно мало) и 130 ГГц (можно использовать, но излишне дорого, так как с ростом рабочей частоты стоимость СВЧ-компонентов растет почти экспоненциально).

Особенностью СВЧ-интерферометрии и, в частности, интерферометров производства «ДОК», является возможность передачи «опорного» СВЧ сигнала не по «воздуху», а по коаксиальному кабелю, что гораздо удобнее с технической точки зрения. Преобразование в сигнал с частотой, необходимой для зондирования плазмы, происходит непосредственно в передатчике и в приемнике с помощью умножителей частоты (суммарный коэффициент умножения — это всегда целое число, и оно составляет, в зависимости от задачи, единицы или десятки раз).

Структурная схема канала интерферометра имеет следующий вид:

Структурная схема 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства ДОК для макета геликонного двигателя. Источник: «ДОК»

Гетеродины приемника и передатчика интерферометра запитаны от одного кварцевого генератора сигналами, немного разнесёнными по частоте. Прошедший через плазму сигнал преобразуется сначала в первую промежуточную частоту (ПЧ) 78 МГц, а затем во вторую ПЧ 200кГц.

Выбор относительно низкой частоты второй ПЧ позволяет записывать и анализировать сигнал в большом временном окне. Также в усилителях промежуточной частоты была реализована фильтрация частот 2 МГц и 10 МГц. Это было необходимо, так как для разогрева плазмы в макете геликонного двигателя используются СВЧ-генераторы большой мощности (десятки киловатт), работающие именно на этих частотах. Поэтому, чтобы избежать наводок, в тракте ПЧ была предусмотрена дополнительная фильтрация.

Измерения плотности плазмы проводятся на одной фиксированной частоте, поэтому сдвиг фазы возможно измерять с большой точностью и в реальном времени. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, которое обусловлено шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.

The road ahead или планы на будущее

Впереди много работы — у НИЦ «Курчатовский институт» на горизонте года предстоит сдача макета геликонного двигателя заказчику с последующей работой над созданием промышленного образца маршевого ракетного двигателя на плазменной тяге, в том числе с масштабированием проекта под мощности двигателя до 1 МВт.

«При помощи СВЧ интерферометра можно получать значения плотности электронов. Это дает возможность экспериментально подобрать оптимальный режим работы установки макетирования геликонного двигателя, изменяя входные параметры (расход рабочего газа, конфигурацию магнитного поля, вводимую мощность). В дальнейшем система с СВЧ интерферометром в ходе исследований может дать ясный и простой метод количественной оценки ускорения ионов за счет ионного циклотронного резонанса», — такой комментарий был дан Евгением Буниным, сотрудником НИЦ «Курчатовский институт».

Компания «ДОК» работает над изготовлением интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом терагерцовом диапазоне, т.е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.

Интерферометр на 330 ГГц (длина волны около 1 мм) также может быть интересен тем, что с его помощью можно создать особенно узкий луч для исследования плазменных пучков с малым сечением. В установке Е-1 в НИЦ «Курчатовский институт» есть подобные сечения. Такой интерферометр на 330 ГГц может найти применение и для исследования плазмы под антенной геликонной установки, где плотность плазмы выше значения в 10 13 см -3 .

Интересные проекты реализуют в России, не правда ли?

Вы также можете к ним присоединиться — в компании «ДОК» открыты вакансии для специалистов по СВЧ-технике, конструкторов и сборщиков РЭА, программистов.

Как сделать диагностику плазменного двигателя

1Доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева, Россия; 2Студент, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева, Россия

Разработка и исследование системы спектральной томографии для анализа параметров водородной плазмы в устройствах с плазменным приводом

В статье рассматриваются разработанные автором методы и алгоритмы томографической диагностики параметров малоугловых плазменных устройств. Описан малоугловой оптический томограф, разработанный для таких исследований. Описаны методы решения проблемы прямой трехмерной реконструкции в контексте поперечной оптической томографии.

Ключевые слова: плазменный двигатель, диагностика плазмы, спектральный анализ.

Филонин О.В. 1, Сычолоков Е.А. 2.

1Доктор технических наук, профессор Самарского государственного аэрокосмического университета им. Королёв, русский.

2 студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева, Россия

Разработка и исследование системы спектральной томографии для определения параметров водородной плазмы в плазменных двигателях

В данной статье автор разработал метод и алгоритм томографической диагностики нескольких параметров плазменных движителей. В ней описаны несколько оптических сканеров, предназначенных для такого рода исследований. В ней описываются методы решения прямой 3D реконструкции в контексте некоторых оптических томографий.

Ключевые слова: плазменный аппарат, плазменная диагностика, спектральный анализ.

Малогабаритные оптико-томографические реконструкции (LET) параметров плазменных объектов, в частности потока рабочего тела плазмотрона, позволяют получить информацию об их пространственном распределении с качеством, существенно отличающимся от известных методов диагностики. Однако, несмотря на широкий потенциал МКТ в отношении реконструкции требуемых функций, основной проблемой в вопросе диагностики параметров плазмы является анализ достоверности полученного функционального распределения для требуемых параметров и соответствие динамике процесса. С точки зрения идентичности реконструированных данных, включая ожидаемую "мгновенную" часть исследуемых параметров. Это определяется, прежде всего, точностью используемых и известных расчетных соотношений, применяемых для определения рассматриваемых параметров. Например, при изучении низкотемпературной плазмы, используемой в плазменных машинах, это касается, в основном, соотношений, рассчитанных для вычисления локальных величин, таких как температура, концентрация составляющих электронов и ионов.

При проектировании и разработке новых диагностических систем в контексте автоматизированных физических экспериментов необходимо учитывать несколько важных соображений.

Разработанная новая система должна быть достаточно простой, чтобы взаимодействовать с существующими диагностическими приборами и системами, в данном случае с приборами для спектральных томографических исследований.
Целесообразно использовать централизованный молекулярный принцип построения разработанной системы, что упрощает процесс совершенствования отдельных узлов и продлевает цикл решаемых задач.
При разработке программного обеспечения имеет смысл использовать модульный принцип формирования пакета прикладного программного обеспечения. Это значительно упрощает процесс разработки версий для различных вычислительных платформ.

Рисунок 1 — Блок-схема малоуглового оптического томографа

С учетом этих принципов был разработан ряд малоугловых оптических томографов для исследования параметров плазменных объектов с использованием как собственного излучения объекта, так и внешнего зондирующего излучения, применяемого в лабораторных экспериментальных условиях.

На рис. 1 показана структурная схема малоуглового эмиссионного томографа, предназначенного для исследования параметров дугового разряда плазменного потока в малогабаритном плазменном устройстве. Такая конструкция позволяет одновременно записывать до 24 2D-видов.

Максимальный размер исследуемого плазменного объёма можно представить как цилиндр диаметром 10 мм, и высотой до 10 мм. Конструктивно данный томограф состоит из двух оптических столов (выполненных в виде планшайб), в которых имеются направляющие пазы ориентированный относительно геометрического центра, в зоне которого располагаются исследуемый плазменный объект. В пазах устанавливаются входные объективы – 4, собирающие собственное излучение исследуемого объекта и проецирующие двумерные проекционные изображения на входные торцы оптоволоконных светопроводов (для передачи изображений).

Хотя проекционный пакет представляет собой двумерную проекцию исследуемого плазменного объекта, процедура реконструкции включает послойную реконструкцию многих срезов. Этот подход позволяет определить трехмерную конфигурацию интересующего нас распределения. Поскольку срезы, по-видимому, были восстановлены в разные временные интервалы, такой подход может быть оправдан только для "стационарных" плазменных объектов.

