«ГИДРОАВТОМАТИКА РЕГУЛИРУЕМОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ (РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ) ...»

гидрорегулированием, проведенные в УАИ, показали, что на основе этого способа возможно создание РДУ с глубоким регулированием тяги и расхода газа (в 20…50 раз). Отмечено, что при глубоком регулировании тяги переходный процесс сопровождается значительным забросом давления, величина которого снижается с уменьшением глубины регулирования и с увеличением свободного объема камеры. Показано, что одноканальная схема в общем случае имеет неудовлетворительные динамические характеристики, в связи с чем необходим переход к многоканальным и наборным зарядам.

Регулировать тягу можно, изменяя следующие параметры:

площадь критического сечения сопла – F * ;

площадь поверхности горения топлива – SV ;

массоподвод в камеру сгорания – в этом случае процесс может быть неоднозначным, активные вещества изменяют характер горения, скорость и иные параметры двигателя.

скорость горения топлива – U ;

Наиболее отработанным на сегодня необходимо признать метод управления модулем тяги, посредством гидравлической рулевой машины изменяя критическое сечение сопла двигателя. Уменьшая F * можно значительно поднять давление в камере сгорания и, в меньшей степени газоприход и тягу.

Соответственно, с ростом давления возрастает скорость горения топлива. Сильное влияние на статические характеристики оказывает показатель степени в законе скорости горения –. Топлива с малыми значениями (в диапазоне до 0,5) практически не пригодны для использования в регулируемых ДУ – так для топлива с 0,5 всего при двукратном изменении тяги давление в камере сгорания возрастает почти в пять раз. Картина существенно меняется при расчете характеристик с использованием топлив с отрицательными.

Конструктивная реализация схемных решений гидроавтоматики для управления величиной газоприхода и тяги изменением критического сечения сопла на сегодня наиболее разработана. Исторически, впервые эта задача решалась с применением сопел с гидравлическим приводом центрального тела, щелевых и авторегулируемых сопел, сопел – клапанов различных схем. Подробно эти схемные решения рассмотрены в [61,80].

Эффективность этого способа управления определяется степенью воздействия (глубиной проникновения) вдуваемой струи на основной поток.

Картина, здесь получается значительно сложнее, чем при механическом воздействии; кроме изменения критического сечения свой вклад в уровень изменения тяги вносит и вторичная газовая струя, причем ее влияние зависит от ее параметров – температуры, химического состава, возможностей реакции с основным газовым потоком. При смещении точки вдува в расширяющуюся часть сопла возникает сложная и динамически неустойчивая система скачков уплотнения, которая увеличивает потери удельного импульса. Газ может вдуваться как из посторонних источников (специальных газогенераторов), так и перепускаться непосредственно из камеры РДТТ.

Для управления движением РДТТ различных классов необходимо решение задач: стабилизации, программного управления, адаптивного программного и Рисунок 1.3. Классификация задач, методов управления и основных схем ДУ твердого топлива управления можно свести к двум принципиально различным группам способов управления процессами работы РДТТ.

К первой группе относятся способы управления газоприходом продуктов сгорания в РДТТ посредством воздействия на внутрикамерные процессы.

Во вторую группу входят способы управления истечением продуктов сгорания из сопла РДТТ.

Представленные типы управляющих воздействий и их сочетания служат основой принципов построения схем управляемых РДТТ и ГГТТ.

значительным стимулом для разработки и исследования гидроавтоматики регулируемых двигательных установок. Наиболее перспективной схемой регулирования является электрогидравлическая система, оснащенная гидравлической машиной для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегатом для управления площадью поверхности горения твердого топлива гидравлическим способом. Именно на них основана реализация исследований по решению проблемы «Электрогидравлические системы управления регулируемой двигательной установкой твердого топлива многократного включения» по направлению «Ракетостроение» в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно – педагогические кадры инновационной России»

на 2009– 2013 г.г.

1.2 Аналитический обзор литературы и анализ математических моделей систем электрогидравлического управления РДУ.

