CC BY
53
DOI: 10.15593/2224-9982/2016.46.05 УДК 533:621.455
А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, В.А. Целищев
Уфимский государственный авиационный технический университет,
Уфа, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ГАШЕНИЕМ И ПОВТОРНЫМ ЗАПУСКОМ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
В рамках решения современной проблемы серийного использования твердотопливных двигательных установок в космической отрасли, связанной с ограниченными возможностями глубокого регулирования модуля тяги и многократного включения-выключения установки, предлагается внедрение комбинированной системы управления. В статье приводится схема регулируемой ракетной двигательной установки, оснащенной трехконтурной электрогидравлической системой управления, включающей в себя способы изменения: площади поверхности горения твердого топлива S, площади критического сечения сопла Ркр и дополнительно вводимой в камеру сгорания массы хладагента mf. Выполнен анализ переходных процессов в ракетном двигателе твердого топлива при отдельном и комбинированном использовании подсистем регулирования, отвечающих за гашение и подготовку двигателя к повторному запуску. По результатам расчета видно, что необходимая величина внутрикамерного давления, скорости горения устанавливается через 0,05 с при расходе хладагента 3,4-10-4 м3/с. В соответствии с программой управления на впрыск при достижении необходимого внутрикамерного давления система перестраивает режим на менее интенсивный, и через 0,1 с устанавливается заданный расход. В случае падения давления ниже необходимого с помощью рулевой машины оно стабилизируется через 0,2 с без перерегулирования и поддерживается на заданном уровне, позволяющем сократить время повторного запуска, при этом диапазоны изменения критериев качества работы регуляторов системы управления не зависят друг от друга.
Ключевые слова: ракетный двигатель твердого топлива, хладагент, комбинированная система управления гашением, динамическая модель, рулевая машина, регулятор расхода, тяга.
A.B. Bachurin, E.V. Strelnikov, V.A. Tselischev
Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russian Federation
PROCESS MODELING IN ELECTRO-HYDRAULIC CONTROL SYSTEM FOR STOPPING AND RESTARTING SOLID ROCKET MOTOR
Within the framework of the modern problem of serial use of solid rocket motors in space industry related to limited possibilities of wide control of thrust magnitude and multiple starting and stopping motor, it is proposed the introduction of a combined control system. The article provides a diagram
of a controlled missile propulsion system, equipped with dual-electro-hydraulic control system, including ways to change: the surface area of a solid propellant burning, the area of the nozzle throat, and refrigerant mass additionally introduced into the combustion chamber. The analysis of transients in a solid rocket motor was carried out at separate and combined use of control subsystems responsible for the combustion extinction and preparing to motor restart. The calculation results show that the necessary chamber pressure and burning rate are set by 0.05 seconds at a flow rate of refrigerant 3.410 m3/s. According to control program of the injection when chamber pressure reaches necessary value the system resets operating mode to less intensive and after 0.1 seconds a predetermined flow rate is set. If the pressure falls below the required it is stabilized by steering gear in 0.2 seconds without overcontrol and maintained at a given level, that allows reducing restart time. As this takes place, the change ranges quality criteria of operation of the regulators is not dependent on each other.
Keywords: solid rocket motor, refrigerant, combined control system for combustion extinction, dynamic model, steering gear, flow regulator, thrust.
Введение
Как показывает опыт прошлых лет, совершенствование одного из приоритетных направлений, а именно развитие космической отрасли, неразрывно связано с внедрением ракетных двигательных установок нового поколения. В рамках ситуации, сложившейся на сегодняшний день, наиболее перспективными являются регулируемые ракетные двигательные установки на твердом топливе. Однако массовое внедрение данного типа двигателей ограничивается рядом недостатков, имеющихся у этих ракетных систем. К ним относятся:
1) сложность обеспечения необходимой глубины регулирования модуля тяги (50:1);
2) неудовлетворительные динамические характеристики процесса регулирования (быстродействие, точность, качество переходных процессов);
3) сложность конструктивного исполнения;
4) вероятность повторного несанкционированного воспламенения заряда, вызванная неоптимальностью режима впрыска хладагента в камеру сгорания для двигателей многократного включения [1, 2].