Как сделать диагностику плазменного двигателя

Рисунок 2 — Визуальная схема формирования проекций латерального фокуса

С другой стороны, структура оптоэлектронного сканера позволяет одновременно регистрировать 24 вида в определенном диапазоне длин волн, каждый вид содержит до (256´256) фактических измерений. Это позволяет реконструировать двумерные сечения с достаточной точностью и относительно высоким разрешением. В то же время существует достаточно широкая категория задач физики, для которых необходимо получать информацию о трехмерном распределении требуемых параметров за короткие промежутки времени.

Для решения проблемы прямой 3D реконструкции в контексте малоугловой оптической томографии существуют системы, которые получают данные путем регистрации точек обзора, сформированных при входе линз с относительно большим фокусным расстоянием в первичный и боковой очаги. Оптическая система такого типа показана на рисунке 2.

Излучение проверяемого объекта из главной фокальной плоскости попадает на входную линзу 1 в задней фокальной плоскости, где расположена диафрагма 2 с отверстиями в главной и некоторых боковых фокальных зонах и сформирована линза 3. Главная и боковая 2D проекции делаются на входную торцевую поверхность фотогида, который установлен на кожухе 4. Кроме того, можно сделать выборку одномерной проекции на выходном конце фотогида и использовать спектральное положение потока интенсивности для формирования матрицы проекции исходных данных для немедленной 3D реконструкции.

Рассмотренные методы получения фактических 2D проекционных данных значительно упрощают процедуру вычисления полного набора проекций для задачи 3D реконструкции. Эти процедуры удобно выполнять в пространстве Фурье. В пространстве Фурье одномерные (2D) изображения Фурье предварительно создаются в соответствии с теоремой о центральном сечении. Недостающие проекционные данные рассчитываются с помощью методов круговой (сферической) гармонической интерполяции и экстраполяции. Для упрощения процедуры заполнения проекционных данных автором был разработан метод, позволяющий выполнять только одномерные расчетные процедуры, заключающиеся в определении недостающих знаков в кольцевых гармониках и вводе проекционных данных в требуемом сечении.

Математическое моделирование описанного метода для получения исходных 2D данных и процедуры реконструкции, 3D функционального распределения, необходимого для задачи диагностики плазменного двигателя — локальных значений распределения интенсивности излучения, температуры, концентрации и т.д. факельного объема. Ошибка метода реконструкции, рассмотренного в формате 256´256´256 вокселей, не превышает (8¸10)%.

Как сделать диагностику плазменного двигателя

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

1 Доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия; 2 Студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Аннотация

В статье рассмотрены разработанные авторами методы и алгоритмы малоракурсной томографической диагностики параметров плазменных двигателей. Приведено описание малоракурсного оптического томографа, разработанного для проведения таких исследований. Описан метод решения задач прямой 3D-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии.

Ключевые слова: Плазменный двигатель, диагностика плазмы, спектральный анализ.

Phylonin O.V. 1 , Schelokov E.A. 2

1 Doktor technical sciences, professor, Samara State Aerospace University named after academic S.P. Korolev, Russia;

2 Student, Samara State Aerospace University, named after Korolev S.P., Russia

WORKING OUT AND RESEARCH OF SPECTRAL-TOMOGRAPHIC SYSTEM FOR DIAGNOSIS PARAMETERS OF A HYDROGEN PLASMA OF PLASMA ENGINES

Abstract

Keywords: Plasma engine, plasma diagnostics, spectral analysis.

Вновь разрабатываемые системы должны достаточно просто сопрягаться с существующими устройствами и системами диагностики – в данном случае это устройства для проведения спектрально-томографических исследований.
Целесообразно применять агрегатированно-модульный принцип построения разрабатываемой системы, что позволяет упростить процесс совершенствования отдельных узлов для расширения круга решаемых задач.
При разработке программного обеспечения целесообразно использовать модульный принцип формирования пакета прикладных программ. Это значительно упрощает процедуры развития версий для различных вычислительных платформ.

17-10-2019 17-03-18

Рис. 1 – Структурная схема малоракурсного оптического томографа

Максимальный размер исследуемого плазменного объёма можно представить как цилиндр диаметром

10 мм, и высотой до 10 мм. Конструктивно данный томограф состоит из двух оптических столов (выполненных в виде планшайб), в которых имеются направляющие пазы ориентированный относительно геометрического центра, в зоне которого располагаются исследуемый плазменный объект. В пазах устанавливаются входные объективы – 4, собирающие собственное излучение исследуемого объекта и проецирующие двумерные проекционные изображения на входные торцы оптоволоконных светопроводов (для передачи изображений).

Несмотря на то, что пакеты проекций представляют собой двумерные проекции исследуемых плазменных объектов, процедуры реконструкции предполагают послойное восстановление нескольких срезов. При таком подходе можно сделать вывод 3D конфигурации искомого распределения. Так как сечения оказываются реконструированными для различных интервалов времени, то такой способ может быть оправдан лишь для «стационарных» плазменных объектов.

17-10-2019 17-03-31

Рис. 2 – Оптическая схема формирования проекций в побочных фокусах

С другой стороны конструкции оптоэлектронных сканеров дают возможность одновременно регистрировать 24 проекции в заданном диапазоне длин волн, при этом каждая проекция может содержать до (256´256) реальных отсчёта. Это дает возможность достаточно точно и с относительно высоким разрешением реконструировать 2D сечения. В то же время существует достаточно широкий класс физических задач, когда необходима информация о 3D- распределениях искомых параметров за малые интервалы времени.

Излучение исследуемого объекта в главном ракурсе попадает на входную линзу – 1, в задней фокальной плоскости, в которой установлена диафрагма – 2, имеющая отверстия в зонах главного и ряда побочных фокусов, линзы – 3 формируют главную и побочные 2D – проекции и проецируют их на входные торцы светопроводов, установленных в обечайке – 4. Далее, производя выборку одномерных проекции на выходных торцах светопроводов и использую спектральное расположение потоков интенсивности, можно сформировать массивы исходных проекционных данных для прямой 3D-реконструкции.

Рассмотренный способ получения реальных 2D проекционных данных значительно упрощает процедуры вычисления полного набора проекций для задач 3D реконструкции. Эти процедуры удобно выполнять в пространстве Фурье, где предварительно, в соответствие с теоремой о центральном сечении строятся одномерные (двумерные) образы Фурье. Вычисление недостающих проекционных данных производится с помощью методов интерполяции и экстраполяции по кольцевым (сферическим) гармоникам. Для упрощения процедур доопределения проекционных данных авторами разработан метод, позволяющий проводить только одномерные процедуры вычисления, как в плане определения недостающих отсчетов по кольцевым гармоникам, так и в смысле доопределения проекционных данных в требуемых сечениях.

Математическое моделирование описанных способов получения исходных двумерных данных и процедур реконструкции, искомых 3D функциональных распределений для задач диагностики плазменных двигателей – распределение интенсивности излучения по объему факела, локальные значения температур, концентраций и т.д. Погрешность рассмотренных методов реконструкции при форматах 256´256´256 вокселей не превышает (8¸10)%.

Диагностика мотора своими силами: 4 полезных прибора

За последнее десятилетие появилось много недорогого оснащения, помогающего определить неисправности разных систем автомобиля: от коробки и двигателя до газобаллонного оборудования.

Такие приборы доступны рядовому автолюбителю, желающему повозиться со своей машиной. Но даже тем, кто не собирается самостоятельно заниматься электронной диагностикой, полезно иметь хотя бы представление о ней — чтобы понимать, куда обращаться при возникновении неисправности и как избежать развода на деньги.

Сканеры, работающие со смартфоном или компьютером

Самое распространенное и недорогое средство диагностики — адаптер ELM 327. Он стоит в среднем около 1000 рублей и подходит ко всем машинам, в которых есть разъем OBD II. Адаптер умеет считывать и обрабатывать сигналы блоков управления автомобиля, передаваемые по диагностическим линиям, и транслировать их по протоколам Bluetooth, Wi-fi или по USB-кабелю в смартфон, планшет или ноутбук.

