CC BY
173
УДК 629.7.036.54-63
ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОВАНИЕМ ТОПЛИВА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ «СОЮЗ-2» И «СОЮЗ-СТ»
А.Я. Андриенко, Л.Н. Вельский, М.И. Заплатин, Г.П. Лосев, E.H. Маханек, А.И. Чадаев
Изложены принципы создания цифровой системы управления расходованием топлива ракет-носителей «Союз-2» и «Союз-СТ», обеспечивающей повышение их эксплуатационных характеристик.
Ключевые слова: цифровая система, терминальное управление, алгоритмическая защита, летные испытания.
ВВЕДЕНИЕ
С 1950-х гг. было создано несколько поколений систем терминального управления расходованием топлива (СУРТ) для отечественных межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и ракет-носителей (РН) космического назначения [1, 2].
Системы первого поколения реализованы в виде автономных аналоговых приборов — для стендового ракетного изделия 8К51-РД и для первой в мире межконтинентальной ракеты 8К71, а также всех ее последующих модификаций (включая РН «Спутник», «Восток» и др.) — вплоть до РН «Союз».
Системы СУРТ второго поколения были построены на дискретном принципе в виде специализированных (автономных) вычислительных устройств — для МБР 8К68, 8К75, 8К84, 8К99 и др.
И, наконец, широкие возможности, доставляемые современными бортовыми вычислительными комплексами (БЦВК) в части воспроизведения сложных алгоритмов управления, предопределили возникновение третьего — цифрового — поколения СУРТ применительно к РН «Союз-2» и «Союз-СТ».
Переход на цифровые принципы действия СУРТ доставляет дополнительные возможности совершенствования алгоритмов терминального управления расходованием топлива в обеспечение:
• улучшения точностных характеристик СУРТ;
• расширения функций, выполняемых системой, — в части формирования признака полной
выработки топлива ракетного блока для повышения:
— либо надежности выведения при рутинной эксплуатации РН;
— либо грузоподъемности в «рискованных» запусках РН (с массой полезного груза, превышающей штатно допустимую).
• совершенствования средств алгоритмической защиты (от сбоев смежных бортовых систем).
1. ЗАДАЧА ТЕРМИНАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОВАНИЕМ ТОПЛИВА
Уравнение объекта СУРТ (двигательной установки и топливных баков многоблочной ступени РН) имеет вид [3]:
х, = Т, (х, - !, и - р V, Щ), I = 1, 2, ..., I + 1. (1)
Здесь х, — вектор координат объекта (тяги каждого из двигателей ступени, соотношения расходов компонентов топлива в каждом из ракетных блоков и массы компонентов топлива в каждом баке) в дискретный момент I, определяемый, в частности, как момент времени ^ достижения кажущейся скоростью Щ ракеты порогового значения Щ; и; — значение вектора управления в тот же момент времени (управляющие уставки для регуляторов давления в камерах сгорания и приводов дросселей в магистралях компонентов топлива); V — случайный и неизменный во времени I вектор возмущений.
Вектор измеряемых координат СУРТ
У, = сМр Ь), I = 1, 2, ..., I, (2)
где Ь, — случайный вектор ошибок измерений.
Требуется определить: функцию управления и = иг<У1г-, и0(/ - 1)), I = 1, 2, ..., I, из некоторого допустимого множества и и последовательность W1 г = (Ж1, Щ, ..., Ж7), обеспечивающую наименьшее значение риска
Я = М рР(х7 + 1)], (3)
задаваемого как математическое ожидание М функции потерь ¥ от конечного состояния объекта управления в терминальный момент I + 1:
Процедура решения задачи (1)—(3) терминального управления в цифровой СУРТ состоит в следующем:
— на основе принятой модели объекта анализируется поведение системы до текущего момента I (так называемый анализ предыстории процесса управления) и с помощью методов фильтрации находятся статистические оценки действующих в системе возмущений V;
— находится реакция объекта на воздействия, соответствующие найденным оценкам возмущений, в предположении, что после момента I значение управления не изменяется;
— определяется отклонение реакции объекта х1+ 1 в терминальный момент от заданного значения х ;
зад'
— полученное отклонение используется как входная команда регулятора, исполнение которой и реализует компенсацию возмущающих воздействий V, естественно, в рамках возможностей, предоставляемых множеством и допустимых управлений.
2. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВОЙ СУРТ
Реализованная для РН «Союз-2» и «Союз-СТ» цифровая СУРТ обладает следующими особенностями.
• В области первичной обработки уровнемерной
информации:
— для преобразования уровнемерной информации применена гибридная схема, в которой преобразование высокочастотных выходных сигналов мостовой цепи в непрерывные сигналы постоянного тока осуществляется в аналоговом виде, а выполнение остального ряда задач первичной обработки уровнемерной информации реализуется в БЦВК;
— аналого-цифровые преобразователи информации установлены в максимальной близости от измерительных датчиков уровнемеров СУРТ; минимизированы протяженности цепей для передачи аналоговых сигналов и применены кодовые линии связи для передачи информации;
— в БЦВК реализованы более сложные и совершенные алгоритмы обработки уровнемерной информации, позволившие существенно повысить надежность определения моментов времени прохождения уровней компонентов топлива через чувствительные элементы датчиков уровней [4, 5].
