3 Эксперимент, практическая направленность эксперимента

Эксперимент – это метод научного познания, при котором объект или явления исследуется в определенных, заранее оговоренный (или заданных) условиях.

Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент – наиболее эффективное и действенное средство познания.

Для эксперимента сегодняшнего дня характерны три особенности:

- возрастание роли теоретической базы эксперимента. Во многих случаях эксперименту предшествует теоретическая работа, концентрирующая громадный труд большого числа теоретиков и экспериментаторов;

- сложность технического оснащения эксперимента. Техника эксперимента, как правило, насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, прецизионными механическими устройствами, высокочувствительными приборами, высокоточными преобразователями и т. п. Большинство экспериментальных установок представляет собой полностью замкнутую систему автоматического регулирования, в которой технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с вполне определенной точностью, регистрируют промежуточные экспериментальные результаты и производят последовательную их обработку;

- масштабность эксперимента. Некоторые экспериментальные установки напоминают сложные объекты крупных масштабов. Строительство и эксплуатация таких объектов стоят больших финансовых затрат. Кроме того, экспериментальные объекты могут оказать активные воздействие на окружающую среду.

Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый объект и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения, эксперимент – разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального естественно-научного исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные свойства и явления природы.

Отличаясь от простого наблюдения активным воздействием на изучаемый объект, в большинстве случаев эксперимент осуществляется на основе той или иной теории, определяющей постановку экспериментальной задачи и интерпретацию результатов. Нередко основная задача эксперимента – проверка гипотез и предсказаний теории, имеющих фундаментальное, прикладное и принципиальное значение. Являясь критерием естественно-научной истины, эксперимент представляет собой основу научного познания действительности.

Эксперимент, как и наблюдение, относится к эмпирическим формам естественно-научного познания. Однако между ними есть существенные различия: эксперимент – преобразующая внешний мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В процессе эксперимента при активном вмешательстве в исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях.

В процессе естественно-научного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию как исследуемого объекта, так и различных управляемых условий, в которых находится объект. Для этого создаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т.п. С их помощью создаются сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование исследуемого объекта – единственное средство реализации эксперимента.

Многие экспериментальные исследования направлены не только на обоснование естественно-научной истины, но и на отработку технологий изготовления новых видов разнообразной высококачественной продукции. Именно в этом наиболее сильно проявляется практическая направленность эксперимента как прямого пути совершенствования любого технологического цикла.

Экспериментальные средства по своей сути не однородны: их можно разделить на три основные отличающиеся функциональным назначением системы:

- содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;

- обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;

- сложную приборную измерительную систему.

В зависимости от экспериментальной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при проведении экспериментов с веществом, не встречающимся в природе при обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств играют важную роль.

Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее стоит вопрос чистоты эксперимента и достоверности полученных результатов. Можно назвать четыре пути решения данного вопроса:

- многократное повторение измерений;

- совершенствование технических систем и приборов; повышение их точности, чувствительности и разрешающей способности;

- более строгий учет основных и не основных факторов, влияющих на исследуемый объект;

- предварительное планирование эксперимента, позволяющее наиболее полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности приборного обеспечения.

Чем чище поставлен эксперимент, чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и чем чувствительнее приборы, тем точнее экспериментальные результаты и тем ближе они соответствуют естественно-научной истинен.

В любом естественно-научном эксперименте можно видеть три основных этапа:

- подготовительный;

- получение экспериментальных данных;

- отработка результатов эксперимента и их анализ.

Подготовительный этап обычно включает теоретическую проработку проведения эксперимента, его планирование, подготовку исследуемого объекта, конструирование и создание технической базы, включающей приборное обеспечение. На хорошо подготовленной экспериментальной базе полученные данные, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его либо с соответствующим теоретическим значением, либо с экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности полученных результатов.

Введение

Актуальность темы. Процессы горения, встречающиеся в природе и в технике, весьма многообразны. Они широко используются в различных сферах: в двигателях внутреннего сгорания, ракетных двигателях, на тепловых электростанциях, в военном деле. Методы экспериментального исследования процессов горения создавались в неразрывной связи с развитием теории горения. На различных стадиях развития представлений об этих процессах соотношение между теорией и экспериментом менялось, однако всегда ощущался недостаток экспериментальных данных.

Поэтому создание и развитие методов контроля и оптимизации процессов

горения является одной из актуальных задач научных и прикладных исследований. Наибольшее распространение в практике нашли оптические методы контроля, отвечающие необходимости изучения быстропротекающих процессов горения. К таковым следует отнести фотографические методы в разных вариантах (скоростная и сверхскоростная фотография), теневые, интерференционные, спектроскопические и методы измерения температуры пламени или скорости потока газа, возникающего при горении.

К числу наиболее информативных оптических методов контроля относятся спектроскопические, где прибором контроля является спектрометр, который исследует электромагнитное излучение как сигнал, несущий спектроскопическую информацию об объекте, т.е. о процессе горения. Основные преимущества спектроскопических методов состоят в следующем:

- не вносят возмущений в исследуемую среду и не вызывают изменения ее

физических и химических свойств;

- обладают большой чувствительностью;

- позволяют осуществлять контроль в реальном времени;

- применимы для исследования нестационарных, быстропротекающих

явлений (таких, как горение, детонация, распространение ударных волн и

т.д.), так как они не обладают малой инерционностью;

- зачастую являются единственно возможными, например, при изучении

весьма удаленных или труднодоступных объектов;

- обладают высокой информативностью. По получаемой спектроскопической информации можно судить о наличии соответствующего химического элемента, о кинетической температуре излучающего газа (доплеровское уширение контура линии), о плотности возмущающих частиц (уширение из-за эффекта давления), концентрации заряженных частиц (штарковское уширение) и о концентрации излучающих частиц по интенсивности обнаруженной линии.