Для решения имеющихся проблем и устранения выявленных недостатков усилия многих государств направлены на консолидацию научно-образовательных центров (НОЦ) и предприятий, где главной целью ставится исследование и глубокий анализ работы высокоточных систем автоматического регулирования (САР) со встроенными средствами интеллектуальной гидроавтоматики, только благодаря которым можно достичь желаемого результата.
Именно комбинированные системы управления со встроенными гидроагрегатами в качестве исполнительных механизмов позволят
обеспечить необходимый диапазон регулирования тяги двигательной установки, повысив быстродействие и качество регулирования [2].
Нахождение рациональных значений параметров регуляторов, и прежде всего их исполнительных механизмов, осуществляемое посредством исследования статических и динамических характеристик как при отдельной, так и при совместной работе, а также при влиянии на внутрибаллистические характеристики объекта регулирования, является неотъемлемой частью этапов разработки любой современной системы регулирования ракетной двигательной установки (РДУ).
Большой интерес вызывает возможность качественного улучшения динамических характеристик систем автоматического регулирования конкретных двигательных установок при внедрении в них серийных исполнительных устройств.
Благодаря проводимым исследованиям разработчики уже сейчас отказываются от некоторых видов огневых стендовых испытаний, тем самым обеспечивая снижение временных и финансовых затрат при разработке и последующей доводке систем управления, значительно увеличивая уровень и обоснованность конструкторских решений, а следовательно, и энергомассовое совершенство РДУ.
Определившись, таким образом, со сложившейся на данный момент проблемой и возможным вариантом ее решения, а именно внедрением комбинированной системы управления, необходимо проанализировать, какие способы регулирования могут быть заложены в ее основу.
В решение данного вопроса можно отметить большой вклад многих отечественных предприятий и институтов: АО «ГРЦ им. акад. В.П. Макеева» (Миасс), ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» (Москва), НПО «Искра» (Пермь), ФГБОУ ВО ПНИПУ (Пермь), ФГАОУ ВО «СГАУ им. акад. С.П. Королёва» (Самара), ФГБОУ ВПО ИжГТУ (Ижевск), ФГБОУ ВПО «КГТУ им. Туполева» (Казань), ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана» (Москва), ФГБОУ ВПО УГАТУ (Уфа), ФГБОУ ВПО ЮУрГУ (Челябинск), ФГУП «Московский институт теплотехники» (Москва), ФГУП «НПО автоматики» (Екатеринбург), ФНПЦ «Алтай» (Бийск), ФЦДТ «Союз» (Дзержинский).
Благодаря исследованиям, проведенным в перечисленных выше организациях, и разработкам схем и опытных образцов регулируемых двигательных установок со встроенными системами управления, были
выявлены основные преимущества и недостатки каждого из способов регулирования. Часть из способов регулирования сегодня не может быть реализована по причине конструктивной сложности, некоторые требуют чрезмерного увеличения массогабаритных характеристик РДУ, другие недостаточно эффективны.
Наиболее перспективными для дальнейшего применения показали себя способы изменения: площади поверхности горения твердого топлива 5, площади критического сечения сопла и дополнительно
вводимой в камеру сгорания массы хладагента ту. Только при их
комбинированном сочетании (5 и Г; Г и ту) была достигнута
наибольшая эффективность результатов. На основании этого в ФГБОУ ВПО УГАТУ была предложена схема регулируемого ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) с трехконтурной электрогидравлической системой управления, сочетающей в себе все три данных способа регулирования (5, Г и ту) (рис. 1).
Рис. 1. Схема ракетного двигателя твердого топлива многократного включения:
I - камера сгорания; 2 - топливный заряд; 3 - каналы, заполненные хладагентом; 4 - поршни; 5 - регулятор расхода хладагента; 6 - сопло; 7 - исполнительный механизм; 8 - датчик перемещения; 9 - узел гидрогашения; 10 - делители потока;
II - узел воспламенения; 12 - регулятор расхода продуктов сгорания; 13 - датчик давления ПС; 14 - датчик расхода; 15 - датчик давления жидкого хладагента; 16 - датчик
расхода узла гидрогашения; 17-19 - датчики обратной связи; 20 - бортовая ЭВМ
В данной конструкции системы управления двигательной установкой используются:
- подсистема слива рабочей жидкости из каналов в заряде твердого топлива (ТТ), позволяющая увеличивать тягу двигателя на величину, превышающую номинальное значение более чем в 50 раз;
- подсистема поддержания постоянного давления за счет изменения площади критического сечения сопла, позволяющая держать давление: а) либо на максимально допустимом уровне, способствующем сокращению времени переходного процесса; б) либо на минимально допустимом уровне, способствующем сокращению времени при мгновенном повторном воспламенении заряда;
- подсистема впрыска хладагента в камеру сгорания, позволяющая обеспечить мгновенное гашение заряда твердого топлива и замедлить процесс горения либо полностью его остановить.