Для разработки и исследования гидроавтоматики РДУ необходимо всесторонне рассмотреть теорию объекта управления и учесть в работе его особенности.

Теория регулируемых двигательных установок на твердом топливе является промежуточным звеном между фундаментальными и прикладными науками, которые составляют основу проектирования и производства ракетных двигателей твердого топлива. К основным направлениям развития теории РДТТ относится:

–термодинамика двигателя на твердом топливе;

– внутренняя баллистика РДТТ;

– теория горения твердых ракетных топлив;

– внешняя баллистика или теория полета неуправляемых ракет.

Одной из основных задач в теории внутренней баллистики РДТТ является расчет изменения давления в камере сгорания в зависимости от времени p(t ) при различных параметрах камеры сгорания (геометрические параметры камеры сгорания и самого заряда, физико-химические характеристики топлива, площадь критического сечения сопла, свободный объем камеры сгорания и т.д.). В свою очередь, зависимость p(t ) влияет на изменение во времени тяги двигателя [36].

Одними из первых теоретических исследований в области внутренней баллистики явились труды советских ученых Д.А. Вентцеля «Теория реактивного действия» и И.П. Граве «Внутренняя баллистика» (1936г.) Профессор Серебряков М.Е рассмотрел процесс горения пороха в незамкнутом объеме. Работы ученых имели важное значение в становлении внутренней баллистики РДТТ, в разработке аналитических методов решения ее задач. В тоже время труды этих ученых имели ряд общих недостатков. В них не учитывалось в должной степени условия горения порохового заряда в камере сгорания. В работах ученых наиболее ошибочным являлся закон скорости горения пороха u u1 p(t ), записанный в таком виде, в котором он принимался в ствольной артиллерии [36].

К началу 40–х годов был получен эмпирический закон горения твердого топлива, записанный в общем виде:

где f ( ) – влияние эрозионного фактора, (T3 ) – влияние температурного фактора.

определения рабочего давления в камере сгорания РДТТ и решения основной задачи внутренней баллистики.

В связи со сложностью РДТТ как объекта управления в настоящее время не удается обеспечить применение математических моделей наиболее точно описывающие процессы в камере сгорания. Компромиссным решением для практики является построение относительно простых математических моделей, основанных на системах алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений, построенных с использованием методов идентификации с учетом экспериментальных результатов. В вопросах, связанных с созданием гидравлических схем регулирования ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и математическими моделями их функционирования, следует отметить вклад многих отечественных предприятий. В частности, это ФГУП «Московский институт теплотехники», ГРЦ «КБ им. В.П. Макеева» (г. Миасс), НПО «Искра» (г.

Пермь), НПО «Алтай» (г. Бийск), НПО «Союз» (г. Люберцы), НПОА (г.

Екатеринбург), НИИАП (г. Москва), ПНИПУ, ЮУрГУ, ИжГТУ, УГАТУ (г.Уфа), МГТУ им. Н.Э. Баумана, КГТУ им. Туполева. Существенный вклад в создание основ теории управляемых двигателей внесли такие ученые (и их научных школ) как А.М. Липанов, Е.А. Федосов, Л.Н. Лавров, М.И. Соколовский, В.И. Петренко, В.И. Феофилактов, В.М. Бобылев, В.Ф. Присняков, Б.Н. Лагутин, А.А. Шишков, Б.Т. Ерохин, В.Г. Зезин, С.Д. Ваулин, А.М. Русак, И.А. Кривошеев, В.А. Целищев, Wengan Xu, J.A Steinz, Ide Kym, M. и др.

В последние годы в России наблюдается резкое снижение публикаций и защит диссертаций по тематике ракетостроения. Можно выделить исследования, проводимые в Ижевском государственном техническом университете [33,73-75].

