МИНИМИЗАЦИЯ ЗАТРАТ ТОПЛИВА НА НАДДУВ БАКОВ И ЗАХОЛАЖИВАНИЕ МАГИСТРАЛЕЙ В СИСТЕМЕ ПГСП ВОДОРОДНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С МНОГОРАЗОВЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ

Гневашев Аир Павлович; Гордеев Валентин Андреевич; Завадский Владимир Константинович; Иванов Владимир Петрович; Каблова Елена Борисовна; Кленовая Людмила Григорьевна

УДК 629.7.036.54-63

минимизация затрат топлива на наддув

баков и захолаживание магистралей в системе пгсп водородной двигательной установки с многоразовым включением

А.П. Гневашев, В.А. Гордеев, В.К. Завадский*, В.П. Иванов*, Е.Б. Каблова*,

Л.Г. Кленовая *

ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», КБ «Салют», 121087, Москва, Россия, тел.: (495) 142-50-30, факс: (495) 797-33-94; e-mail: [email protected];

*) Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва, Россия, 117997, тел.: (495) 334-87-60, факс: 495-334-88-71, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрена задача минимизации затрат топлива на наддув баков и захолаживание магистралей в пневмогидравлической системе подачи топлива (ПГСП) водородной двигательной установки разгонного блока (РБ) с многоразовым включением. Для решения задачи предлагается использовать принципы и методы терминального управления. Предложены базовые алгоритмы управления наддувом баков во время работы маршевого двигателя

(МД), захолаживанием расходных магистралей и обеспечением наддува баков (или набора давления в них) перед очередным запуском МД и дренажем в паузах между импульсами тяги МД. Разрабатываемые алгоритмы терминального управления должны обеспечивать экономию расхода наддува к моменту выключения маршевого двигателя в конце последнего импульса. В промежуточных включениях МД полученное конечное давление в баках должно обеспечивать минимальный прогрев и испарение компонентов топлива в последующих паузах. Предлагаемый терминальный алгоритм управления предназначен для минимизации затрат компонента топлива на захолаживание расходных магистралей и насосов перед очередным запуском МД в невесомости. В паузах между импульсами работы МД для исключения аварийных ситуаций необходимо контролировать температуру жидкого водорода в паузах между включениями и при необходимости уменьшать ее посредством управления интенсивностью дренажа, влияющего на скорость испарения, теплоотток и температуру жидкого водорода.

Решение данных задач позволит обеспечить повышенные требования к экономичности, точности и надежности работы системы ПГСП для перспективных РБ.

Иванов Владимир Петрович - к.т.н., ведущий научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.

Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.

Завадский Владимир Константинович - к.т.н., старший научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.

Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.

Каблова Елена Борисовна - научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.

Кленовая Людмила Григорьевна - научный сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.

Область научных интересов: теория систем управления, ракетно-космическая техника.

Гневашев Аир Павлович - ведущий конструктор отдела ДУ КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Область научных интересов: принципиальные решения по разработке и совершенствованию систем ПГС ДУ РН и РБ. Гордеев Валентин Андреевич - начальник сектора отдела ДУ КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Область научных интересов: разработка принципов оптимального управления системами и процессами ПГС ДУ РН и РБ.

В области ракетно-космической техники (РКТ) терминальное управление широко применяется для решения технических задач, формализуемых как краевые с несколькими условиями на правом конце траектории полета. В качестве примеров можно указать задачи управления выведением ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА), сближением и стыковкой

КА, синхронизации выработки компонентов топлива РН и разгонных блоков (РБ) и др.

Принципы управления, наиболее адекватные терминальным задачам, предусматривают прогнозирование будущего движения системы от текущего до терминального момента и формирование программы будущего управления. Программа управления обычно

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008

Рис. 1. Обобщенная структура управляющей части системы ПГСП с алгоритмом самонастройки на текущее состояние объекта управления, минимизации запасенного гелия и оптимизации давления наддува при условии гарантированного запуска МД после паузы в его работе

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

выбирается из некоторого заранее сформированного п--параметрического семейства функций из требований выполнения краевых условий. Вид функций, входящих в семейство, определяется из условия обеспечения экстремума некоторого интегрального критерия качества (учитывающего энергетические потери, быстродействие, безопасность и т.п.). Программа управления периодически корректируется с учетом накопления измерительной информации и уточнения характеристик объекта управления, чем обеспечивается требуемая высокая точность решения краевой задачи.