Чтобы смартфон или ноутбук понимал сигналы адаптера, на него нужно установить программное обеспечение. Часто на диске к ELM прилагается несколько стандартных программ. А за специфическими — пожалуйте в интернет. Наряду с бесплатным есть и платный (200–300 рублей) софт, отличающийся расширенным функционалом и лучшим качеством работы.

Программы заточены под конкретную марку автомобиля или выполняют определенный круг задач. Причем они помогают не только провести диагностику, но и перенастроить отдельные системы и оборудование автомобиля. Например, изменить базовые параметры или активировать скрытые производителем функции, которые уже заложены в «железе». Сдвинуть температуру включения вентилятора системы охлаждения, подкорректировать алгоритм работы вариатора, даже провести небольшой чип-тюнинг двигателя — все это позволяет сделать ELM. Выручит адаптер и при подборе подержанного автомобиля — им можно проверить, нет ли ошибок в «мозгах», совпадает ли VIN-номер с документами.

Почти все программы имеют русскоязычный интерфейс. Правда, расшифровка кодов ошибок часто выдается на английском. Не очень удобно, но хуже другое: код ошибки определяется правильно, а вот расшифровка иногда не соответствует коду. Поэтому лучше перепроверять информацию, благо в интернете можно найти список неисправностей практически для любой марки.

Сканеры ELM 327 предлагают в двух версиях — 1.5 и 2.1. Первые поддерживают гораздо больше протоколов, а потому и вероятность успешного соединения с конкретным автомобилем выше.

ELM 327 — не единственный в своем роде прибор. Существуют и другие адаптеры для диагностики через ОВD-разъем. Например, популярная у владельцев автомобилей концерна Volkswagen программа «Вася-диагност» с ELM не работает. Для нее понадобится приобрести собственный адаптер — КKL 409.1.

Автосканеры

Специализированные сканеры у официальных дилеров могут стоить до полумиллиона рублей и чаще всего предназначены для диагностики автомобилей только одной марки. Оставим это профессиональное оборудование за рамками нашего обзора: рассмотрим недорогие (до 6000 рублей) устройства, которые работают со всеми автомобилями, оснащенными разъемом OBD II. Часто их называют «лаунчеры», по названию фирмы Launch, которая выпускает широкий диапазон диагностического оборудования.

Принципиально ничего дополнительного по сравнению с адаптерами типа ELM сканеры-лаунчеры не предлагают. Просто они более удобны в использовании. При подключении не требуют спаривания по Bluetooth или Wi-Fi — сразу загорается дисплей, на который выводится VIN-номер машины. Кнопками выбираете в меню нужные параметры и запускаете диагностику. Сканер прочитает и покажет все коды ошибок, причем интерпретация кода точнее, чем у программ, работающих с ELM. Меню части сканеров русифицировано, но ошибки будут описаны на английском языке. Программное обеспечение можно периодически обновлять, скачивая с сайта производителя свежие прошивки.

Многие мастера приобретают лаунчеры еще и для того, чтобы произвести впечатление на клиента. Выглядит сканер, конечно, солиднее, чем смартфон, подключенный через адаптер к автомобилю. Однако прибор — это лишь инструмент. И к нему обязательно должны прилагаться умелые руки.

Маршрутные компьютеры

Диагностировать неисправности в системе управления двигателем, а также следить за множеством параметров автомобиля могут и маршрутные компьютеры. Средняя цена качественных приборов — 5000 рублей. Их устанавливают в салоне автомобиля на видном месте и подключают к разъему OBD II. Конечно, основная их функция — работать трип-компьютерами. В диагностике они явно уступают сканерам.
Но посильную помощь окажут: и коды неисправностей считают, и ошибки из памяти блоков сотрут.

Прошивки маршрутников тоже постоянно обновляются и позволяют диагностировать не только двигатель, но и автоматические коробки передач и вариаторы. У некоторых машин маршрутники «видят» блоки АБС и систем пассивной безопасности.

Одно из преимуществ маршрутника перед сканером: он всегда подключен к автомобилю и сообщает об ошибках в системе управления двигателем в режиме реального времени. Некоторые приборы выдают голосовые предупреждения при выходе рабочих параметров двигателя за допустимые пределы.

Активные датчики зажигания

Сканеры — это мастера широкого профиля. А есть и узконаправленные специалисты — недорогие приборы, позволяющие проводить точечную диагностику. Например, сканер засек пропуски воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре. А как определить причину этих пропусков?

Это можно сделать с помощью активного USB-датчика зажигания. Работает устройство в паре с андроид-смартфоном или планшетом, на который необходимо установить соответствующую программу. Диагностика происходит бесконтактным способом: чувствительную часть датчика прикладывают к проверяемой детали. А на экране отобразится график изменения напряжения в электрической цепи. Таким образом можно найти неисправность в катушках зажигания, форсунках, датчиках положения коленчатого и распределительного валов.

Эти приборы обычно покупают сервисмены — они нужны для углубленной диагностики, и обычным автолюбителям приобретать их нецелесообразно. Тем более что и цена у них не такая уж низкая. Например, активный USB-датчик зажигания стоит около 10 000 рублей.

Методы и средства малоракурсной томографической диагностики параметров потоков ионных и плазменных двигателей КЛА Текст научной статьи по специальности «Математика»

Описаны методы, алгоритмы и средства малоракурсной спектрально-томографической диагностики параметров плазменных потоков: пространственное распределение локальных температур, концентраций для малогабаритных плазменных эжекторов (двигателей ориентации, малой тяги).

Methods and means of narrow-angle tomography diagnostics of flow parameters in ion and plasma rocket engines for spacecraft

We describe methods, algorithms and means of narrow-angle spectral and tomography diagnostics of parameters of plasma flows such as spatial local temperature distribution and concentration for small-size plasma ejectors (engines for orientation in space and thrusters).

Текст научной работы на тему «Методы и средства малоракурсной томографической диагностики параметров потоков ионных и плазменных двигателей КЛА»

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА МАЛОРАКУРСНОЙ ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКОВ ИОННЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Ключевые слова: плазменные, ионные двигатели, спектры излучения, лазерное зондирование плазмы, малоракурсная томография.

Цитирование: Филонин, О.В. Методы и средства малоракурсной томографической диагностики параметров потоков ионных и плазменных двигателей космических летательных аппаратов // Компьютерная оптика. — 2016. — Т. 40, № 3 — С. 370-379. — Б01: 10.18287/24126179-2016-40-3-370-379.

Перспективными двигателями для освоения ближнего и дальнего космоса в настоящее время и в течение обозримого будущего являются ионные и плазменные двигатели (ИПД). Многочисленные исследования [1] показали, что ускоряемый аппарат с помощью ИПД будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с традиционными ракетами. В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1. Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR [1, 2] сможет осуществлять миссии по доставке людей к Марсу всего за 39 дней.

Основными параметрами ИПД, как известно, являются отношение тяги к массе, скорость истечения ионной струи, симметрия вектора тяги по отношению к оси двигателя [3]. Наиболее эффективными методами решения такого рода задач являются спектрально-томографические методы диагностики параметров рабочего тела ИПД. Несмотря на то, что эти методы диагностики параметров плазменных потоков в оптическом диапазоне довольно широко развиты, их применение для исследования параметров потоков ИПД всё ещё не получило соответствующего применения.

Разработчики ИПД выбирают традиционные пути диагностики параметров струй [4, 5], основанные на классических преобразованиях Абеля, уравнения Фредгольма 1 -го рода. Основным недостатком такого подхода является то обстоятельство, что искомая функция распределения, например, локальных температур по объёму факела [6], заведомо считается осе-симметричной, что не так [4, 6].

Следовательно, разработка новых методов и средств для решения задач 3D-реконструкции функций распределения исследуемых параметров рабочих тел ИПД является актуальной задачей.