В частности созданы эффективные методы и алгоритмы формализации процессов функционирования РДТТ и его элементов на основе данных натурного эксперимента, а также обоснование применения полученных математических зависимостей в комплексной математической модели функционирования двигательной установки, что позволяет повысить качество проектирования РДТТ при значительном сокращении материальных затрат, связанных с экспериментальной отработкой подобных двигателей. Показана возможность формулировки задач о выборе конструктивных параметров ТРДУ как задач математического программирования и задач безусловной оптимизации. Одна задача – задача о выборе коэффициентов, входящих в закон регулирования параметров ТРДУ. Вторая задача – определение зависимости температуры на поверхности горящего топлива как функции давления продуктов сгорания Ts ( p ) по результатам экспериментальных исследований нестационарной скорости горения твердого топлива.

Предложена методика расчета возмущений на регулируемом участке работы ТРДУ основанная на учете поправки к значению расчетного давления в камере сгорания (математическому ожиданию) стохастической составляющей заданной амплитуды, математическое ожидание которой равно нулю. Показано, что при оптимально выбранных коэффициентах в законе регулирования, качество работы ТРДУ остается высоким и при воздействии стохастических и периодических возмущений. Кроме того, установлено, что увеличение уровня программного давления приводит к росту отклонений давления от его математического ожидания. Установлено, что с ростом свободного объема камеры сгорания влияние стохастических возмущений уменьшается.

Одна из проблем работы РДТТ – неустойчивость рабочего процесса течения продуктов сгорания в объеме КС. Более чем за пятидесятилетний период исследований в этом направлении актуальность проблемы не уменьшилась. Более энергомассовыми, прочностными, эксплуатационными и другими характеристиками актуальность проблемы обострилась. В КС РДТТ могут возникать регулярные колебания давления с частотой, близкой к собственной частоте колебаний газа в КС, и с нарастающей по времени амплитудой (которая может стабилизироваться на некотором уровне). Такой вид нестационарности (акустическая неустойчивость процесса течения продуктов сгорания в РДТТ) связан с возбуждением звуковых волн в КС. Было установлено что высоким давлениям сопутствуют высокочастотные колебания давления, которые усиливаясь, вызывают резкое увеличение скорости горения пороха. Наиболее подверженными резонансному горению оказались нитроглицериновые пороха высокой калорийности. Неустойчивость процесса течения продуктов сгорания в РД является автоколебательным процессом изменения рабочих параметров, количественные параметры которых выходят за установленные пределы.

Неустойчивость процесса течения в РДТТ ухудшает внутрибаллистические характеристики РД, способствует возникновению демаскирующих шумов, способна вывести из строя бортовую аппаратуру и разрушить сам двигатель. С таким явлением впервые столкнулись при разработке ракетной техники в США, где для предотвращения вибрационного горения при работе РДТТ был разработан ряд конструктивных мер (стержни внутри канала шашки, радиальные сверления в шашках и др.) достигнуты в Пермском государственном техническом университете [49-51].

Разработана физико-математическая модель и создан комплекс прикладных программ для численного моделирования низкочастотной акустической неустойчивости в КС РДТТ на расчетном (маршевом) режиме его работы; – приведены результаты численных расчетов, подтверждающие газодинамическую природу низкочастотных колебаний давления в РДТТ, частота и амплитуда которых зависят от конфигурации внутренней полости КС двигателя. В последние годы в университете совместно с ОАО научно– производственным объединением "Искра" значительное внимание уделяется разработке узлов и устройств системы гашения и изучению процесса гашения заряда твердого топлива в камере сгорания.

низкотемпературных твердотопливных газогенераторов ведутся в ЮжноУральском государственном университете. В работах профессора Ваулина С.Д.

разработаны математические модели рабочих процессов, накоплены и обработаны экспериментальные данные по испытаниям низкотемпературных твердотопливных газогенераторов, разработан новый метод параметрической идентификации. Также ведутся исследования процесса гашения в камере сгорания РДТТ на поверхности твердого топлива, динамики тепломассообменных аппаратов, проводится моделирование теплофизических процессов в энергетических системах.