Исполнительными механизмами в подсистемах выступают струйная гидравлическая рулевая машина и регуляторы расхода (впрыска хладагента в камеру сгорания и слива жидкости из каналов заряда).
Однако при описании физических процессов, происходящих в ходе работы данного регулируемого ракетного двигателя с тремя подсистемами управления, и построении его математической модели приходится сталкиваться со сложностью системных связей и закономерностей, заставляющих перейти от рассмотрения трехконтурной системы в целом к более детальному исследованию контуров, отвечающих за работу двигательной установки
В рамках проводимой работы был выбран контур электрогидравлической системы управления, отвечающий за гашение заряда твердого топлива и подготовку двигательной установки к мгновенному повторному запуску. Этот контур включает в себя подсистемы изменения площади критического сечения сопла Г и впрыска хладагента т^
в камеру сгорания.
Модель регулируемого РДТТ с подсистемой впрыска жидкого хладагента в камеру сгорания
Целью такого моделирования является получение системы уравнений, описывающих работу структурно подобных РДУ, дальнейшее исследование которой на ЭВМ позволяет решать задачи анализа и синтеза динамических параметров САР.
На рис. 2 представлена схема подсистемы регулирования впрыска хладагента в камеру сгорания.
Рис. 2. Функциональная схема подсистемы регулирования расхода жидкого хладагента
В ее состав входит пневмогидроаккумулятор (ПГА), измеритель электрического сигнала рассогласования (2), электронный усилитель сигнала ошибки (УСО), электромеханический преобразователь (ЭМП), электромагнитный дроссель (ЭД), клапан постоянного перепада давления (КППД), форсунка (Ф), датчик расхода хладагента из ПГА (ДР) и объект регулирования - камера сгорания (КС) [3, 4].
Тип подачи хладагента в такой подсистеме - вытеснительный, осуществляемый посредством образования продуктов сгорания твердого топлива в ПГА [5]. В качестве исполнительного механизма используется регулятор расхода (РР). Расход жидкости через регулятор расхода устанавливается положением дросселя, а постоянство перепада давления на дросселе - редукционным клапаном.
Математическая модель подсистемы регулирования жидкого хладагента [6-8] в данном случае включает в себя уравнения внутри-камерных процессов двигателя (объект регулирования) и уравнения регулятора расхода с подсоединенным ПГА и форсуночным блоком (регулятор) и выглядит следующим образом:
- уравнение электрической цепи ЭМП, управляющего дросселем,
(др - ¿охбдр (О)у = Ядр<'др (О + ¿др ^^ + кпэ ^; (1)
- уравнение движения управляющей заслонки дросселя
d2x(t) ^ . .. , dx(t)
тдр~HF=Kfidl№ (t) - bv№"dT "Сдр x(t);
- уравнение движения золотника КППД
m dd^ = A{p2(t) - P3(t))-bvk dytt) - <к y(t);
- уравнение баланса расходов через РР
(2)
(3)
мА y(t).
2(р1-p2(t)) -мА,x(t)J2(()-p3(t)) =ЩР2®+аМ; (4) Рж др V Рж 2Е dt dt ' W
- уравнение баланса расходов через форсунки
м дрЬдр x(t)
V
2 (P2(t) - P3(t) ) =м Ч N 2 ((t) - Рк (t)) + W0 dp3(t) ; (5) Рж Мф 4 V Рж 2E dt '
- уравнение сохранения массы в камере сгорания при впрыске жидкого хладагента
= "к®^(0: (6)
^Гк ЯГк (?) ^/ЯТк (?) ЯТк (?)
