Экспериментально-теоретическое определение параметров быстродействия системы аварийной защиты жидкостного ракетного двигателя по электромагнитным свойствам продуктов сгорания

Ягодников Дмитрий Алексеевич; Рудинский Александр Викторович

УДК 629.76.05

Экспериментально-теоретическое определение параметров быстродействия системы аварийной защиты жидкостного ракетного двигателя по электромагнитным свойствам продуктов сгорания

Разработана структурная схема средства аварийной защиты (САЗ) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) на основе регистрации амплитуды напряженности магнитного поля, обладающего большим быстродействием (0,01 с) по сравнению с традиционными средствами (0,04... 0,05 с). Выполнено моделирование системы камера ЖРД — первичный измерительный преобразователь магнитного поля высокотемпературного потока продуктов сгорания углеводородного топлива, определено время инерционности (время быстродействия) при скачкообразном изменении давления в камере сгорания (КС) и диаметра критического сечения сопла. В результате параметрического анализа установлено, что на конечное быстродействие такой системы главным образом влияет объем КС диагностируемого двигателя, конструктивные особенности измерительного преобразователя и параметры колебательного контура. Временны особенности переходного процесса предлагаемой САЗ позволяют рекомендовать электрофизические характеристики как источник информации о работоспособности ЖРД.

Ключевые слова: магнитное поле, система аварийной защиты.

Основными показателями работы активных САЗ ЖРД, как известно, являются быстродействие, надежность и массогабаритные характеристики. Поскольку в составе системы контроля имеются первичные измерительные преобразователи параметров, усилительные и решающие устройства, то ошибки в работе могут быть следствием неправильного выбора параметров контроля и недостаточного быстродействия системы [1]. В этом случае система контроля не определяет состояние объекта. Для своевременного обнаружения аномальных явлений в работе ЖРД при стендовых испытаниях и в полете, как показывает практика, необходимо, чтобы работающая САЗ имела временные характеристики срабатывания, меньшие времени пребывания в КС (0,004 с) или близкие к нему.

Применение такой системы в составе двигателя в условиях огневых стендовых испытаний позволит сохранить материальную часть стендового оборудования и двигателя для последующего выявления дефектов, а в полете — для анализа причин отказа и невыполнения заданной программы.

Причиной зарождения дефектов в конструкции двигателя может стать, например, прогар элементов проточного тракта, который сопровождается уменьшением давления в КС. Целью настоящей работы было определение времени быстродействия САЗ по амплитуде напряженности магнитного поля, т. е. времени формирования сигнала на первичном измерительном преобразователе магнитного поля при изменении давления в КС по заданному закону.

В качестве примера рассмотрена САЗ на основе контроля изменения напряженности магнитного поля продуктов сгорания (ПС) (рис. 1). Основными ее элементами являются диагностируемая камера 1 двигателя на углеводородном топливе, измерительный преобразователь 2 магнитного поля, осуществляющий измерение напряженности магнитного поля и передачу данных в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3. По результатам сопоставления допустимых значений амплитуды напряженности с полученными данными в блоке сравнения 4 возможна выдача команды на останов двигателя либо на дальнейшую его работу с регулированием расхода компонентов и сравнением в блоке 6 параметров двигателя с заданными режимными параметрами (давление в КС, соотношение компонентов и др.).

Первичный измерительный преобразователь магнитного поля представляет собой катушку индуктивности, параметры которой подобраны для измерения быстроменяющихся магнитных полей ПС.

Рис. 1. Функциональная схема САЗ модельного двигателя по изменению

напряженности магнитного поля: 1 — камера двигателя; 2 — измерительный преобразователь магнитного поля; 3 — блок АЦП; 4 — блок сравнения; 5 — регулятор расхода компонентов; 6 — сумматор параметров; 7 — заданные параметры работы двигателя

Для корректного описания динамического процесса возникновения сигнала в измерительном преобразователе магнитного поля в результате изменения давления в камере двигателя была составлена структурная схема двигатель — измерительный преобразователь магнитного поля в программе «МВТУ 3.7» [2] (рис. 2). Схема включала в себя задающее воздействие 1, которое описывалось ступенчатым законом изменения давления в камере, передаточную функцию камеры двигателя 2 и измерительного преобразователя магнитного поля 3, временные графики 4, описывающие переходные процессы в звеньях системы.