На кафедре спецдвигателей Казанского авиационного университета, под началом профессора, академика Фахрутдинова И.Х., на протяжение многих лет ведутся работы по созданию конструкции и основ проектирования ракетных двигателей твердого топлива различного назначения. В трудах коллектива предложены принципы проектирования двигателя, приводятся методики проведения инженерных расчетов, дается обоснование выбора и применения конструкционных материалов. Авторы заостряют внимание на технологичности конструкции, отработке двигателей и испытаниям их на различных этапах.

Большой вклад в развитие теории и накопление экспериментальных данных по ракетным двигателям на твердом топливе в отечественную науку сделано на кафедре “Ракетных двигателей” МГТУ им. Баумана. Школа была сформирована в 40-50-х годах в творческом содружестве с родственными кафедрами Московского авиационного института, с работающими в Московском регионе научными и промышленными предприятиями и организациями ракетно-космического профиля. На кафедре ведутся научные исследования в области ракетных двигателей по следующим направлениям:

- Термогазодинамика сверхзвуковых двухфазных течений в соплах ракетных двигателей.

- Экспериментально-теоретические исследования процессов воспламенения и горения порошкообразных металлических горючих.

- Процессы тепломассообмена в камерах сгорания ракетных двигателей.

- Тепловая защита камер сгорания ракетных двигателей.

- Исследование динамических характеристик ракетных двигателей.

- Стендовая отработка ракетных двигателей.

- Автоматизация проведения огневых стендовых испытаний и обработки результатов экспериментальных исследований.

- Компьютерное моделирование рабочих процессов в ракетных двигателях.

В 1969 году была создана лаборатория ракетных двигателей, которая является учебной и научо-экспериментальной базой кафедры "Ракетные двигатели" и НИИ ЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Создание лаборатории позволило на высоком уровне проводить экспериментальные исследования рабочих процессов, протекающих в ракетных двигателях, проверять полученные результаты на модельных двигателях, проводить стендовую отработку натурных двигателей и энергосиловых установок, вырабатывать рекомендации по проектированию различных ракетных двигателей.

По результатам исследований, выполненных в лаборатории, получено более 40 свидетельств на изобретения и патентов, опубликовано более 70 печатных трудов, выпущено более 100 научно-технических отчетов.

Результаты которые были получены на базе лаборатории легли в основу трудов таких ученых как А.В. Сухова, А.А. Щербакова, В.Г. Цегельского, А.В.

Воронецкого, Д.А. Ягодникова, кандидатских диссертаций В.И. Крылова, А.П.

Шпары, С.Н. Пенькова, А.А. Дорофеева, С.Ф. Максимова, Арт.В. Новикова, А.В.

Синцова, кандидатских диссертаций сотрудников лаборатории В.А. Чернова, Ал.В. Новикова, В.И. Томака, Б.Л. Дьяченко, А.И. Вяткина, И.А. Антонова и других.

В Уфимском авиационном институте (УАИ) в течение ряда лет исследовалась схема регулируемой двигательной установки с управлением поверхностью горения твердого топлива, так называемая "гидравлическая" схема управления величиной поверхности горения. Особенности процесса освобождения каналов в заряде, предварительно заполненных жидкостью, и процесса горения твердого топлива приводят к образованию конической поверхности горения и изменению местной скорости горения. Практическая реализуемость данного способа впервые подтверждена экспериментально В.М.

Бобылевым и др. на модельных стендовых установках. Дальнейшие экспериментальные и теоретические разработки, выполненные в УАИ (позднее – УГАТУ) показали ограниченные возможности этого способа регулирования как по глубине изменения тяги, так и по характеристикам переходных процессов.

В проводимых коллективом исследованиях “гидравлический” способ регулирования модуля тяги получил дальнейшее развитие вследствие оснащения РДТТ специальной системой автоматического управления с двумя подсистемами:

подсистемой регулирования давления в камере сгорания изменением минимального сечения сопла и подсистемой управления сливом жидкости из каналов заряда. Эта схема обладает рядом преимуществ перед другими обсуждаемыми техническими решениями: значительной “глубиной” регулирования, сравнительно простой схемой управления, низкими массогабаритными характеристиками, использованием существующих штатных топлив, высокой надежностью получения требуемой тяги, обеспечиваемой использованием ранее отработанных узлов и схем, удобством эксплуатации.