- уравнение сохранения энергии в камере сгорания при впрыске жидкого хладагента
= Y (t)
Хк RTV -^(t) ,
Рк (t)Vc d (RT (t)) = (Тк (t))2 dt
Мс A(k F
k-1
■(k-1)' Рк (t) - Fx (t)HXYX (t); (7)
RTM)
- уравнение изменения свободного объема камеры сгорания
dVi dt
= Su (t);
(8)
уравнение состояния
Рк (t) = Рт RTK (t);
(9)
- степенной закон горения твердого топлива
и = щ (рк(г)) , (10)
где идр и г (г) - напряжение (В) и сила тока (А) обмотки управления электромагнита ЭМП; кос - коэффициент обратной связи; Ядр и Ь - активное (Ом) и индуктивное (Гн) сопротивление обмотки управления электромагнита; Qк (г) - объемный расход хладагента через клапан постоянного перепада давления (КППД), м /с, Qк(г) =
= |А У (г)
2 ((г) - р2(г))
4 —- ; 0 (г) - объемный расход хладагента через
Рж ^
электромагнитный дроссель (ЭД), м3/с, 0др (г) = |дрЬдрх(г) Г(((г) Рз(г)У;
V Рж
0ф (г) - объемный расход хладагента через форсунки, м3/с,
п-4 Л. 2(рз(г) - Рк (г)) фф
0ф(г) = Цф-— —-- ; Ку - коэффициент усиления по
ж
напряжению; Кпэ - коэффициент противо-ЭДС в ЭМП, В• с/м; х(г) и у (г) - перемещение управляющей заслонки ЭД и золотника КППД, м; тдр и тк - масса заслонки ЭД и золотника КППД, кг; К^ - коэффициент силы тока в электрической цепи ЭМП, Н/А; Ьудр и - коэффициент вязкого трения заслонки ЭД и золотника КППД, Н • с/м ; сдр и ск - коэффициент жесткости пружины ЭД и КППД, Н/м; А и
- площади торцевых поверхностей, м2, и объем рабочей полости, м3, КППД; р2(г) и р3(г) - давление на входе и выходе из электромагнитного дросселя, Па; |к и | др - коэффициент расхода дросселирующей щели КППД и ЭД; N - количество форсунок; Ьдр и Ьк - ширина щели ЭД и золотника клапана постоянного перепада давления, м; рж и Е - плотность, кг/м3, и модуль объемной упругости хладагента, Па; р1 - давление на входе в клапан постоянного перепада давления, Па; Усв - начальный свободный объем камеры сгорания РДУ, м3; Я - газо-
вая постоянная, Дж/кг-м3; 5 - площадь поверхности горения заряда
2 гт
твердого топлива, м ; Ту - изохорная температура горения заряда твердого топлива, К; к - показатель адиабаты; ^с - коэффициент расхода газов через сопло РДУ; А(к) - функция условного показателя расширения; Ькр - площадь критического сечения сопла, м ; и - скорость горения заряда твердого топлива, м/с; рт - плотность заряда твердого топлива, кг/м3; Гк (?) - температура газов в камере сгорания, К; Нх - приведенная теплота испарения жидкого хладагента, впрыснутого в камеру сгорания, Дж; Ух ) - секундный газоприход от испарения жидкого хладагента, подаваемого в камеру сгорания, кг/с; и1 - коэффициент, зависящий от природы топлива и его начальной температуры, м/с; V - показатель степени в законе горения; рк () - давление
в камере сгорания двигательной установки, Па.
На рис. 3, а-г представлены графики переходных процессов в регуляторе расхода хладагента, полученные по результатам расчетов.
Для сравнения влияния исполнительного механизма на переходные процессы в камере сгорания на рис. 4 представлен график изменения внутрикамерного давления с учетом модели исполнительного механизма (1)-(10) и без нее [3, 9].
Согласно полученной сравнительной характеристике: при учете модели регулятора расхода время переходного процесса увеличивается на 0,2 с, тем самым уменьшается быстродействие системы. Связано это с инерционностью исполнительного механизма.
Отсюда можно сделать вывод, что неучет модели исполнительного механизма подсистемы впрыска хладагента в камеру сгорания РДТТ не позволяет достоверно оценить время переходного процесса при гашении.
Поскольку в подсистеме регулирования впрыска жидкого хладагента в камеру сгорания применяется РР, необходимо было проверить, как он отрабатывает возмущающее воздействие, вызванное изменением давления в ПГА (рис. 5).