Как показал анализ основных операций, которые должны производиться с помощью пневмогидравли-ческой системы подачи топлива (ПГСП) в кислородно-водородную двигательную установку (ДУ) на активных участках полета и в паузах между включениями маршевого двигателя (МД), принципы терминального управления оказываются полезными при решении задач:

• наддува баков во время работы МД;

• захолаживания и обеспечения наддува перед очередным запуском МД;

• управления дренажем в паузах между импульсами работы МД.

Применение принципов терминального управления поможет обеспечить повышенные требования к экономичности, точности и надежности системы ПГСП для перспективных криогенных РБ.

Дополнительными предпосылками для использования достаточно сложных терминальных алгоритмов в задачах ПГСП является планируемое включение в контур управления системы бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ), а также переход на непрерывные (функциональные) измерители параметров состояния объекта управления и непрерывные исполнительные органы (непрерывные регуляторы) [1].

Предлагается использовать единую систему, построенную на принципах терминального управления, для решения всех задач ПГСП на РБ.

Упрощенная структурная схема управляющей части терминальной ПГСП для РБ приведена на рис. 1.

Дадим краткое описание принципов работы и базовых структур алгоритмов для решения следующих задач ПГСП.

1. Регулирование расхода наддува баков криогенного РБ

Разрабатываемый алгоритм должен обеспечивать экономию расхода наддува за счет минимального превышения давления на входе в двигатель над давлением насыщенных паров компонентов при его текущей температуре (Р^) к моменту выключения маршевого двигателя в конце последнего импульса. Для определения значений Ps предполагается непрерывно измерять и прогнозировать температуру жидкого компонента на входе в насос МД. В промежуточных включениях МД полученное конечное давление в баках должно обеспе-

чивать минимальный прогрев и испарение компонентов топлива в последующих паузах.

Как указывалось, одной из целей предлагаемого усовершенствованного алгоритма является экономия жидкого водорода, используемого для наддува бака горючего, и снижение потребных запасов гелия для наддува бака окислителя, и, следовательно, повышение энергетических характеристик РБ. Удельные затраты рабочего тела наддува на повышение давления в газовом объеме пропорциональны свободному объему бака над жидким компонентом. Поэтому затраты газа наддува в конце импульса тяги РБ, то есть в терминальный момент выключения МД, важно минимизировать, исходя из фактических потребностей обеспечения работоспособности насоса МД, определяемых давлением Р^, зависящим от температуры компонента Т на входе в насос.

Дадим описание основных принципов работы предлагаемого алгоритма решения задачи наддува баков, использующего принципы терминального управления.

Текущая измерительная информация о температуре топлива на входе в МД и давлении в свободном (газовом) объеме бака (и давлении в шаробаллонах при наддуве бака) передается в БЦВМ. В блоках фильтрации производится фильтрация ошибок измерения, и формируются оценки текущих значений давления Pj, температуры Т ■ и их дискретных производных APj, Ату (равных изменению параметров за такт управления т ).

По значениям Т^, ATj, а также информации от СУ о моменте окончания импульса тяги t§ в блоке формирования программы изменения давления прогнозируется значение температуры на момент выключения двигателя (например, в линейном приближении):

Тё = Ту +ЬТу ■ (^ - tj)/т .

В этом же блоке формируется минимальное требуемое значение Ртр к давления наддува в момент tё :

Ртр к = Р*(Тк)+ЬРз-Р^

Значение Ртр к вычисляется с учетом заданного из условий работоспособности МД превышения АРд над Ps(Tк) и статического давления столба жидкости Ph . Значение Ph можно спрогнозировать на момент tё по информации СУРТ о текущем запасе компонента.

