CC BY
10
УДК 629.7.063.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-156-160
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СУРТ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
А.С. Ковалев, А.С. Ковалев
В данной статье рассмотрена актуальная задача повышения эффективности работы жидкостных двигателей перспективных ракет-носителей на основе системы управления расходом топлива. Построена математическая модель функционирования СУРТ, которая может быть использована в совокупности с нейросетями, предназначенными для оптимизации работы систем управления расходом топлива.
Ключевые слова: модель, ракета-носитель, система управления, расход топлива, ЖРД, горючее, окислитель.
Основными направлениями улучшения энергетических характеристик жидкостных ракет-носителей (РН) являются совершенствование химического состава топлива, модернизация двигателей и минимизация веса конструкции РН. Другое направление повышения энергетических характеристик РН с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) связано с возможностью управления процессом расходования компонентов топлива с целью уменьшения остатков топлива к моменту выключения двигателя [1].
Для компенсации погрешностей заправки баков топливом и настройки расходов компонентов через ЖРД приходится резервировать гарантийные запасы топлива, изымая их из рабочих. Гарантийный запас топлива нужен для того, чтобы при действии максимально возможных возмущений не произошло выгорание одного из компонентов топлива до момента подачи команды на выключение двигательной установки (ДУ).
Вес гарантийного запаса может достигать 5-10 % веса номинальной заправки. Часть гарантийного запаса используется на парирование влияния возмущающих воздействий, а часть остается в баках РН неиспользованной. За счет этой части увеличивается конечная масса РН и снижается масса выводимого на орбиту полезного груза. Действительно, без учета влияния силы тяжести и сопротивления атмосферы величина скорости, которая достигается РН в момент окончания полета^ при заданных конструктивных параметрах, определяется формулой Циолковского (1):
У{гк) = дРуд1п-^ (1)
где g - ускорение силы тяжести; Руд - удельная тяга ДУ; G0 - начальный или стартовый вес РН; вес РН в момент выключения ДУ.
Из формулы (1) следует, что при заданных значениях удельной тяги, стартового веса и конечной скорости можно получить строго определенный конечный вес G(tk). Величина G(tk) складывается из веса конструкции и веса неиспользованной части топлива (гарантийного запаса). Увеличение веса неизбежно приводит к уменьшению веса конструкции за счет уменьшения веса полезного груза.
Величину гарантийных запасов топлива можно оценить по приближенной формуле (2): Сгар = КгАУ + К2АРуД + К3АС0 + К3АС + К4А1к,(2) где А7- максимальное отклонение скорости РН от расчетного значения, обусловленное отличием параметров реальной атмосферы от параметров стандартной атмосферы, а также погрешностями формирования и выдачи команды на выключение двигателей РН; АРуд- максимальное отклонение удельной тяги от номинального значения; АС0 - максимальное превышение стартового веса (по отношению к номинальному) из-за неточности заправки; АС - максимальное отклонение весового секундного расхода топлива от номинального значения; АЬк - максимальное рассогласование между временами полного опорожнения баков окислителя (О) и горючего (Г) в момент выключения ДУ; К^ - коэффициенты влияния, ]= 1, 2, 3, 4, 5.
Более точная оценка величины гарантийных запасов топлива осуществляется методом статистических испытаний.
Уменьшение последней составляющей гарантийных запасов топлива достигается за счет управления процессом расходования компонентов с помощью специальных систем, которые называются системами управления расходованием топлива [2]. На первых баллистических ракетах и РН такие системы назывались системами опорожнения баков (СОБ). На РН пакетной компоновки аналогичная система называлась системой опорожнения баков и синхронизации (СОБИС).
Система управления расходованием топлива (СУРТ). Онапредназначенадля обеспечения одновременного израсходования окислителя и горючего из баков ступеней РН к заданному моменту времени выключения двигательной установки [3].
При тандемной компоновке РН синхронизация опорожнения баков достигается путем управления соотношением расхода компонентов. Для РН пакетной компоновки требуется дополнительное управление межблочная синхронизация опорожнения баков путем изменения суммарных расходов ком-
понентов топлива в различных блоках. Соотношение расходов компонентов топлива можно характеризовать коэффициентом соотношения массовых расходов, который определяется выражением
(3)
Кт=^ , (3)
где т0 — массовый секундный расход окислителя; тг — массовый секундный расход горючего.