1. Методы спектрально-томографической

диагностики параметров рабочих тел ИПД

Задача исследования ионно-плазменного потока ИПД, во-первых, должна способствовать совершен-

ствованию конструкций этих систем, а во-вторых, позволять решать фундаментальные вопросы: восстановления 3Б-функций распределения ионной компоненты, локальных значений температур.

Автором разработан ряд методов 3Б-томографи-ческой реконструкции параметров плазменных объектов применительно к диагностике ИПД. Эти методы оказались просты с точки зрения аппаратной и программной реализации. Точность реконструкции удовлетворяет предъявляемым требованиям. Алгоритмы, построенные на их основе, обладают высоким быстродействием, могут быть реализованы на стандартных ПК либо в кластерных системах.

В общем случае для оптически прозрачной плазмы функция проекции в направлении р определяется как [7]:

I (р, X, 1) = | £(г, 1)ё/, (1)

здесь X, 1 — параметры потока излучения в данном ракурсе (X — эффективность регистрации, 1 — длина волны), Д/ — область определения функции проекции, е (г, 1) — локальное значение коэффициента излучения. Уравнение (1) является интегральным уравнением первого рода, общее решение которого в интегральной геометрии известно как преобразование Радона 99 от функции е (г, 1), то есть:

99 [е(г, 1)] = I (р, X, 1). (2)

В полярной системе координат (ПСК) обратное преобразование Радона определяется [7] следующим образом:

С учётом р0 = тап(9-Х)(3) удобнее записывать в операторной форме:

е (г, 1) =—В Н гЬ т1 (р, X, 1), (4)

здесь В — оператор обратного проецирования, Ну —

оператор Гильберта, Ну — оператор дифференцирования по первой переменной.

Главной особенностью задач типа (1) оказывается их некорректность в классическом смысле. В действительности регистрируемые функции проекции являются приближенными функциями в смысле Радона. Следовательно, речь может идти о поиске приближенных решений. В дополнение к этому ситуация усугубляется тем, что при оптических методах регистрации вносятся дополнительные искажения в (1), появляются искажения при вычислении преобразования Гильберта и пр.

Рис. 1. Иллюстрации способов формирования исходных проекционных данных: внешний вид ИД (а), геометрия получения проекций (б), системы регистрации (в, г)

В оптической томографии процедуру реконструкции (8) заменяют методами восстановления на основе интеграла свёртки. Суть этого метода заключается в том, что при 2Б-реконструкции, после доопределения проекционных данных, каждая проекция подвергается фильтрации. После чего для отфильтрованных проекций выполняется процедура обратного проецирования. Для анализа локальных 3Б-распределений параметров в ионных струях достаточно использовать методологию 2Б-томографии в ортогональных к оси сечениях.

В зависимости от типа ИПД, которые можно разделить на «однопотоковые» и «многопотоковые», формируется соответствующий алгоритм восстановления искомых функциональных зависимостей. Это, прежде всего, относится к методам вычисления недостающих проекционных данных и выбору ядра свёртки (рис. 1). Если речь идёт о тяговых двигателях с достаточно высоким уровнем симметрии потока рабочего тела (см.

рис. 1а)), то несложно организовать геометрию формирования исходных проекционных данных (рис. 1б)) собственного излучения в ортогональной форме с помощью линзовых (рис. 1г) или коллимационных систем (рис. 1в)). В строгой постановке задача оптической томографии заключается в реконструкции функций распределений, позволяющих анализировать процессы, протекающие в каждой локальной области исследуемого объёма. Так как в каждом микрообъёме в данный момент времени протекают процессы, присущие только этой области, сопровождающиеся излучением фотонов, то спектральный анализ излучения в совокупности с возможностями томографической реконструкции позволяют совершенно на новом уровне анализировать исследуемые явления. Локальный детектор в любом случае регистрирует излучение совокупностей микрообъёмов объекта в выбранном направлении данного сечения, интенсивность которого можно определить в виде:

здесь /х(/, Ь) — функция, характеризующая локальное излучение, в направлении / (рис. 1б)). Если/х(/, (3) непрерывна на круге, в который она может быть вписана, а параметры выбраны так, что а<<(г/])<<1, то в соответствии с теоремой о среднем можно записать:

Действительно, при указанных условиях отсчёты в проекциях пропорциональны интегралам от интенсивности вдоль оси фотодетектора, то есть удовлетворяют условию (2) и действительно могут рассматриваться как отсчёты томографических проекций. Для ионных потоков с относительно высоким уровнем осевой симметрии целесообразно применить быстродействующий свёрточный алгоритм на основе решения интегрального уравнения Шлёмильха с соответствующим ядром [8]:

1 -рх/2а, |х| £ а; 1 — (х / а)агсзт(а / х), |х| > а.

Для исследования параметров плазмы, вырабатываемой многопотоковыми ИПД-системами, которые сгруппированы в тяговую матрицу, данный подход малопригоден. В таких ситуациях необходимо применять так называемые низкочастотные динамические ядра вида:

Здесь В определяет ширину главного максимума ядра свёртки, то есть определяет его частотные свойства. Частотные свойства рассмотренного метода рекон-

струкции оказываются выше, чем при использовании ядер вида (7). При этом значение В должно выбираться автоматически в зависимости от ширины главного максимума Фурье — спектра данной проекции.

При томографическом исследовании потоков ИПД, в силу ряда технических причин, количество исходных проекций оказывается ограниченным. Для оценки возможностей методов томографической реконструкции параметров таких потоков, целесообразно определить спектральное разрешение алгоритмов восстановления. Информационная способность алгоритма реконструкции, при всех прочих равных условиях, определяется не только числом исходных проекций, но и выбором ракурса каждой проекции. Заметим, что при всех прочих условиях необходимо привести реальные проекционные данные к виду, позволяющему воспользоваться обращением Радона, например, в виде:

f (r, ф) = R-1/(l, 9) = 2-г I

Э| Rf (l, 9)/ Э/| 1 r cos(9 — ф) -1

В данном случае под оператором R— понимается результат приближенного воздействия оператора обратного преобразования Радона.

Исходя из условия (9) понятно, что оптимальное расположение ракурсов проекций определяется, очевидно, выражением:

|Эр(1,9)/ Э9| = max, (10)

где p (l, 9) — проекция, полученная под углом 9.

Следовательно, информационная отдача алгоритмов реконструкции зависит от выбора оптимальных углов между исходными ракурсами.

Для оценки спектрального разрешения доступных наборов проекционных данных целесообразно перейти в спектральную область Фурье. Так как мы имеем дело с дискретным набором проекций и дискретным количеством отсчётов в каждой из них, то необходимо переопределить искомые и проекционные данные в дискретном виде:

Я ^ f f p 1 . f p 1 Я1 (11)

= — > p I x cos I m— I + y sin I m— I, m— I.

м m=o | I M J I MJ M J

Соответственно Фурье-спектр искомой функции:

F 1(wx , wy ) = — > p p (wx C0S(^) +

Заметим, что два последних выражения записаны для декартовой сетки. В то же время, согласно теореме о центральном сечении, вычислив Фурье-спектры проекций и расположив их на Фурье плоскости в соответствии с ракурсами проецирования, можно синтезировать двумерный спектр Фурье, связанный со спектром искомой функции. Это справедливо в опре-

делённом приближении и при условии, что набор спектров проекций, заданных на полярной сетке, умножен на некоторую двумерную функцию, соответствующую так называемому р — фильтру.

1 Основная проекция

2 «Дополнительные» проекции

Фурье-спектр исходного набора проекционных данных

«Доопределённый» Фурье-спектр исходного набора

Среднеквадратичное отклонение А

Рис. 2. Иллюстрация метода доопределения проекционных данных по кольцевым гармоникам

Имея спектры проекций (на полярной сетке), можно доопределить недостающие проекции, проводя интерполяции по кольцевым гармоникам. Эти процедуры подробно представлены на рис. 2. Из рис. 2г) понятно, что неточность реконструкции связана с потерей мелких деталей изображения, т. к. с ростом частоты «плотность полярных отсчётом» резко уменьшается.