а
1,0 1,2 1,4 1,6 ?,с б
в г
Рис. 3. Переходные процессы в регуляторе расхода хладагента: а - сигнал управления, подаваемый на ЭМП управления электромагнитным дросселем; б -перемещение заслонки электромагнитного дросселя; в - изменение площади проходного сечения электромагнитного дросселя; г - изменение расхода хладагента
через дроссель регулятора
бр-Ю"
3,52 3,5 3,48 3,46
ЛЧОЛ м
х{1)
\
\
с К ) Г.
Р\(0
21,6 21,5 21,4 21,3
0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 с
Рис. 4. Сравнение переходных процессов: Рис. 5. Работа системы поддержания
1 - с учетом модели гидроагрегата; расхода хладагента, впрыснутого
2 - без учета модели гидроагрегата в камеру
В момент времени г = 1 с ступенчато изменяем давление в камере пневмогидроаккумулятора и видим, что расход хладагента увеличился. Для поддержания его на заданном уровне система автоматически уменьшает перемещение заслонки электромагнитного дросселя, после чего расход понижается до заданного значения. Система полностью отрабатывает возмущающее воздействие.
Модель регулируемого РДТТ с подсистемой регулирования давления в камере сгорания
Регулирование давления в ракетной двигательной установке твердого топлива с изменяемой площадью критического сечения осуществляется с помощью рулевой машины (РМ), которая выполняет целый ряд функций: от поддержания постоянного давления в камере сгорания до его сброса при переходе с максимального уровня тяги на минимальный и обратно [8, 10, 11].
На рис. 6 представлена функциональная схема подсистемы регулирования давления в камере сгорания РДУ за счет изменения ^кр.
Рис. 6. Функциональная схема подсистемы регулирования давления в камере сгорания РДУ
В ее состав входит измеритель электрического сигнала рассогласования (X), электронный усилитель сигнала ошибки (УСО), электромеханический преобразователь сигнала (ЭМП), струйный гидроусилитель (СГУ), гидроцилиндр (ГЦ), датчик давления (ДД), потенциомет-рический датчик обратной связи по перемещению центрального тела (ПОС) и объект регулирования - камера сгорания (КС) [8, 12, 13].
Схема регулятора состоит из двух контуров: основного, обусловленного наличием у гидроцилиндра (ГЦ) потенциометрической обратной связи (ПОС), и внутреннего, обусловленного наличием внутренней обратной связи (ВОС) между электромеханическим преобразователем сигнала (ЭМП) и струйным гидроусилителем (СГУ) [8].
Математическая модель подсистемы регулирования давления Ккр
состоит:
- из уравнения электрической цепи ЭМП
Ямлт + Ь^ + Кпэ^Ог = К ( -Ко.сРк(0), где Кос =и dt dt у Рк т
(11)
- уравнения моментов
3 ^ = Кт1Ш) - Ктаа(1) - Ът ^ - СЭМП«(? );
dí2
- уравнения баланса расходов
(1 + ^ (Г)) - Ш-(1 - 7 (Г) ) +
эРт
эРт у
при г (г) < гп;
1 - при гтах > !(г) > гп;
эРт
(12)
(13)
- уравнения движения поршня (штока) гидроцилиндра
т
¿2 у(г)
= АРл (г)- К
йу(г)
К - Сп у(г);
&2 V« & тр
уравнения изменения свободного объема камеры сгорания
■ = Бы(г);
(14)
(15)
- уравнения материального баланса камеры сгорания при изме-
нении К
кр
У
¿Рк (г)
= кЯТкХк Sртu (г) - к^ЁТк^с А (к )( - / (у (г)) Рк (г) - рК (г) Би(г)); (16)
- уравнения состояния
Рк (г) = РтЯТк; (17)
- степенного закона горения твердого топлива
и (г) = щ (Рк (г))), (18)
где ЯЭМП и L - активное, Ом, и индуктивное, Гн, сопротивление обмотки управления ЭМП; г(г) - сила тока обмотки управления электромагнита ЭМП, А; Кпэ - коэффициент противо-ЭДС, В • с/м; а(г)
и / - угол поворота якоря, рад, и момент инерции на валу, Н/м2; ивх - напряжение обмотки управления электромагнита ЭМП, В; Кт и Кта - коэффициенты, характеризующие моментную характеристику, Н • м/А, и жесткость «магнитной пружины», Н • м/рад; Ьт и Ъуп -коэффициент вязкого трения якоря ЭМП и поршня ГЦ, Н • с/м; СЭМП -коэффициент жесткости «магнитной пружины» электромеханического преобразователя, Н/м; А, Ш0 - площадь поршня, м2, и объем полости, м3, ГЦ; у (г) - перемещение штока центрального тела, м; Е - приведенный модуль объемной упругости, Па; Сн - коэффициент жесткости внешней нагрузки, Н/м; рй (г) - перепад давлений на ГЦ, Па; -коэффициент восстановления расхода; 0т - расход через струйную
трубку, м3/с; г (г) - смещение струйной трубки, м; Ъ,Рт - коэффициент восстановления давления струйной трубки; т - масса поршня ГЦ, кг; ^тр - сила сухого трения, Н; Сп - коэффициент жесткости механической пружины гидроцилиндра, Н/м.