Рис. 2. Структурные схемы камеры двигателя (а), измерительного преобразователя магнитного поля (б), системы камера двигателя — измерительный преобразователь магнитного поля (в)

Для описания динамического процесса изменения давления в КС составлялся баланс массы [3]:

Укс dpк (т) . Якр

ад Л =тПС "7« Рк (т)- (1)

где УКС — объем КС; — газовая постоянная ПС; Тк — температура в КС; рк — давление в КС; тПС — массовый приход ПС из зоны горения; ^кр — площадь критического сечения;

ау = 4У

г 2 л(т+1)/[2(У-1)]

у+1

у — показатель процесса расширения.

у

Динамический процесс изменения электрического напряжения в измерительном преобразователе магнитного поля определяется соотношением [4]

и (т) = -Цк Ц о й ^^, (2)

й т

где До — магнитная постоянная; — эффективная магнитная проницаемость сердечника преобразователя; £к — суммарная площадь витков катушки преобразователя; Н — напряженность собственного магнитного поля ПС.

Для анализа динамических процессов и сокращения времени расчета уравнения (1) и (2) записывали в операторной форме в виде передаточных функций для камеры двигателя и измерительного преобразователя:

Wкc (^ = (3)

Ткс s +1

Щ ^) =_К£:пмп!__(4)

Щпмп ^) 2 s 2 + 21Т +1' (4)

1 пмп^ ~ ^Ъ1 пмп^ ~ 1

ту "»ПС гр /'КС КС 11

где КусКС = ■ ,.-, Ткс = I---коэффициент усиле-

АуГкрРк л/^кТс • «ПС

фЯТк • «пс т РксУкс

— — коэффициен

[С

п£кЦкЯ

ния и постоянная времени камеры двигателя; К успмп =-,

Я + г

¡ЬСЯ Е Ь + гСЯ Тпмп =.-, с = —, — — коэффициент усиления, посто-

\Я + г 2^1 ЬСЯ( Я + г ) янная времени преобразователя магнитного поля и параметр цепи; п — число витков; Ь — индуктивность; г — активное сопротивление катушки; Я — сопротивление подводящего кабеля; С — емкость; s — дифференциальный оператор.

Для составления структурной схемы преобразователя в программе «МВТУ 3.7» передаточная функция 4 разбивалась на типовые звенья 3 (см. рис. 2).

Так как конструктивная особенность испытанного в работе [5] измерительного преобразователя не позволяла выполнить измерения параметров п, Ь, С, их подбирали согласно известным техническим характеристикам преобразователя магнитного поля:

Диапазон измерения магнитной индукции В......... 0,5.. .5,0 мкТл

Частотный диапазон /.............................................. 0,1.10,0 кГц

Выходной сигнал и.................................................. 0,1.1,0 В

В результате проведенного анализа определены переходные характеристики измерительного преобразователя магнитного поля (рис. 3, а, б) при соответствующих начальных и граничных условиях (см. таблицу).

По характеру переходных процессов измерительного преобразователя магнитного поля и камеры двигателя 2 (см. рис. 3, а) оценива-

ли время, по прошествии которого соответствующие процессы можно считать установившимися. Для КС т « 3ТКС = 0,019 с, для измерительного преобразователя т « 4Тпмп = 0,0051 с, для системы камера двигателя — измерительный преобразователь магнитного поля т « « 4ТКС-пмп = 0,02 с. Из приведенных оценочных данных следует, что измерительный преобразователь магнитного поля обладает слабой инерционностью, а конечное быстродействие всей системы зависит от переходного процесса в камере двигателя.