управления РДУ Источники развития ракет на твердом топливе заложены во внутренних противоречиях самого топлива. Первое противоречие заключается в двойственной природе самого топлива, которое представляет энергетическую систему с одной стороны и является твердым телом с присущей ему механической структурой. С одной стороны, существует стремление повысить энергетические характеристики за счет включения в его состав тех или иных химических ингредиентов, с другой стороны это часто оказывается недопустимо из-за противоречия с эксплуатационными характеристиками, возможности изготовления заряда и снаряжения двигателя. Второе противоречие заключается в том, что твердое топливо обладает комплексом баллистических характеристик, определяющих возможности организации рабочего процесса двигателя. Это сказывается на устойчивости рабочего процесса, а также на коэффициенте массового совершенства двигателя. Разрешение этих противоречий на определенной стадии развития техники достигалось посредством создания нового типа топлива и топливно-конструктивного типа двигателя [36-37].

На сегодняшний день перспективы развития, ракетно-космической техники трудно представить без РДТТ, работающих на высокоэффективных топливах и выполняющих широкий диапазон функций – от старта крупных летательных аппаратов до аварийного спасения космонавтов на начальном участке вывода космических кораблей на околоземные орбиты, разделения ступеней ракетоносителей, раскрутки ракетных ступеней и космических аппаратов с целью их стабилизации в полете, создания начальных перегрузок для нормального запуска ЖРД в невесомости, использования в разгонных блоках и т.д.

Характерной чертой последних лет является все более широкое внедрение РДТТ в те области ракетно-космической техники, где еще совсем недавно применялись только ЖРД [72].

Выбор схемы гидроавтоматики для регулирования РДТТ зависит от типа ракеты, функций выполняемых двигателем, требований, предъявляемых к двигательным системам, и других факторов.

Общее требование, которое определяло в последнее время подход к выбору той или иной схемы регулирования РДТТ и которое не утратило своего значения и сейчас, является требование высокой надежности при запуске, останове и работе на основном режиме двигателя. Можно отметить тенденцию усложнения электрогидравлических систем РДТТ, которое в определенной степени приближало их характеристики к ЖРД. Это позволило, усложняя системы гидроавтоматики РДТТ, повышать их энергетические характеристики, не снижая надежности, готовности к немедленному действию и простоты в эксплуатации.

В последнее время широко проводились работы по совершенствованию конструкции РДТТ, применению для изготовления их элементов из более легких и прочных материалов. Успехи в этом направлении неразрывно связаны с совершенствованием электрогидравлических систем для управления, которые проектируются как с учетом использования в их элементах новых материалов, так и с открывающимися в связи с этим принципиально новыми возможностями [72].

Следует отметить большие успехи в создании эффективных гидроагрегатов управления вектором тяги РДТТ, которые характеризуются высокой надежностью, быстродействием, малым потреблением энергии, небольшой массой и не приводит к существенным потерям удельного импульса двигателя.

Широкое распространение, в перспективе, получат гидродинамические системы, основанные на несимметричном вводе компонента ракетного топлива. В существующих конструкциях для этого используются расположенные вокруг сопла электроуправляемые форсунки. Для хранения и подачи окислителя предусмотрена специальная система вытеснения. Дальнейшие перспективы развития такой системы связано с применением газодинамических систем, работающих на продуктах сгорания, отводимых из основной камеры РДТТ. В этом случае в наиболее тепло- и эрозионно-напряженном узле двигателя – критическом сечении сопла, вообще отсутствуют подвижные детали, а поджатие потока осуществляют за счет воздействия на него дополнительной газовой струи, т.е. увеличению низкоскоростного (и малорасходного) пограничного слоя и в итоге уменьшению фактического сечения сопла. Эффективность этого способа управления определяется степенью воздействия (глубиной проникновения) вдуваемой струи на основной поток. Картина здесь получается значительно сложнее, чем при механическом воздействии; кроме изменения критического сечения свой вклад в уровень изменения тяги вносит и вторичная газовая струя, причем ее влияние зависит от ее параметров – температуры, химического состава, возможностей реакции с основным газовым потоком. При смещении точки вдува в расширяющуюся часть сопла возникает сложная и динамически неустойчивая система скачков уплотнения, которая увеличивает потери удельного импульса.