Из хранящегося в памяти семейства программ изменения давления в блоке выбирается программа, удовлетворяющая краевым условиям Р-, Ртр к. Вид программ, входящих в семейство (в частности линейных), определяется из условия максимизации конечной (в момент tё ) температуры газа наддува в свободном объеме бака, а также из условий отсутствия дренажа и безопасности работы двигателя. Краевые условия программы управления периодически корректируются с учетом обновления используемой измерительной информации. Период коррекции может быть большим, чем период измерения и управления т. Информация о требуемых текущих значениях давления и его диск-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008

ретной производной Ртр j, АРтр j передается в блок вычисления управляющих воздействий с целью отработки сформированной программы.

В качестве перспективного исполнительного элемента системы ПГСП РБ предполагается использовать регулятор (дроссель), непрерывно изменяющий проходное сечение магистрали наддува и управляемый шаговым приводом. Такое исполнительное устройство потенциально позволяет достаточно точно отрабатывать требуемые программы изменения давления.

Специфической особенностью системы ПГСП является существенная переменность коэффициента эффективности исполнительного органа d (АР) / dф, где ф - угол поворота привода регулятора. Этот коэффициент обратно пропорционален свободному (газовому) объему бака и прямо пропорционален давлению в ша-робаллонах (ШБ). Указанные параметры изменяются в процессе полета РБ на порядок и более. Отмеченное обстоятельство может существенно ухудшить динамику отработки программной кривой. Для адаптации алгоритма управления к изменяющимся условиям предлагается в специальном блоке оценки коэффициента эффективности производить оценку текущего значения коэффициента эффективности исполнительного органа. Указанная оценка может быть получена путем прогноза на текущий момент и осреднения известных эффективностей предшествующих перекладок. Прогноз должен производиться с учетом измерений предшествующих и текущих значений газового объема в баке и давлений в ШБ. Сформированное значение коэффициента эффективности передается в блок вычисления управляющих воздействий.

В блоке вычисления

Аф j привода регулятора наддува. Вычисленная перекладка передается для отработки на исполнительный орган системы ПГСП.

По сравнению с существующими системами ПГСП предлагаемая система позволит уменьшить диапазон и колебательность процессов изменения давления наддува, что улучшает условия работы МД.

2. Регулирование процесса захолаживания расходных магистралей и насосов перед очередным запуском МД

Предлагаемый терминальный алгоритм управления предназначен для минимизации затрат компонента топлива на захолаживание расходных магистралей и насосов перед очередным запуском МД в невесомости. Для определения температуры захолаживаемых элементов МД и температуры компонента топлива предполагается использовать функциональные датчики температуры.

Для управления процессом захолаживания предполагается изменять расход компонента в захолаживаемые

управляющих воздействий по значениям Рр, АР- Р ■ АР ■ с учетом оценки эффективности исполнительного органа d (АР) / <я?ф в каждом такте управления формируется величина перекладки

Рис. 2. Укрупненная блок-схема алгоритма

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA» , 2008

полости МД. Изменение расхода может достигаться при помощи специального непрерывного регулятора (дросселя). Возможен также вариант импульсной подачи топлива с управлением скважностью импульсов, подаваемых на специальный ЭПК, перекрывающий расход в захолаживаемые полости. Укрупненная блок-схема алгоритма представлена на рис. 2. Текущая информация о температуре захолаживаемых элементов МД и температуре компонента передается в БЦВМ. В блоке фильтрации производится фильтрация ошибок измерения и формируются оценки текущих значений температур элементов конструкции Ту, жидкого компонента Тж- и их дискретных производных АТу АТж-.

Из хранящегося в блоке формирования программ управления семейства программ изменения температуры выбирается программа, удовлетворяющая краевым условиям на левом конце Ту, АТу, Тж-, АТж-, а на правом конце - Ттр к. Вид программ, входящих в семейство, определяется из условия минимизации затрат жидкого компонента на захолаживание. Краевые условия и сама программа управления периодически корректируются с учетом обновления используемой измерительной информации. Период коррекции может быть большим, чем период измерения и управления т. Информация о требуемых текущих значениях температуры захолажи-ваемых элементов МД и ее дискретной производной Ттр у, АТтр у передается в блок вычисления управляющих воздействий с целью выработки команд для реализации сформированной программы.