Максимальную частоту дискретизации можно определить из задаваемого («желаемого») разрешения и элементарной геометрической интерпретации в Фурье-пространстве. Действительно, из равнобедренного треугольника, построенного на соседних лучах Фурье-спектров проекций (рис. 2 д)), ограниченных «дугой» кольцевой гармоники заданной частоты следует условие:

Дют = 2ют sin(p / 2М). (13)

Для повышения точности восстановления можно предложить ряд методов вычисления «недостающих» проекций из экспериментальных данных. В этом плане возможными оказываются два варианта. Реально оптическое изображение каждой проекции регистрируется в виде «тонкой» двумерной функции, на которой можно выделить, например, 5 (см. рис. 2а)

одномерных проекции, незначительно отличающихся друг от друга. Это обусловлено тем, что фактически регистрация производится вдоль главной оптической оси и двух побочных. Местоположение осей выбирается в плоскости, ортогональной плоскости исследуемого сечения. Полученные «побочные» проекционные данные обладают геометрически искажениями, которые можно компенсировать процедурой свёртки с известной аппаратной функцией.

С другой стороны, в системах такого типа количество отсчётов вдоль каждой проекции может быть достаточно большим (при использовании линейных матриц с высоким разрешением). Следовательно, если вычислить Фурье-спектр проекции и «расположить» его на 2Б-Фурье-плоскости, то разумно ожидать, что на близко расположенных радиусах Фурье-плоскости по отношению к радиусу Фурье-образа данной проекции изменения участка Фурье поверхности будут аналогичными. Это обстоятельство и позволяет построить эти участки (см. рис. 2 д)). В совокупности с первым способом этот подход даёт возможность расширить углы конвергенции проекционных данных в Фурье-пространстве, между истинной проекцией и вычисленными — дополненными.

Существует ещё одна возможность, вытекающая из особенностей использования спектрально-томографической диагностики потоков ПИД. Действительно, при реконструкции искомых функций распределений мы имеем дело либо с набором «узких» участков физических, сплошных спектров, вблизи заданной длины волны(Я-ДЯ, Я, 1+ ДЯ), либо с набором спектральных линий. Тот и другой случаи соответствуют наборам исходных проекций. Распределение интенсивности вдоль спектральной линии -это есть проекционные данные для конкретной длины волны. Распределение интенсивности в ортогональном направлении — информация о функции распределения в близлежащем участке физического спектра. Её можно рассматривать как функции распределения близко расположенных проекций в заданном спектральном диапазоне (физическом) см. рис. 2б. Действительно в данном спектральном приборе она оказывается полученной в близлежащих побочных оптических осях. Это позволяет в Фурье-пространстве вычислить дополнительные проекции рядом с исходными спектрами проекций.

Таким образом, в Фурье-пространстве после стандартной процедуры доопределения исходных данных во 2-м и 4-м квадрантах (рис. 2в-г), мы имеем дело не с одиночными радиусами отсчётов, а с «реперными наборами». Любой из них оказывается вблизи каждого «центрального» радиуса, а по обеим сторонам располагаются вычисленные, также «реальные» радиусы отсчётов дополнительных проекций (см. рис. 2е)). Это облегчает дальнейший процесс вычисления промежуточных проекций, позволяет более полно обосновать выбираемый алгоритм интерполяции, и повышает точность реконструкции в целом. С т.з. процедуры интерполяции задача сводится к вычислению по «кольцевым

гармоникам» Ш Фурье-образов в «пустых» секторах плоскости ((я/М)-2М9). Здесь k — количество «боковых» проекций в репере каждого ракурса. Определим кольцевые гармоники, как:

Следовательно, задача состоит в вычислении F+1n(mДw) в М- областях с «размером» ((я/М)-2М9) в интервале [0, я]. Решение целесообразно выполнить с помощью хорошо известного метода наименьших квадратов с использованием в качестве базисных функций полиномов Чебышёва 1-го рода. Для этого необходимо определить минимум среднеквадратичного отклонения в заданных точках «кольцевых гармоник» [8], то есть:

Ртш = ,„,. , X [Н п(тД9)-Н п(тДю)], (15)

Нп (тД9) = X -1 (тД9),

где 7/-1(тД9) — полиномы Чебышёва 1-го рода. В этом случае частота дискретизации по сравнению с (13) возрастает:

Дют = 2ют 81И(Д9 /2). (17)

Т.к. при малых углах sina«aв пространстве сигналов должно выполняться условие:

Н/2 £ (я/ Д9) = (я/ Д9ют) (18)

и с учётом того, что на полярной сетке с ростом частоты, плотность отсчётов уменьшается, ограничение по частоте в предельном случае определяется задаваемым разрешением: Д/ < (я/ют). Исходя из задаваемого разрешения, количество необходимых проекций -N с количеством отсчётов — п, в каждой из них, используемых для процедуры реконструкции, может быть определено из выражения:

Отсюда несложно определить условие для углов конвергенции между ракурсами — реальных и вычисленных проекций, при заданном разрешении:

С другой стороны, для выполнения последнего условия в рамках интерполяционной формулы (16) необходимо наложить дополнительное условие на количество основных и дополнительных ракурсов:

М = я/ ((2k + 1)Д9). (21)

Другими словами, для условия (15) необходимо, для корректной процедуры интерполяции, иметь (яД9) кольцевых гармоник.

Используя информацию «боковых» проекций в каждом репере, по каждой кольцевой гармонике, применяя многочлены Лагранжа второй степени, как это сделано в работе [8], при мультималоракурсной

системе регистрации данных, систему уравнений (16) можно доопределить. Для этого необходимо потребовать не только совпадения функций по кольцевым гармоникам с аппроксимирующими функциями, но и совпадение первой и второй производных при условии, что последние существуют, то есть: 1 (2к+1)м

(шАв) = X CJT¡_1 (шАв),

Систему уравнений (22) можно значительно упростить, принимая во внимание следующие обстоятельства. Коэффициенты С, искать нет необходимости, так как согласно условию (19) достаточно определить

значения (шАв) в «пропущенных» секторах, то есть для каждой «кольцевой» гармоники в областях ((р/М)-2кАв). В зависимости от номера гармоники количество слагаемых в линейной комбинации (16) можно снизить до п, т.е.:

Р п (шАв) = X СТ__1(шАв). (23)

Способы решения систем уравнений типа (23) достаточно подробно изложены в монографии [9].

Выполнив процедуры интерполяции по каждой кольцевой гармонике, используя обратное одномерное преобразование Фурье, находим вычисленные промежуточные проекции:

РшАв(кА1) = Аю, XРшАв(пАЦ)ехр(/2ппАщкА1). (24)

Для реконструкции искомой 2Б-функции распределения производятся процедуры свёртки функций проекций с малоракурсным ядром типа (8).

На рис. 3 а-г показаны этапы и результаты модельных экспериментов рассмотренного метода реконструкции при разном количестве основных и дополнительных проекций. Рис. 3 е) отображает обобщённые погрешности восстановления в зависимости от количества ракурсов (М = 6о+12д, 24д) (индекс «д» здесь означает количество дополнительных проекций по отношению к главному ракурсу) в сравнении с восстановлением без учёта дополнительных проекций (М= 6).

2. Малоракурсные оптические томографические системы для исследования потоков ИПД

Применение методов томографической реконструкции параметров ионно-плазменных объектов позволяет получить информацию об их 3Б-распреде-лении совершенно иного качества по сравнению с известными методами диагностики.

Автором разработан ряд малоракурсных оптических томографов для исследования параметров плазменных потоков ИПД, использующих собственное излучение объекта, применительно к условиям лабораторного эксперимента.