Для получения максимальной удельной тяги подбирается оптимальное значение этого коэффициента.
На рис. 1 изображена зависимость удельной тяги ЖРД от изменения Кт, где ^номинальное значение коэффициента Д Кт— допустимый диапазон его изменения.
Приведенная зависимость поясняет существование такого диапазона, обеспечивающего одновременное израсходование компонентов топлива при незначительном снижении удельной тяги двигателя.
В качестве измерительных устройств СУРТ обычно используются дискретные датчики уровней окислителя и горючего, которые устанавливаются в соответствующих топливных баках. Такие СУРТ принято называть уровнемерными.
Наряду с уровнемерными возможно применение расходомерных СУРТ, в которых в качестве чувствительных элементов используются датчики скорости расхода. Однако расходомерные СУРТ в чистом виде (без уровнемерной) в ракетно-космической технике не применяются.
Структурная схема уровнемерной СУРТ приведена на рис.2, где приняты следующие обозначения: ДУО — датчик уровня окислителя; ДУГ — датчик уровня горючего; УП — усилитель-преобразователь; БЦВМ — бортовая цифровая вычислительная машина; ПД — привод дросселя; Др — дроссель, изменяющий расход одного из компонентов; ДОС — датчик обратной связи; THA — турбона-сосный агрегат; KC — камера сгорания двигательной установки.
Вследствие низкой точности непрерывных датчиков уровней (порядка 0,3— 0,5 %) используются дискретные датчики, которые измеряют уровни жидкостей в баках с более высокой точностью (до 0,05%). Чувствительные элементы, размещенные на определенных, заранее рассчитанных уровнях, образуют так называемые измерительные точки. Расстановкой чувствительных элементов датчиков на определенных уровнях косвенно задают номинальную программу изменения объемов компонентов топлива в баках в процессе полета. В баках О и Г обычно используются однотипные датчики уровней с одинаковым количеством измерительных точек.
При прохождении уровнем жидкости измерительной точки скачком изменяются электрические параметры чувствительного элемента датчика (например, диэлектрическая или магнитная проницаемость), и на выходе датчика появляется электрический сигнал в виде импульса. При номинальном процессе расходования компонентов топлива в обоих баках одноименные уровни окислителя и горючего фиксируются датчиками одновременно.
Если процесс расходования компонентов топлива отличается от номинального, то при прохождении I-го уровня появляется рассогласование Д^, между моментами выдачи сигналов датчиком уровня окислителя ¿0.и горючего Сг.. На рис.3 в качестве примера изображены импульсы, формируемые на основе сигналов с датчиков уровней окислителя (О) и горючего (Г), и показано, как определяется рассогласование Д^.
Управляющий сигнал 1упр, поступающий на привод дросселя, формируется БЦВМ (или другими вычислительными устройствами) при наличии информации о рассогласованиях и Д^, полученной после прохождения зеркалом жидкости двух соседних уровней.
Исполнительным устройством СУРТ является привод дросселя, который поворачивает дроссель, устанавливаемый в одной из топливных магистралей. При повороте выходного вала изменяется проходное сечение дросселя и, следовательно, соотношение расходов компонентов топлива^. Датчик обратной связи по углу поворота вала формирует сигнал иос, обеспечивая следящие свойства привода и, следовательно, возможность удержания отклонения дросселя в требуемом положении на интервале времени между обновлением управления.
Рис. 2. Структурная схема уровнемерной СУРТ
! Л/, ц-^ч
I)
Д/,
Лис. 3. Импульсы, формируемые датчиками уровней окислителя (О) и горючего (Г)
В СУРТ последнего поколения регулируются расходы и горючего, и окислителя, а также используются приводы с цифровым управлением.
С учетом рассмотренной выше структуры СУРТ в качестве исходной информации об управляемом объекте (процессе расходования топлива) принимаются величины рассогласования Д^, получаемые после прохождения зеркалом жидкости I-го уровня в баках окислителя и горючего.Обозначим через N количество измерительных точек[4]. В моменты прохождения измерительных точек фиксируются дискретные значенияДt1,Дt2,..,Д ^которые можно использовать для построения управления. Если в момент окончания одного из компонентов для полной выработки второго требуется времяД^, то эта величина может служить показателем точности СУРТ. Целью управления процессом расходования топлива является минимизация величины Д^(до величины 0,3-0,5 с). В качестве одной из стратегий управления может быть рассмотрена следующая тривиальная стратегия. До прохождения последней измерительной точки можно не формировать управляющего воздействия. При этом накапливаемую информацию ДС1;ДС2,...,ДС1 можно использовать для построения математической модели процесса расходования топлива.