Большая роль спектроскопических методов при решении задач контроля процессов горения требует дальнейшего совершенствования известных и разработки новых методов анализа спектра оптических сигналов, создания широкой номенклатуры спектральных приборов оптического диапазона, а также дальнейшей разработки теории спектральных измерений.

Существующие технические средства оптической спектроскопии, п строенные по традиционному принципу, выполняют контактный анализ, при котором излучение непосредственно падает на вход спектрального прибора, и они не способны решать задачи контроля таких процессов горения, где непосредственный контакт прибора контроля с полем излучения пламени невозможен, либо нежелателен. Отсюда возникает острая потребность в приборах, позволяющих выполнять контроль процессов горения на основе бесконтактного анализа спектра оптического излучения, исключая непосредственный контакт прибора с полем излучения источника(очага горения). При бесконтактном анализе оптический сигнал падает не на вход прибора, а сначала передается на безопасное для него расстояние от очага горения, например, с помощью оптического волокна. В настоящее

время существуют спектральные приборы, в которых для передачи анализируемого оптического сигнала используется одномодовые или многомодовые оптические волокна. Однако в этом случае возникает ряд трудностей, при использовании многомодового волокна происходит искажение волнового фронта анализируемого излучения за счет многомодового распространения излучения в волокне, что приводит к ухудшению разрешающей способности прибора и существенным погрешностям спектральных измерений . При использовании одномодовых волокон возникают серьезные трудности с вводом оптического излучения в волокно, в результате чего снижается светосила линии передачи, а, следовательно, и ухудшается чувствительность прибора. Отсюда вытекает актуальность создания спектрометров с улучшенной чувствительностью, при сохранении или даже улучшении разрешающей способности прибора.

В научно-исследовательской работе для решения задач контроля процессов

горения разработан метод бесконтактного анализа оптических спектров, основанный на явлении резонанса в n параллельных каналах, и его техническая реализация в форме многоканального спектрометра. В разработанном приборе спектральное разложение осуществляется набором оптических резонаторов (узкополосных интерференционных оптических фильтров), настроенных на определенную частоту (длину волны). Для передачи излучений на вход спектрометра используется волоконно- оптический жгут. Этот метод позволяет повысить чувствительность прибора контроля, без ухудшения его разрешающей способности.

Многоканальный резонаторный спектрометр оптического диапазона принципиально отличается от известных оптических спектральных приборов, и, следовательно, требует специального теоретического описания, выполненного на основе математического аппарата, который в спектрометрии раньше не применялся.

Разработка и исследование предлагаемого в данной научно-исследовательской работе резонансного метода бесконтактного параллельного анализа оптических спектров и прибора контроля, реализующего этот метод, лежит в русле дальнейшего развития и совершенствования теории и практики

оптической спектрометрии применительно к задачам контроля процессов горения, а также задачам контроля окружающей среды, различных веществ и

материалов, что подчеркивает актуальность, проводимых в работе исследований.

Цель и задачи работы

Целью научно-исследовательской работы является исследование состояния ЖРД по спектру излучения факела.

В данной работе объектом исследования являются процессы горения, например, в двигателях внутреннего сгорания, ракетных двигателях, а предметом исследования – оптические излучения, содержащие спектроскопическую информацию об этих процессах.

4 Работа над темой: Исследование состояния ЖРД по спектру излучения

4.1 Спектральные измерения в оптическом диапазоне для решения

задач контроля процессов горения

1. Оптические методы контроля процессов горения

Среди методов контроля процессов горения, как отмечалось выше, наибольшее распространение в практике нашли оптические методы контроля, отвечающие необходимости изучения быстропротекающих процессов горения. К таковым следует отнести фотографические методы в разных вариантах (скоростная и сверхскоростная фотография), теневые, интерференционные, спектроскопические методы и методы измерения температуры пламени.

4.1.1.1 Фотографические методы

Фотографический метод исследования находит широкое применение почти во всех областях науки и техники. Фотография является неизменным средством наблюдения, регистрации и измерения, во многих случаях позволяющим добиться таких результатов, которые не могут быть получены никаким другим способом. Скоростная и сверхскоростная фоторегистрация позволяют наблюдать такие явления и процессы, которые человеческому глазу принципиально недоступны. К преимуществам скоростной фоторегистрации следует отнести возможность изменения масштаба времени, т.е. необходимого ускорения течения кинемотографического изображения медленных и замедления быстрых процессов, возможность регистрации отдельных фаз чрезвычайно кратковременных и быстрых явлений, возможность одновременной одинаково точной фиксации огромного числа объектов и их элементов.

В настоящее время существует огромное количество устройств для контроля процессов горения фотографическим методом, но наилучшим приборами, получившими общее признание, являются телевизионные камеры (скоростные, высокоскоростные). С их помощью можно увидеть процессы, недоступные визуальному наблюдению. Обладая высоким временным расширением (1мкс), камера позволяет следить не только за высокоскоростными турбулентными факелами, но и за взрывными процессами, а также за другими нестационарными проявлениями волны горения. Кинокамеру можно использовать для изменения распределения

скорости потоков за фронтом горения по следу светящихся частиц.

Но, несмотря на свои достоинства, фотографический метод имеет и недостатки. Во-первых, последующая обработка полученной информации требует некоторого времени, что не позволяет проводить контроль процессов горения в реальном времени. Во-вторых, этот метод не обладает высокой информативностью, по полученным результатам нельзя судить о наличии того или иного химического элемента, о его концентрации и т.п.