Среднеквадратичное отклонение А 0,51

4 8 12 16 Количество проекций

Рис. 3. Иллюстрации методов моделирования доопределения и представления данных

Томографический подход позволяет восстановить локальные значения в достаточно малых зонах сечения — по определению. Следовательно, разбив выбранное тонкое сечение факела на совокупность «трубок», можно предположить, что в каждом таком элементарном канале поле достаточно однородно. Поэтому для возбуждённых компонент типа лёгких ионов, электронов, распределение по скоростям может подчиняться распределению Максвелла. В возбуждённом состоянии распределение частиц в каждой элементарной трубке должно также подчиняться [4] формуле Больцмана

здесь N0, Е0 — концентрация и статистическая масса частиц для нормального состояния, Еэ — концентрация и статистическая масса в возбуждённом состоянии. В соответствии со сделанными допущениями для каждого канала распределение атомов по стадиям ионизации можно рассчитать по формуле Саха [10]. Процессы ионизации в ИПД можно описать в виде системы уравнений, предложенной в работе [11], куда входит степень ионизации отдельной компоненты х,. Результирующая ионизация может быть определена как [6]:

Суммарное давление в анализируемом объёме, можно оценить из выражения [11]:

_^ ?П+ _р = аТ3/2ект и

Состояние исследуемого плазменного объекта в объёме элементарной трубки можно описать достаточно корректно, если электронная и ионная компоненты могут быть описаны с помощью: уравнения

р = ^ N^1, распределения Максвелла —

Больцмана, формулы Саха (в определённом приближении), формулы Планка.

В общем случае количество фотонов, излучаемых в каждом элементарном объёме, пропорционально: вероятности перехода — Л^ , атомов (ионов) из состояния п в состояние т, количеству атомов — Пт, имеющих такие (возбуждённые) состояния т. Коэффициент излучения для данной линии спектра можно очевидно определить в виде соотношения: /•(1) = (1/4Р)ЛУткУ .

В выбранном направлении проектирования при заданных значениях (г, 0) из элементарных объёмов вдоль хорды /можно сформировать плазменный цилиндр, приняв величину площади поперечного сечения Д£ = 1 и длинной /. Интенсивность излучения этого «плазменного цилиндра» в каждой точке проекции, при фиксированном значении угла 0/, будет равна [8]:

J(/; 0; г) = (1/4р) Лтппткп/. (28)

Для рассматриваемых задач интенсивность спектральной линии [11] можно определить, с учётом (28) как:

здесь и01> — статистическая сумма по возбуждённым состояниям, gm — статистический вес, 8т — энергия возбуждённого уровня т[11]:

32р2еЧZ + £)2 NN Т

У 3л/3с3(2рт)3/2 4кТ

здесь Z — заряд иона до захвата электрона, £ — заряд иона после захвата электрона, Щ N — концентрация электронов, ионов. Следовательно, результирующая интенсивность в точке (г , 0) , очевидно, складывается и равна:

Jo = (1/4Р)л;Ч(gJu01))e кТЫ+8у/. (31)

Таким образом, значение локальной температуры можно определить, используя (29) с учётом поправок (30), (31). При вычислении локальных значений температур наибольшую сложность составляет вычисление Лт . Эта задача может быть разрешима, если воспользоваться эталонным источником излучения [9] (ленточные лампы, нити). Рассмотренная методика реконструкции Т(х, у) с точки зрения спектроскопии соответствует методу абсолютных температур. Относительная погрешность описанного выше метода определяется выражением [8] :

На рис. 4 приведена оптическая схема экспериментальной установки для спектрально-томографических методов определения локальных температур в заданном сечении ионного (плазменного) потока, определения абсолютной интенсивности факела и т.д. Система работает следующим образом. Макет плаз-менно-ионного двигателя располагается в вакуумной камере — 1. Объём камеры и производительность форвакуумного насоса и вакуумного насоса высокого разряжения выбираются исходя из условий эксперимента. При этом форвакуумный насос работает непрерывно, в течение всего хода эксперимента, удаляя продукты рабочего тела. Насос высокого разряжения подключается автоматически. В камере установлен макет двигателя и система сбора исходных 2Э-проекционных данных, см. рис. 4а).

Автором разработан макет ИПД, который состоит из форсунки 1.1 (рис. 4а)), через которую подаётся водород. Поток газа проходит модуль ионизации 1.2, в результате, за счёт воздействия переменного поля высокого напряжения поток ионизируется — появляются электронная и ионная компоненты. Электронная составляющая отводится отклоняющей системой (на рисунке не показана) от оси потока. Ионная компонента ускоряется простейшим линейным ускорителем 1.3, содержащим три каскада ускорения. Ускорение происходит в межэлектродных промежутках, причём ионный пучок дополнительно фокусируется.

Очевидно, что поток рабочего тела, выбрасываемый через сопло 1.4, содержит положительные ионы

водорода, возбуждённые атомы и молекулы водорода. При этом атомы, ионы и молекулы водорода испытывают столкновения с молекулами остаточного газа в вакуумной камере, которые могут переходить в возбуждённые состояния. Таким образом, излучающими объектами в зоне регистрации являются атомы и молекулы водорода, возбуждённые атомы остаточного газа. Наличие остаточного газа надо учитывать при спектральном анализе, т.к. он проявляется в сплошном спектре, который накладывается на линейчатые спектры водородных ионов. В данной системе установлена ленточная лампа — 5 и полупрозрачное зеркало — 6. В фокальной зоне спектрографа формируется четыре (семь) спектра — 3 или 6 спектров проекций и один спектр ленточной лампы (рис. 4г)). На рис. 4в) приведена схема калибровки ленточной лампы, которая после этой процедуры становится эталонным источником излучения с определённым коэффициентом серости. Система калибровки ленточной лампы состоит из следующих блоков: 1 — стабилизированный источник питания 2 — вольфрамовая лампа, ленточного типа, 3 — диафрагма, 4 — дисковый модулятор, 5 — калибровочный детектор, 6 — усилитель, 7 — блоки обработки данных, 8, 9 — источник и детектор синхросигналов.

Оптико-волоконная система сбора проекционных данных частично также размещена в вакуумной камере, рис. 4а). Здесь же расположены двумерные коллиматоры — 6, светопроводы — 7. Для вывода 2Б-проекционных изображений за пределы камеры применена оптическая развязка, содержащая проецирующий объектив — 9, который вмонтирован в боковую стенку камеры. Объектив проецирует изображение с выходных торцов светопроводов — 5 на входной торец светопровода — 2, находящегося вне вакуумной камеры. Далее изображения проекций передаются с помощью светопровода — 2 и линзы — 3 на щель спектрального прибора — 4. В данном эксперименте нами был использован спектрограф ИСП-30. В фокальной плоскости спектрографа формируются спектры проекций. При спектрально-томографической диагностике необходимо выбрать заданное сечение ЗО-ионно-плазменного объекта. Это позволяет в этом 2Б-сечении провести реконструкцию распределения локальных температур, концентраций ионной и электронной компонент и т.д.

Для считывания распределения интенсивностей вдоль спектральных линий применена электромеханическая система привода линейных ПЗС-матриц, рис. 4д). В данном случае использовано три линейных матрицы — 4, закреплённых на подвижной платформе. Она с помощью электродвигателя — 1 через редуктор — 2 и винтовые пары — 3 приводит в поступательное движение платформу с матрицами — 4.

Для реконструкции 3Б-конфигурации искомых распределений при спектрально-томографическом способе исследования ионно-плазменных потоков разработана система формирования исходных данных, сущность которой можно пояснить с помощью рис. 5.