Таблица

Начальные и граничные условия

Начальные условия Граничные условия

Параметр Значение

Входное значение давления в КС: Укс 1,27-10-3 м3

Рк = 1(5), т. е. т = 0, Арк/рк = 0 Як 449,9 Дж/(кг К)

Тк 3 569 К

АРк/Рк к 1 кр 2,32-10^ м2

1 тпс 0,5 кг/с

Ь 5 мкТл

С 20 пФ

0 1 г 60 Ом

Я 200 Ом

п 20

Ц-к.эф 1

Рис. 3. Переходные характеристики измерительного преобразователя магнитного поля 1 и камеры двигателя 2 (а), системы камера двигателя — измерительный преобразователь магнитного поля (б)

В качестве примера в данной работе рассмотрена модельная камера ЖРД, компонентами топлива которой являются газообразный кислород и этиловый спирт (75 % по объему) [5]. Аварийную ситуа-

¿/кр, мм

О "I-т-т-т-т-,

6 8 10 Т, с

в

Рис. 4. Осциллограмма напряженности магнитного поля при уменьшении давления в КС в результате разгара критического сечения

цию моделировали разгаром критического сечения (рис. 4, а), что приводило к монотонному падению давления в КС (рис. 4, б) и соответственно амплитуды напряженности магнитного поля (рис. 4, в).

Описанный аварийный случай моделировали изменением входного воздействия в зависимости (1), где площадь критического сечения принимали как функцию, зависящую от времени:

Укс dpк (т) . Ау ^кр(т) р (т) (5)

- тппс--1- Рк (т). (5)

— /'|ПС I-

ЪТк й т Т^кТс

Начальные условия при идентичных граничных условиях (см. таблицу) определяли путем задания ступенчатого изменения площади критического сечения согласно зависимости

Го,25-10-3 м2, 0<т< 1; ^кр (т) = у 9 (6)

[0,57-10-3 м2, т > 1.

Изменение электрического напряжения в измерительном преобразователе магнитного поля определяли в соответствии с соотношением (2) с учетом экспериментальной зависимости амплитуды напряженности магнитного поля от давления: Н(рк)= 27,66рк - 25,86, где рк — в МПа; Н — в А/м. Дифференциальное уравнение (5) с начальным условием (6) решали с использованием стандартных вспомогательных функций в среде Ма&саё. На рис. 5 представлено

Рис. 5. Изменение давления (б) и электрического напряжения (в) в измерительном преобразователе магнитного поля при ступенчатом увеличении площади критического сечения двигателя (а)

изменение давления и электрического напряжения в измерительном преобразователе магнитного поля при ступенчатом увеличении площади критического сечения двигателя.

Из графиков на рис. 5 можно заключить, что ступенчатое увеличение площади критического сечения (рис. 5, а) вызывает монотонное падение давления в КС за время Ali = 0,0142 с (рис. 5, б). Длительность переходного процесса в измерительном преобразователе магнитного поля составляет Ат2 = 0,0176 с (рис. 5, в), что также свидетельствует о слабой инерционности последнего при мгновенном изменении площади критического сечения.

Таким образом, описанная система аварийной защиты на основе контроля напряженности магнитного поля обладает большим быстродействием по сравнению с традиционными средствами благодаря применению в качестве первичного источника информации измерительного преобразователя магнитного поля, обладающего слабой инерционностью, что, в свою очередь, уменьшает инерционность всей системы и повышает ее эффективность.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Волков Е.Б., Судаков Р.С., Сырицын Т. А. Основы теории надежности ракетных двигателей. Москва, Машиностроение, 1974, 400 с.

[2] Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Скворцов Л.М. и др. Инструкция пользователя программным комплексом «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ 3.7). Техн. отчет. Москва, 2005, 187 с.

[3] Волков Е.Б., Сырицын Т.А., Мазинг Г.Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок. Кн. II: Динамика. Москва, Машиностроение, 1978, 320 с.

[4] Панин В.В., Степанов Б.М. Практическая магнитометрия. Москва, Машиностроение , 1978, 112 с.

[5] Ягодников Д.А., Бобров А.Н., Филимонов Л.А. Экспериментально-теоретическое исследование и разработка электрофизических методов контроля и диагностики ЖРД. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2009, № 3, с. 67-78.

Статья поступила в редакцию 15.07.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:

Ягодников Д. А., Рудинский А.В. Экспериментально-теоретическое определение параметров быстродействия системы аварийной защиты жидкостного ракетного двигателя по электромагнитным свойствам продуктов сгорания. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 4.

URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/706.html

Ягодников Дмитрий Алексеевич — д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Ракетные двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана. e-mail: [email protected]

Рудинский Александр Викторович — аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана (кафедра «Ракетные двигатели»). e-mail: [email protected]

Experimental and theoretical characterization of the safety management system performance in a liquid rocket engine based on electromagnetic properties of combustion products