В процессе захолаживания двигателя эффективность влияния управляющих воздействий на скорость изменения температуры захолаживаемых элементов существенно уменьшается. Это связано с тем, что уменьшается разность температур жидкого компонента и захолаживаемых элементов двигателя.

Для адаптации алгоритма управления к изменяющимся условиям предлагается в специальном блоке оценки коэффициента эффективности производить оценку текущего значения коэффициента эффективности исполнительного органа. Указанная оценка может быть получена путем прогнозирования на текущий момент и осреднения известных эффектив-ностей предшествующих управляющих воздействий. Прогноз должен производиться с учетом измерений предшествующих и текущих значений температур и их производных. Сформированное текущее значение коэффициента эффективности передается в блок вычисления управляющих воздействий.

Представленная на рис. 2 блок-схема укрупненно отражает лишь ядро предлагаемого алгоритма. В полном алгоритме предполагается использовать алгоритмические меры повышения его отказоустойчивости, предусматривающие диагностику отказов в измерительном и исполнительном трактах и реконфигурацию алгоритма управления в нештатных ситуациях (НШС).

Следует также провести сравнительный анализ потенциально более простых вариантов управления

процессом захолаживания, основанных на прекращении процесса захолаживания с непрерывным расходом компонента по информации о достижении заданных (или несколько более низких) значений температуры захолаживаемых элементов.

3. Регулирование температуры

жидкого водорода и давления его паров в паузах между включениями МД за счет изменения интенсивности дренажа

Максимальное давление водорода в свободном (газовом) объеме бака РБ ограничивается пропускной способностью и настройкой дренажно-предохрани-тельного клапана (ДПК) с помощью пружины, что предохраняет бак от разрушения.

В связи со случайным характером теплопритока к баку водорода в паузах между импульсами работы МД возможны ситуации, при которых температура жидкой фракции в баке к моменту очередного запуска может возрасти до критической величины, приводящей к возникновению интенсивной кавитации и разрушению насоса МД во время его работы даже при максимально допустимом настройкой ДПК давлении наддува. Для исключения таких аварийных ситуаций необходимо контролировать температуру жидкого водорода в паузах между включениями и при необходимости уменьшать ее посредством управления интенсивностью дренажа, влияющего на скорость испарения, теплоотток и температуру жидкого водорода.

Управление дренажем газа может проводиться в импульсном режиме - за счет принудительного открытия ДПК, или непрерывно - путем изменения степени под-жатия его пружины. Дренаж газообразного водорода должен быть обеспечен специальными конструктивными мерами или специальными режимами работы РБ, направленными на исключение выброса через ДПК жидкого водорода (например, способом разделения жидкой и газообразной фракции за счет использования реактивных сил, возникающих при дренаже или включении двигателей малой тяги (по продольной оси), способом дренажа через специальный ДПК, снабженный центробежным сепаратором и т.п.).

Процесс управления температурой жидкой фракции следует проводить с учетом того, что к заданному моменту времени очередного включения МД должны быть обеспечены не только требуемое значение температуры жидкости, но и требуемое значение давления газа. Таким образом, управление дренажем должно строиться с учетом необходимости обеспечения к моменту включения МД двух краевых условий.

Целью управления дренажем является минимизация массы газа, дренируемого в паузах, при обеспечении заданных параметров водорода к моменту запуска МД. Будем предполагать, что управление давлением осуществляется за счет изменения степени поджатия пружины ДПК (при ограничении из условия прочности бака), а управление температурой - за счет изменения

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №3 (59) 2008 Pi ( c

скважности импульсов открытого состояния ДПК.

Предлагается укрупненная блок-схема алгоритма решения задачи управления дренажем водорода в паузах между включениями МД, использующего принципы терминального управления (рис. 3).

Дадим описание основных принципов работы этого алгоритма. Текущая измерительная информация о температуре жидкого водорода и давлении газа передается в БЦВМ. В блоках фильтрации производится фильтрация ошибок измерения, и формируются оценки

Рис. 3. Укрупненная блок-схема алгоритма решения задачи управления дренажем водорода в паузах между включениями МД, использующего принципы терминального управления

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

текущих значений температуры Т ■ , давления Рр и их дискретных производных АТр Ар. (равных изменению параметров за такт измерения т).