Рис. 5. Оптическая схема регистрации проекционных данных для восстановления ЗО-конфигурации искомых

распределений 1 — электродвигатель, 2 — редуктор, 3 — винтовая пара, 4 — многощелевая насадка, 5 — пакет

светопроводов, 6 — направляющая, 7 — система проецирующих линз, 8 — корректирующие линзы, 9 — щель спектрального прибора

Собственное излучение плазменного потока фиксируется в трёх ракурсах, как это показано на рис. 5). Выходные торцы светопроводов собираются в параллельный пакет — рис. 5 позиция 5. Для выборки заданных сечений ортогональных оси потока используется насадка спектрографа — 4.

Так как плазменные и ионные потоки рассматриваемых ИПД обладают высокой осевой симметрией, то для реконструкции пространственной конфигурации искомых распределений выбирается три сечения в данном плазменном факеле. Конструкция привода многощелевой насадки позволяет с помощью электромеханической системы — 3 выбирать проекции сечений на заданных координатах оси факела. Привод состоит из винтовой пары — 3, связанной с многощелевой насадкой — 4, приводимой в движение электродвигателем — 1 и редуктором — 2. Направляющая — 6 служит для фиксации пространственного местоположения насадки относительно плоскости выходных торцов светопроводов. Выбранные проекционные изображения сечений с помощью системы линз — 7 и корректирующих линз Френеля — 8 проецируются на щель спектрального прибора — 9. В его фокальной плоскости, таким образом, формируется 9 изображений спектров проекций — 10, соответствующих трём выбранным сечениям. Для коррекции искажений, вызванных наклоном линз — 7, в качестве корректирующих предложено использовать линзы Френеля со «смещённым» оптическим центром [12]. 3Б-реконструкция искомых функциональных распределений.

3. Программное обеспечение малоракурсных систем диагностики потоков ИПД

С учётом рассмотренных особенностей в качестве программного обеспечения для описываемого малоракурсного оптического томографа был создан ППП

(в последней модификации — «STAR»). Его обобщённая структурная схема представлена на рис. 6. Поясним основные функции отдельных модулей и их взаимосвязь между собой. Блок управления определяет режимы системы электропривода и процессы сканирования в ПЗС-детекторах. Этот модуль через устройства ввода-вывода связан с ПК, с помощью которого задаются координаты местоположения ПЗС-матриц, определяется момент начала опроса, его длительность.

Так как объем исходных проекционных данных достаточно велик, а время опроса каждой матрица составляет »1-10-3 с и менее, то прямой ввод данных зачастую невозможен, поэтому в системе предусмотрены промежуточные буферы накопления. Они обслуживают модуль получения и формирования исходных данных. Для выбора оптимального алгоритма реконструкции необходимо проанализировать характер проекционных данных. Для этого, по виду 1D-функций проекций, выбираются процедуры доопределения отсчётов, вычисления промежуточных проекций, вид модельной функции. С помощью модуля синтеза цифровой модели можно построить 2D-модель реконструкции или 2D-сечения. Далее производится моделирование полного цикла реконструкции. В результате уточняются параметры доопределения исходных данных, вид фильтрующих функций, параметры FT-операций, форматы реконструкции.

Получение исходных данных

Вычисление промежуточных отсчётов в проекциях, фильтрация

Анализ задачи реконструкции

Конфигурирование мулъти-малоракурсных проекционных данных

Вычисление промежуточных проекций

Вычисление Фурье-спектров проекций

Построение цифровой модели томосинтеза

Синтез 2D, 3D Фурье-спектров

Моделирование процедур реконструкции

Вычисление одномерной свертки для проекций

Вычисление промежуточных Фурье-спектров проекций

Синтез 2D, 3D Фурье-спектров

Расчёт обратных Фурье-спектров

Процедуры обратного проецирования

Цифровая Ьильтрация Ю массивов изображений

Оценка погрешности реконструкции

Оптимизация алгоритмов фильтрации

Окончательное вычисление томограмм, визуализация

Рис. 6. Схема ППП «STAR»

Модуль для оценки погрешностей МВТ-рекон-струкции даёт возможность рассчитать погрешности основных процедур восстановления. Модуль оптимизации алгоритмов фильтрации даёт возможность ускорить процедуры вычисления операций типа свёртки, при различных форматах исходных данных, при вычислении Ш БТ. С помощью данного модуля выбирается наиболее оптимальный алгоритм вычисления исходя из соображений точности и быстродействия. Модуль визуализации подготавливает изображения сечений в необходимом формате позволяет преобразовать чёрно-белый вариант в цветную форму, выделить изолинии, представить их в виде проекционного или стереоскопического изображения.

На рис. 7 показаны внешний вид малоракурсной лабораторной томографической установки для исследования ионно-плазменных потоков (атмосферный вариант) (рис. 7а), а также примеры полученных с её помощью восстановленных томографических изображений. Данная система позволяет получать до 24 ракурсов в пределах (0^2р). На рис. 7 б приведены: модельная функция для многопотоковых ИПД (левый верхний угол изображения), и результат восстановления (модельный эксперимент) проекционных данных с помощью свёрточного алгоритма (правый нижний угол).

В7 \ "-р гкс тс тр 1—

Рис. 7. Внешний вид 24-ракурсного оптического томографа для лабораторных исследований, примеры реконструированных изображений и способы отображения

На рис. 7в показаны спектры 12 проекций, формирующиеся в зоне считывания данных спектрографа. Блок считывания хорошо виден на заднем плане (фокальная зона спектрографа). Идентичные спектральные линии при рассматриваемом способе регистрации должны находиться на одной вертикальной прямой (см. линия Ar®1 = 4627 нм). Рис. 7г-е отображают способы представления восстанавливаемых функциональных распределений, в данном случае локальных температур, соответственно в виде полутоновых изображений и в проекционном виде. На рис. 7ж-з приведены примеры отображения реконструированных функциональных распределений в виде семейств изопара-метрических кривых и в виде стереоскопического проекционного изображения. На рис. 7и показан температурный профиль вдоль заданного диаметра потока.

Разработаны методы и средства для малоракурсной томографической диагностики параметров ионных и плазменных потоков ИПД по собственному излучению в оптическом диапазоне. Методы 2Б-реконструкции искомых функциональных распределений, таких как локальные значения интенсивностей, температур и пр., позволяют в свёрточном приближении обращения Радона восстанавливать искомые распределения при числе исходных проекций от 3 до 24.

Алгоритмы и соответствующие ППП ориентированы на стандартные ПК при восстановлении 2D-распределений и на кластерные системы [15] при решении трёхмерных задач. Форматы реконструкции могут быть выбраны в пределах от (128×128) до (512×512) элементов. В алгоритмах реконструкции, за исключением процедур обратного проецирования, используются только одномерные процедуры вычислений таких операций, как прямое и обратное преобразование Фурье, свёртка.

Погрешности восстановления искомых функциональных распределений находятся в пределах от (5+7) % до (10+12) %. Оценка погрешностей производилась по отклонениям заданных модельных функций и реконструированных распределений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках гос. задания № 9.1421.2014/K.

1. Glover, T.W. Principal VASIMR Results and Present Objectives / T.W. Glover, Fr.R. Chang Diaz, J.P. Squire, V.P. Jacobson, D.G. Chavers, M.D. Carter // AIP Con-

ference Proceedings. — 2005. — Vol. 746, Issue 1. -P. 976. — DOI: http://dx.doi.Org/10.1063/1.1867222.

2. Савельев, В.А. Безэлектродный разряд высокого давления / В.А. Савельев // Журнал технической физики. -1966. — Т. 36, № 5. — С. 913-919.

3. Грачев, Л.П. Особенности развития импульсных СВЧ разрядов в квазиоптическом пучке в различных газах / Л.П. Грачев, И.И. Есаков, К.В. Ходатаев // Журнал технической физики. — 1998. — Т. 68, № 4. — С. 33-36.

4. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А. А. Шагайда. — Под ред. А.С. Коротеева. — М.: Машиностроение, 2008. — 280 с.