На рис. 7, а, б и 8 представлены графики переходных процессов в камере сгорания с учетом модели исполнительного механизма, составленной по уравнениям (11)—(18), и без ее учета [3, 14, 15].
Как видно из рис. 7, а, б и 8, при применении струйной гидравлической рулевой машины выход на режим с меньшей тягой осуществляется быстрее примерно на 0,3 с, чем при ступенчатом изменении пло-
щади критического сечения сопла Ккр, так как центральное тело открывает Ккр до тех пор, пока давление в камере сгорания не достигнет заданного значения, а не до заданного значения Ккр. В результате этого
перемещение центрального тела сопла значительно превышает значения установившегося режима. На рис. 9 показано, как система поддержания
а
б
Рис. 7. Изменение давления в камере сгорания: а - при ступенчатом изменении задающего сигнала по напряжению; б - при ступенчатом изменении площади критического сечения сопла
Рис. 8. Сравнение переходных процессов: 1 - с учетом модели гидроагрегата; 2 - без нее
Рис. 9. Работа системы поддержания давления в камере после гашения двигательной установки
постоянного давления отрабатывает возмущающее воздействие. Поддерживать постоянное давление в камере сгорания необходимо после гашения двигателя на уровне чуть ниже заданного для повторного воспламенения заряда твердого топлива. Только так можно сократить время для повторного запуска двигателя и достичь желаемых характеристик.
В момент времени г = 2 с ступенчато меняется скорость горения твердого топлива в камере сгорания и падает давление. Для поддержания его на заданном уровне система автоматически уменьшает перемещение центрального тела на открытие , после чего давление
в камере поднимается до заданного значения.
Модель регулируемого РДТТ с комбинированной системой
управления гашением и подготовкой к повторному запуску
Рассмотрев принцип работы подсистем регулирования в отдельности, провели исследование комбинированной электрогидравлической системы управления гашением заряда при одновременном регулировании давления в камере сгорания и расхода хладагента и получили графики переходных процессов (рис. 10).
Управление гашением происходит по заранее заданной программе. В момент времени г = 2 с, при достижении уровня внутрикамерного давления, соответствующего значению минимально необходимого, регулятор расхода хладагента должен уменьшить расход. Гидроагрегат регулятора расхода отрабатывает управляющее воздействие на изменение расхода хладагента из форсунок. Через 0,1 с устанавливается заданный расход хладагента. Благодаря регулированию расхода хладагента с помощью регулятора и изменению с помощью РМ устанавливается необходимая величина внутрикамерного давления, скорости горения и газоприхода. Давление в двигателе стабилизируется за 0,2 с без перерегулирования и поддерживается на заданном уровне, позволяющем сократить время повторного запуска. Рулевая машина регулятора давления успевает отрабатывать возмущение, и на величине давления в камере сгорания изменение расхода жидкости из форсуночного блока не сказывается.
а
б
^р-10 , м-
4
3.5 3
2.5 2
1—
1
рк, МПа 4
/
\
1 1
1 1
О
2 в
с
Л с
Рис. 10. Переходные процессы в комбинированной системе управления гашением: а - изменение расхода хладагента через регулятор; б - изменение скорости горения; в - изменение площади критического сечения сопла; г - изменение давления в камере
Заключение
На основании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:
1. С учетом модели регулятора расхода время переходного процесса в РДТТ увеличивается на 0,2 с.