По текущей измерительной информации и информации о будущей циклограмме работы МД в блоке оптимизации параметров формируются требуемые значения температуры и давления Р^ в момент очередного запуска МД, обеспечивающие его дальнейшую безопасную работу в течение времени очередного включения с учетом расчетных теплопритоков и с минимальными потерями на дренаж в текущей и последующих паузах.

Поскольку, управляя только дренажем, невозможно одновременно обеспечить заданные краевые условия (терминальные значения) по давлению и температуре, предлагается разделить эти задачи по времени их решения и сначала, с некоторым опережением терминального момента, решать задачу управления температурой жидкости, а затем, непосредственно перед запуском МД, управлять давлением газа. Возможность такого разделения управлений обусловлена большей инерционностью процессов изменения температуры жидкости по сравнению с давлением газа. При этом конечные значения температуры водорода в момент перехода на управление давлением должны содержать гарантийный резерв, обеспечивающий возможный рост температуры компонента при управлении давлением. Потребный рост давления может быть обеспечен как за счет естественных теплопритоков, так, возможно, и за счет дополнительных специально предусмотренных источников.

В блоке формирования программы из хранящегося в памяти БЦВМ семейства программ изменения температуры выбирается программа, удовлетворяющая краевым условиям Тр, АТр, Тё. Вид программ, входящих в семейство, определяется из условия минимизации массы дренируемого газа в текущей паузе. Краевые условия и сама программа управления периодически корректируются с учетом обновления используемой измерительной информации. Период коррекции может быть большим, чем период измерения и управления Т. Информация о требуемых текущих значениях сначала температуры и ее дискретной производной Ттр р, АТтрр, а потом о давлении передается в блок вычисления управляющих воздействий с целью отработки сформированных программ.

Особенностью управления температурой за счет изменения скорости дренирования является переменность коэффициента эффективности исполнительного органа d(АT)/du, зависящего от объема жидкости. Это же относится и к управлению давлением. Отмеченное обстоятельство может ухудшить динамику отработки программной кривой. Для адаптации алгоритма управ-

ления к изменяющимся условиям предлагается в специальном блоке оценки коэффициента эффективности производить оценку текущего значения коэффициента эффективности исполнительного органа. Указанная оценка может быть получена путем пересчета на текущий момент и осреднения известных эффективнос-тей предшествующих управлений. Пересчет должен производиться с учетом измерений предшествующих и текущих значений газового объема в баке. Сформированное расчетное значение коэффициента эффективности передается в блок вычисления управляющих воздействий.

В блоке вычисления управляющих воздействий по значениям сначала Тр, АТр, а затем - Рр, АРр с учетом оценки эффективности исполнительного органа в каждом такте управления формируется величина управляющего воздействия Аир на регулируемый ДПК. Вычисленное управление передается для отработки на исполнительный орган системы ПГСП.

Выводы

В статье рассмотрена задача минимизации затрат топлива на наддув баков и захолаживание магистралей в системе ПГСП водородной двигательной установки РБ с многоразовым включением. Для решения задачи предлагается использовать принципы и методы терминального управления. Решение данной задачи позволит обеспечить повышенные требования к экономичности, точности и надежности работы системы ПГСП для перспективных РБ.

Предложены базовые алгоритмы управления наддувом баков во время работы МД, захолаживанием расходных магистралей и обеспечением наддува баков (или набора давления в них) перед очередным запуском МД и дренажем в паузах между импульсами тяги МД.

Изложенное описание отражает лишь ядро предлагаемых алгоритмов. В полной версии предполагается использовать алгоритмические меры повышения отказоустойчивости системы, предусматривающие диагностику отказов в измерительном и исполнительном трактах и реконфигурацию алгоритма управления в НШС, а также дроссельные характеристики разрабатываемых регулирующих агрегатов ПГСП.

Список литературы

1. Гордеев В.А., Жуков В.А., Завадский В.К., Иванов В.П., Портнов-Соколов Ю.П. Новые технологии построения пневмогидравлических систем подачи топлива в ЖРД // Датчики и системы. 2002. №9. С.48-59.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008