5. Коротеев, А.С. Новый этап развития ракетно-космической техники / А.С. Коротеев // Труды МФТИ. -2011. — Т. 3, № 4(12). — С. 40-44.

6. Reid, B.M. Angularly-Resolved ExB Probe Spectra in the Plume of a 6-kW Hall Thruster / B.M. Reid, R. Shastry,

A.D. Gallimore, R.R. Hofer // 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit; Hartford, CT, USA, July 21-23, 2008. — 2008. -AIAA-2008-5287 (21 p.).

7. Пикалов, В.В. О восстановлении локальных характеристик плазмы в условиях ограниченной экспериментальной информации / В.В. Пикалов, Н.Г. Преображенский // Оптика и спектроскопия. — 1976. — Т. 40, № 6. — С. 1094-1096.

8. Филонин, О.В. Спектрально-томографическая диагностика ионных и плазменных двигателей // Palmarium Academic Publishing, 2014. — 164 p. — ISBN 978-3-639-77860-1.

9. Уилкинсон, Дж.Х. Алгебраическая проблема собственных значений / Дж.Х. Уилкинсон. — М.: Наука, 1970. — 564 с.

10. Sidorov, A.F. Mathematical modelling of the processes of unshocked gas compression / A.F. Sidorov // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. -1995. — Vol. 10, No. 3. — P. 255-278.

11. Александров, В.Я. Диагностика плазмы /

B.Я. Александров. — М.: Мир, 1967. — С. 167-216.

12. Казанский, Н.Л. Исследовательско-технологический центр дифракционной оптики / Н. Л. Казанский // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2011. — Т. 13, № 4. — С. 54-62.

13. Пат. 2422860 C1 Российская Федерация G02B 3/08, B29D 11/00. Способ изготовления композитной линзовой панели для концентраторных фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур / Андреев В.М., Давидюк Н.Ю., Ионова Е.А., Румянцев В.Д., Садчиков Н.А.; заявитель и правообладатель Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН; №2010109214/28, заявл. 15.03.2010, опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18. — 13 с., ил.

14. Cremers, C.J. Application of the Abel integral equation to spectroscopic data / C.J. Cremers, R.C. Birkebak // Applied Optics. — 1966. — Vol. 5, Issue 6. — P. 1057-1064.

15. Жданов, А.И. Параллельная реализация рандомизированного регуляризированного алгоритма Качмажа / А. И. Жданов, Ю. В. Сидоров // Компьютерная оптика. -2015. — Т. 39, № 4. — С. 536-541. — DOI: 10.18287/01342452-2015-39-4-536-541.

Сведения об авторе

Филонин Олег Васильевич. В 1972 г. окончил физико-технический факультет Томского политехнического института. С 1976 года работает в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королева. В 1974 году присуждена учёная степень — кандидат технических наук. В 2007 году присуждена учёная степень — доктор технических наук. В 2010 г. присвоено учёное звание «Профессор». E-mail: phybnm@gmaiLcom .

Поступила в редакцию 1 апреля 2016 г. Окончательный вариант — 24 июня 2016 г.

METHODS AND MEANS OF NARROW-ANGLE TOMOGRAPHY DIAGNOSTICS OF FLOW PARAMETERS OF ION AND PLASMA ROCKET ENGINES FOR SPACECRAFT

Samara National Research University, Samara, Russian Federation

Key word: plasma, ion engine, emission spectrum, laser probing of plasma, narrow-angle tomography.

Citation: Phylonin O.V. Methods and means of narrow-angle tomography diagnostics of flow parameters in ion and plasma rocket engines for spacecraft // Computer Optics 2016; 40(3): 370-9. — DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-3-370-379.

Acknowledgement: Work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation as part of state contract No. 9.1421.2014/K.

[1] Glover TW, Chang Diaz FrR, Squire JP, Jacobson VP, Chavers DG, Carter MD. Principal VASIMR Results and Present Objectives, AIP Conference Proceedings 2005; 746(1): 976. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1867222.

[2] Saveliev VA. Electrodeless discharge of a high pressure [in Russian]. Soviet Physics: Technical Physics 1966; 36(5): 913-919.

[3] Grachev LP, Esakov II, Khodataev KV. Features of the development of pulsed microwave discharges in various gases in a quasioptical beam. Technical Physics 1998; 43(4): 378-381.

[4] Gorshkov OA, Muravlev VA, Shagayda AA, Koroteyev AS, ed. Hall and ionic plasma engines for spacecrafts [in Russian]. Moscow: "Mashinostroenie" Publisher; 2008.

[5] Koroteyev AS. New stage of development rocket space equipment [in Russian]. Trudy MFTI 2011; 3(4.12): 40-44.

[6] Reid BM, Shastry R, Gallimore AD, Hofer RR. Angularly-Resolved ExB Probe Spectra in the Plume of a 6-kW Hall Thruster. 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Hartford, CT, USA, July 21-23, 2008: AIAA-2008-5287p.

[7] Pickalov VV, Preobrazhenskiy NG. About recovery of local characteristics of plasma in the conditions of the limited experimental information [in Russian]. Opt Spectrosc (USSR) 1976, 40(6): 1094-1096.

[8] Phylonin OV. Spectrally-tomographic diagnostics of ionic and plasma engines [in Russian]. Palmarium Academic Publishing; 2014. ISBN 978-3-639-77860-1.

[9] Wilkinson JH. The algebraic eigenvalue problem. Oxford: Clarendon Press; 1965.

[10] Sidorov A.F. Mathematical modelling of the processes of unshocked gas compression. Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling 1995; 10(3): 255-278.

[11] Alexandrov VYa. Plasma diagnostics [in Russian]. Moscow: "Mir" Publisher; 1967: 167-216.

[12] Kazanskiy NL. Research-technological center of diffractive optics [in Russian]. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences 2011; 13(4): 54-62.

[13] Andreyev VM, Davidyuk NYu, Ionova EA, Rumyantsev VD, Sadchikov NA. Way of production of a composite lens panel for kontsentratorny photo-electric transformers on the basis of nanoheterostructures [in Russian]. The Russian Federation patent 2422860 C1, published 27.06.2011.

[14] Cremers CJ, Birkebak RC. Application of the Abel integral equation to spectroscopic data. Appl Opt 1966; 5(6): 1057-1064.

[15] Zhdanov AI, Sidorov YV. Parallel implementation of a randomized regularized Kaczmarz's algorithm. Computer Optics 2015; 39(4): 536-541. DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-4-536-541.

Как сделать диагностику плазменного двигателя

Аннотация научной статьи по медицинским технологиям, автор научной работы — Филонин О. В., Щелоков Е. А.

Похожие темы научных работ по медицинским технологиям , автор научной работы — Филонин О. В., Щелоков Е. А.

WORKING OUT AND RESEARCH OF SPECTRAL-TOMOGRAPHIC SYSTEM FOR DIAGNOSIS PARAMETERS OF A HYDROGEN PLASMA OF PLASMA ENGINES

Текст научной работы на тему «Разработка и исследование спектрально-томографической системы анализа параметров водородной плазмы в плазменных двигателях»

Измеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя

Кому он нужен, этот геликонный двигатель

Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы

Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России

The road ahead или планы на будущее

Как сделать диагностику плазменного двигателя

Как сделать диагностику плазменного двигателя

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Диагностика мотора своими силами: 4 полезных прибора

Сканеры, работающие со смартфоном или компьютером

Автосканеры

Маршрутные компьютеры

Активные датчики зажигания

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Филонин Олег Васильевич

Methods and means of narrow-angle tomography diagnostics of flow parameters in ion and plasma rocket engines for spacecraft

Текст научной работы на тему «Методы и средства малоракурсной томографической диагностики параметров потоков ионных и плазменных двигателей КЛА»

Добавить комментарий Отменить ответ