2. С учетом модели рулевой машины выход на режим с меньшей тягой осуществляется быстрее примерно на 0,3 с, чем при ступенчатом изменении ^ .
кр
3. При использовании комбинированной системы управления необходимая величина внутрикамерного давления и скорости горения
устанавливается через 0,05 с при расходе хладагента 3,4-10-4 м3/с. В соответствии с программой управления на впрыск при достижении необходимого внутрикамерного давления система перестраивает режим на менее интенсивный, и через 0,1 с устанавливается заданный расход. В случае падения давления ниже необходимого с помощью РМ оно стабилизируется через 0,2 с без перерегулирования и поддерживается на заданном уровне, позволяющем сократить время повторного запуска, при этом диапазоны изменения критериев качества работы регуляторов системы управления не зависят друг от друга.
Библиографический список
1. Управляемые энергетические установки на твердом топливе /
B.И. Петренко, М.И. Соколовский, Г.А. Зыков, С.В. Лянгузов, А.И. То-дощенко, В.Л. Попов, Б.Ф. Потапов, В.В. Севастьянов, С.Г. Ярушин. -М.: Машиностроение, 2003. - 464 с.
2. Опыт разработки комбинированного РДТТ многократного включения / И.А. Кривошеев, В.А. Целищев, А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников // Вестник УГАТУ. - 2012. - Т. 16, № 2(47). -
C. 174-188.
3. Присняков В.Ф. Динамика ракетных двигателей твердого топлива: учеб. пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1984. - 248 с.
4. Регулируемые твердотопливные двигательные установки / В.Г. Зезин, В.И. Петренко, В.Л. Попов, А.М. Русак, В.И. Савченко, Е.А. Симонов, В.И. Феофилактов; КБ им. акад. В.П. Макеева. - Миасс, 1996. - 295 с.
5. Старостенко В.Г. Пневмогидравлические системы энергоустановок: учеб. пособие / КБ им. акад. В.П. Макеева. - Миасс, 2006. -260 с.
6. Целищев В.А., Русак А.М. Исследование системы автоматического регулирования РДТТ // Газоструйные импульсные системы / Иж. гос. техн. ун-т. - Ижевск, 2003. - Т. 1. - С. 59-80.
7. Система автоматического регулирования давления в камере сгорания РДТТ / А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, Е.С. Литвинов, В. А. Целищев // Вестник УГАТУ. - 2013. - Т. 17, № 3(56). - С. 26-33.
8. Месропян А.В., Целищев В. А. Моделирование гидравлических рулевых машин. - Уфа: Изд-во Уфим. гос. авиац. техн. ун-та, 2008. -211 с.
9. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. - М.: Машиностроение, 1991. - 560 с.
10. Экспериментальные и теоретические исследования в регулируемых соплах с центральным телом / В.А. Целищев, А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, А.М. Русак // Вестник УГАТУ. - 2010. - Т. 14, № 5(40). - С. 52-61.
11. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1989. - 464 с.
12. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1987. - 272 с.
13. Волков Е.Б., Сырицын Т. А., Мазинг Г.Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок. Кн. 1. Статика. - М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.
14. Соркин Р.Е. Теория внутрикамерных процессов в ракетных системах на твердом топливе: внутренняя баллистика. - М.: Наука, 1983. - 288 с.
15. Липанов А.М., Алиев А.В. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1995. - 400 с.
References
1. Petrenko V.I., Sokolovskiy M.I., Zykov G.A., Lyanguzov S.V., To-doshchenko A.I., Popov V.L., Potapov B.F., Sevastyanov V.V., Yarushin S.G. Upravlyaemye energeticheskie ustanovki na tverdom toplive [Controlled power plants for solid propellants]. Moscow: Mashinostroenie, 2003. 464 p.
2. Krivosheev I.A., Tselishchev V.A., Bachurin A.B., Strelnikov E.V. Opyt razrabotki kombinirovannogo RDTT mnogokratnogo vklyucheniya [Experience of development of combined SRM with multiple starting]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo univer-siteta, 2012, vol. 16, no. 2(47), pp. 174-188.