После прохождения последней измерительной точки можно сформировать терминальное управление, обеспечивающее перевод объекта (процесса расходования топлива) из текущего состояния в требуемое конечное, при котором ДЬК будет равно нулю. Недостаток тривиальной стратегии очевиден: оставшегося времени реализации управления может не хватить для устранения прогнозируемого промаха ДЬК. Следовательно, целесообразно как можно раньше начинать прогнозирование величины конечного промаха Д^, формирование и реализацию управления, направленного на минимизацию конечного промаха Д^. Однако прогнозирование ДЬК после прохождения первой измерительной точки (по величине Д^) невозможно. Для самого простого, линейного прогноза необходимо иметь два значения Д^и Д£2. По этим значениям можно осуществить линейный прогноз ДЬК и сформировать первое управляющее воздействие, направленное на минимизацию ДЬК.
После прохождения третьей измерительной точки для прогноза можно использовать квадратичную функцию. Далее (по мере накопления измерительной информации) можно совершенствовать модель, используемую для прогнозирования конечного промаха и формирования управления. Однако, как и во всех системах терминального управления, высокая конечная точность может быть достигнута при упрощенных моделях, используемых для прогноза и формирования управляющего воздействия. На рис.4 демонстрируется прогнозирование промаха Д^., по двум рассогласованиям Д^_хи Д^. Геометрически задача сводится к построению прямой, проходящей через две точки 1 и 2. Далее необходимо определить ординату точки 3, расположенную на этой прямой при заданной абсциссе Отрезок 2 — Ьк демонстрирует желаемый процесс изменения рассогласования в расходовании компонентов топлива после реализации управляющего воздействия.
Алгоритм формирования управляющего воздействия СУРТс линейной моделью прогнозирования конечного промаха предусматривает следующую последовательность действий.
1. При прохождении зеркалом жидкости в баках окислителя и горючего двух соседних уровней определяются значения Д^.
2. Рассчитывается оценка производной Д^ по формуле:
Д^ « ^ДЧ (4)
11
где Т1 = 11-11_1.
3. Осуществляется линейный прогноз величины конечного промаха из выражения:
дгк. = ди + ди(гк-и). (5)
4. Рассчитывается управляющее воздействие — требуемое изменение угла поворота вала привода дросселя из выражения
дёлр.=Кпр-Д^к^-. (6)
Рис. 4. Прогнозирование промаха ДЬК1 по двум измерениям
В соответствии с формулой (5) изменение угла поворота вала привода дросселя Д8Др1 пропорционально прогнозируемому промаху ДЬК и обратно пропорционально времени, оставшемуся до выключения двигателя {рк — ti). Коэффициент передачи привода Кпр выбирается с учетом индивидуальных характеристик двигательной установки при математическом и натурном моделировании процессов расходования топлива.
Подставляя в соотношение (5) выражение для производной (4) и в формулу (6) преобразованное выражение (5), получаем выражение (8):
Д£,+-
Д5ДР1 ~Кпр ■
А. = ±>в.=Шк-
1 V 1 ^к-ч
■ (7)
После алгебраических преобразований выражения (6) получаем удобное для вычислений и наиболее распространенное на практике выражение, определяющее требуемый угол поворота вала привода дросселя (8):
Д8Лр1 = КпрА1{ВгД11-Д11_1У; (8)
где
(9)
Здесь А^, В^ — коэффициенты, которые могут быть рассчитаны до пуска РН и записаны в память БЦВМ.
Управляющий сигнал 1упр1 для привода дросселя, формируемый с помощью БЦВМ, рассчитывается по формуле (10):
¡упр1=А[{ВгД11-Д11_1) (10)
Выражения (8) и (10) называют законом управления СУРТ.