• В области подавления автоколебаний в системе регулирования соотношения компонентов (РСК):
— значительно расширена зона нечувствительности по ошибке регулирования;
— введено нелинейное интегрирующее звено с ограничением входного и выходного сигналов для обеспечения заданной точности отработки управляющего сигнала СУРТ при увеличенной зоне нечувствительности;
— улучшена схема построения контура системы РСК, в которой по числу импульсов с датчика расхода в нерегулируемой магистрали и уставочному значению коэффициента объемного соотношения расходов определяется требуемое (программное) число импульсов с датчика расхода, которое должно быть в регулируемой магистрали.
• В области совершенствования алгоритмов терминального управления применительно к штатным и нештатным условиям эксплуатации СУРТ:
— коренным образом обновлены алгоритмы действия СУРТ: (управление формируется с учетом всей полетной предыстории РН);
— от пуска к пуску обновляется параметрическое обеспечение бортовой системы управления путем коррекции массива параметров СУРТ с последующим переводом их из оперативной в долговременную память БЦВК — по мере накопления результатов анализа проведенных пусков.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ СУРТ В СОСТАВЕ РН «СОЮЗ-2» И «СОЮЗ-СТ»
К настоящему времени практически завершены летно-конструкторские испытания РН «Союз-2», в ходе проведения которых с 2004 г. осуществлено 16 пусков, и выполнены два пуска РН «Союз-СТ». Пуски РН «Союз-2» проводились со стартовых площадок космодромов Плесецка и Байконура, пуски РН «Союз-СТ» выполнены с французского космодрома «Куру».
82
СОЫТВОЬ БС!ЕМСЕ8 № 5 • 2012
В каждом из проведенных пусков РН наряду с решением задач летно-конструкторских испытаний выполнялись задачи (за исключением первого пуска) по выведению космических аппаратов на различные орбитальные траектории с заданными параметрами. По результатам пусков, благодаря наличию в составе системы управления цифровой системы телеметрических измерений, позволившей существенно увеличить объем и качество передаваемой телеметрической информации, автоматизировать процесс обработки полученной информации, была получена уникальная информация, анализ которой показал эффективное и надежное функционирование всех систем РН «Союз-2», в том числе СУРТ.
В части достигнутых результатов функционирования СУРТ можно отметить, что обеспечено выполнение всех заданных в ТЗ на разработку системы управления технических требований, предъявляемых к СУРТ. В частности, точность внутри-блочного регулирования опорожнения баков по бортовой информации на момент срабатывания последних чувствительных элементов датчиков уровней составила для:
— центрального блока не хуже ± 0,12 с;
— боковых блоков не хуже ± 0,3 с;
— блока 3 ступени не хуже ± 0,4 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совмещение средств решения задач управления РН и управления расходованием топлива в едином БЦВК позволило значительно сократить массу аппаратуры СУРТ, повысить надежность системы, а также расширить функциональные возможности СУРТ — осуществить, в частности, прогнозирование на борту РН момента окончания топлива, а также реализовать новые способы алгоритмической защиты, обеспечивающие поддержание высокой эффективности действия системы при отдельных отказах в ее аппаратуре.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андриенко А.Я., Иванов В.П., Портнов-Соколов Ю.П. Система управления расходованием топлива жидкостных ракет. История создания и пути развития // Космонавтика и ракетостроение. — 1999. — Вып. 15. — С. 133—137.
2. Андриенко А.Я., Иванов В.П. Совершенствование энергетических характеристик жидкостных ракет средствами автоматического управления // Проблемы управления. — 2009. — № 1. — С. 66—71; № 2. — С. 59—65.
3. Бортовые терминальные системы управления / Б.Н. Петров, Ю.П. Портнов-Соколов, А.Я. Андриенко, В.П. Иванов. — М.: Машиностроение, 1983.
4. Патент РФ 2397454 от 20.08.2010 г. Устройство для измерения уровня диэлектрического вещества / С.Н. Менде-лев, М.И. Заплатин, Г.П. Лосев, В.В. Нечаев.
5. Патент РФ 2397455 от 20.08.2010 г. Способ измерения уровня диэлектрического вещества / С.Н. Менделев, М.И. Заплатин, Г.П. Лосев и др.
Статья представлена к публикации членом редколлегии Б.В. Павловым.
Андриенко Анатолий Яковлевич — д-р техн. наук, зав. лабораторией, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, г. Москва, ® (495) 334-88-71, И [email protected],
Бельский Лев Николаевич — канд. техн. наук,
зам. ген. директора по ракетно-космической тематике,
Федеральное государственное унитарное предприятие
«Научно-производственное объединение автоматики
им. академика Н.А. Семихатова»
(ФГУП НПОА им. академика Н.А. Семихатова),
г. Екатеринбург, ® (343) 350-55-41,
Заплатин Михаил Иванович — гл. специалист,
ФГУП НПОА им. академика Н.А. Семихатова, г. Екатеринбург.
® (343) 355-95-85, И [email protected],
Лосев Герман Петрович — канд. техн. наук, вед. науч. сотрудник, ФГУП НПОА им. академика Н.А. Семихатова, г. Екатеринбург, ® (343) 350-90-48, И [email protected],
Маханек Елена Николаевна — вед. инж.-конструктор, ФГУП НПОА им. академика Н.А. Семихатова, г. Екатеринбург, ® (343) 350-90-48,
Чадаев Александр Иванович — канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, г. Москва, ® (495) 334-88-71, И [email protected].
Не забудьте подписаться!
Подписку на журнал «Проблемы управления» можно оформить в любом почтовом отделении (подписной индекс 81708 в каталоге Роспечати или 38006 в объединенном каталоге «Пресса России»), а также через редакцию с любого месяца, при этом почтовые расходы редакция берет на себя. Отдельные номера редакция высылает по первому требованию.
W