3. Prisnyakov V.F. Dinamika raketnykh dvigateley tverdogo topliva [Dynamics of solid rocket motors]. Moscow: Mashinostroenie, 1984. 248 p.
4. Zezin V.G., Petrenko V.I., Popov V.L., Rusak A.M., Savchen-ko V.I., Simonov E.A., Feofilaktov V.I. Reguliruemye tverdotoplivnye dvi-gatelnye ustanovki [Controlled solid propulsion systems]. Miass, 1996. 295 p.
5. Starostenko V.G. Pnevmogidravlicheskie sistemy energoustanovok [Pneumohydraulic systems of power plants]. Miass, 2006. 260 p.
6. Tselishchev V.A., Rusak A.M. Issledovanie sistemy avtomatiches-kogo regulirovaniya RDTT [Research of the SRM automatic regulation system]. Gazostruynye impulsnye sistemy, 2003, vol. 1, pp. 59-80.
7. Bachurin A.B., Strelnikov E.V., Litvinov E.S., Tselishchev V.A. Sistema avtomaticheskogo regulirovaniya davleniya v kamere sgoraniya RDTT [Automatic system for controlling the pressure in the SRM combustion chamber]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhni-cheskogo universiteta, 2013, vol. 17, no. 3(56), pp. 26-33.
8. Mesropyan A.V., Tselishchev V.A. Modelirovanie gidravliche-skikh rulevykh mashin [Modeling hydraulic steering gears]. Ufimskiy gosu-darstvennyy aviatsionnyy tekhnicheskiy universitet, 2008. 211 p.
9. Erokhin B.T. Teoriya vnutrikamernykh protsessov i proektirovanie RDTT [The theory of chamber processes and designing SRM]. Moscow: Mashinostroenie, 1991. 560 p.
10. Tselishchev V.A., Bachurin A.B., Strelnikov E.V., Rusak A.M. Eksperimentalnye i teoreticheskie issledovaniya v reguliruemykh soplakh s tsentralnym telom [Experimental and theoretical studies in regulated nozzles with a central body]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2010, vol. 14, no. 5(40), pp. 52-61.
11. Alemasov V.E., Dregalin A.F., Tishin A.P. Teoriya raketnykh dvigateley [Theory of the rocket engines]. Moscow: Mashinostroenie, 1989. 464 p.
12. Abugov D.I, Bobylev V.M. Teoriya i raschet raketnykh dvigateley tverdogo topliva [Theory and calculation of solid rocket motors]. Moscow: Mashinostroenie, 1987. 272 p.
13. Volkov E.B., Syritsyn T.A., Mazing G.Yu. Statika i dinamika raketnykh dvigatelnykh ustanovok. Kniga 1. Statika [Statics and dynamics of rocket propulsion. Book 1. Statics]. Moscow: Mashinostroenie, 1978. 224 p.
14. Sorkin R.E. Teoriya vnutrikamernykh protsessov v raketnykh sis-temakh na tverdom toplive: vnutrennyaya ballistika [The theory of chamber processes in missile systems with solid propellants: internal ballistics]. Moscow: Nauka, 1983. 288 p.
15. Lipanov A.M., Aliev A.V. Proektirovanie raketnykh dvigateley tverdogo topliva [Designing solid rocket motors]. Moscow: Mashinostroe-nie, 1995. 400 p.
Об авторах
Бачурин Александр Борисович (Уфа, Россия) - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета (450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12, e-mail: [email protected]).
Стрельников Евгений Владимирович (Уфа, Россия) - аспирант кафедры «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета (450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12, e-mail: [email protected]).
Целищев Владимир Александрович (Уфа, Россия) - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета (450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12, e-mail: pgl.ugatu@ mail.ru).
About the authors
Aleksandr B. Bachurin (Ufa, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Senior Lecturer, Department of Applied Hydromechanics, Ufa State Aviation Technical University (12, K. Marksa st., Ufa, 450000, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Evgeny V. Strelnikov (Ufa, Russian Federation) - Postgraduate Student, Department of Applied Hydromechanics, Ufa State Aviation Technical University (12, K. Marksa st., Ufa, 450000, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Vladimir A. Tselischev (Ufa, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Applied Hydromechanics, Ufa State Aviation Technical University (12, K. Marksa st., Ufa, 450000, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Получено 18.04.2016