Из выражения (8) видно, что если измерительные точки следуют через равные промежутки времени Т\, то коэффициент А^будет иметь постоянное значение. Коэффициент,^ при таком размещении измерительных точек возрастает по мере выгорания топлива. В СУРТ первых поколений использовались постоянные или однократно коммутируемые в процессе полета значения коэффициентов А^В^. Современные БЦВМ позволяют хранить в памяти требуемое количество значений коэффициентов для реализации закона управления при наилучшем (с точки зрения точности) размещении измерительных точек.
Современные СУРТ реализуют также алгоритмы, позволяющие с высокой точностью прогнозировать моменты окончания компонентов топлива (ОКТ). По результатам прогноза момента ОКТ происходит выключение ДУ, если момент ОКТ предшествует моменту выдачи соответствующей команды от системы наведения.
Построенную математическую модель целесообразно использовать в совокупности с нейросе-тями, предназначенными для оптимизации работы систем управления расходом топлива.
Список литературы
1. Челомей В.Н. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. М.: Машиностроение,1978. 296 с.
159
2. Петров Б. Н. и др. Бортовые терминальные системы управления. М.: Машиностроение, 1983.
200 с.
3. Андриенко А.Я. Вопросы теории и практики создания бортовых терминальных систем жидкостных ракет-носителей // Автоматика и телемеханика. № 3. 2013. С. 103- 119.
4. Андриенко А.Я., Иванов В.П. Совершенствование энергетических характеристик жидкостных ракет средствами автоматического управления. Ч.1. Физико-технические основы управления расходованием жидкого топлива ракет // Проблемы управления. 2009. № 1. С. 66-71.
Ковалев Алексей Сергеевич, бакалавр, старший оператор, era1@mil.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Ковалев Александр Сергеевич, специалист, старший оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ
«ЭРА»
MATHEMATICAL MODEL OF SURTFUNCTIONING FOR ADVANCED LA UNCH VEHICLES
A.S. Kovalev, A.S. Kovalev
This article considers the urgent task of improving the efficiency of liquid-propellant engines ofpromising launch vehicles based on a fuel consumption control system. A mathematical model of the functioning of the SURT has been constructed, which can be used in conjunction with neural networks designed to optimize the operation of fuel consumption control systems.
Key words: model, launch vehicle, control system, fuel consumption, LRE, fuel, oxidizer.
Kovalev Aleksey Sergeevich, backelor, senior operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT
«ERA»,
Kovalev Aleksandr Sergeevich, specialist, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 004.81
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-160-168
О ПОДХОДЕ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ СЮЖЕТНО СВЯЗАННОГО ТЕКСТА
А.В. Козловский, Я.Э. Мельник, В.И. Волощук
Рассмотрены проблемы, связанные с современными способами генерации текста, поставлена задача по генерации интерактивного сюжетно связанного текста. Рассмотрены аналоги, в которых выявлены достоинства и недостатки. Предложен подход для генерации текста, в рамках которого-определены входные и выходные данные. Выбрана графовая модель в качестве основы для семантического преобразования текста. Кроме того, выявлена возможность добавления векторов в основную модель для учёта аспекта времени и других дополнительных характеристик, необходимых для полноценного разбора как отдельного предложения, так и всего сюжетного блока. Построен общий алгоритм работы системы. Определенынаправления для дальнейших исследований.
Ключевые слова: генерация текста, нейронные сети, граф, вектор.
Введение. Написание историй, построение сюжета и создание литературных произведений искусства - этот вид деятельности долгое время относили к таким, которые нельзя автоматизировать. Однако со временем вычислительные мощности увеличились, появились новые методики и подходы к обработке информации, в частности, основанные на подражании живым организмам (например, нейронные сети), в результате чего возник вопрос: сможет ли компьютер написать книгу. И ответ на этот вопрос уже есть. Существует несколько разных решений для автоматической генерации текстов, и даже полноценных стихотворений и книг. Так, одна из работ, написанная ИИ (искусственный интеллект) японских разработчиков, прошла в финал литературного конкурса имени ХосиСинъити. Существует даже пример того, как с помощью такой программы человек зарабатывает деньги, публикуя результаты её работы под своим авторством. Помимо этого, в Чикагском Северо-западном университете за 10 лет была разработана программа для написания отчётов по бейсбольным матчам, и при сравнении отчётов по одному матчу она показала себя лучше, нежели настоящий спортивный журналист.