Газ может вдуваться как из посторонних источников (специальных газогенераторов), так и перепускаться непосредственно из камеры РДТТ. В данной схеме основные трудности заключаются в клапанах, способных работать в высокотемпературном газе.

Также, следует ожидать создания сопел изменяемой формы. Развитие технологии и конструкторской мысли позволили решать эту задачу. Широкое использование в настоящее время получило изменение площади критического сечения сопла с помощью центрального тела с гидравлическим приводом. Данная система предназначена для решения задач ориентации и стабилизации, выполнения программных маневров, сближения, коррекции и т.п. Перемещение центрального тела осуществляется с помощью гидравлической рулевой машины.

Значительное внимание уделяется и различным способам регулирования тяги за счет воздействия и изменения поверхности горения твердого топлива.

Изменение площади горения топлива гидравлическим способом (с учетом Vк ), непосредственно влияет на газоприход, давление в камере сгорания и, соответственно, тягу двигателя. Специфика решаемой задачи – твердое топливо находится в камере сгорания двигателя, определяет сложность и многовариантность ее решения. Так, перемещение участков и отдельных блоков топлива должно производиться с соблюдением мер, защищающих соседние участки его от преждевременного загорания, в то же время, воспламенение вновь поданных в зону горения блоков топлива не должно затягиваться во времени.

Известные на сегодня способы управления величиной поверхности горения ТТ можно обобщить следующим образом: – способы, использующие разгар каналов, имеющихся в твердотопливном заряде – "гидравлический" способ, использование вытяжных малотеплопроводных нитей, использование теплопроводных труб, употребление зарядов, состоящих из наборных пластин. Эта группа способов использует эффект освобождения канала, занятого инертным телом и зажигания горячими газами поверхности не горящих еще участков заряда [48, 59, 78, 84].

Другая группа способов основана на порционной или непрерывной подаче в камеру сгорания отдельных объемов твердого топлива.

Имеется значительное количество патентов, описывающих тот или иной механизм подачи, способы сохранения топлива от преждевременного воспламенения и т.д. Сильной стороной всех этих способов является возможность значительной дискретизации, т.е. получение большой глубины регулирования тяги – основной недостаток состоит в конструктивной сложности механизма подачи и, как правило, в невысоких массовых характеристиках двигателя.

Самостоятельную группу методов составляют схемы с использованием "теплового" ножа. Идея этого метода состоит в локальном увеличении теплового потока в тело заряда. Повышение теплового потока, изменяя начальную температуру заряда в месте теплоподвода, приводит в итоге к увеличению скорости горения, а соответственно и величины поверхности горения SV.

Тепловой нож выполняется в виде пластины или набора стержней из высокоплавкого материала. Эта пластина, посредством приводного механизма, входит в контакт с поверхностью ТТ, причем усилие контакта можно варьировать. Работы, проведенные в ОКБ "Темп" показали надежность и хорошую повторяемость этого способа [78]; в экспериментах увеличение тяги достигало 3 – 3,5 раз. Показано, что эффективное поджатие теплового ножа к поверхности заряда осуществляется с помощью гидропривода.

Конструктивно гидропривод может располагаться вне камеры двигателя и внутри камеры, как показано на рисунках 1.4 – 1.5. При этом гидропривод может приводиться в действие за счет давления продуктов сгорания РДТТ.

Анализ способов регулирования модуля тяги изменением площади поверхности горения показывает, что весьма перспективным является гидравлический способ, основанный на регулировании слива жидкости из каналов в заряде твердого топлива [15, 78, 84]. В соответствии с этим способом тело заряда вдоль направления горения пронизывается цилиндрическими каналами диаметром 1 – 20 мм. Торцы каналов, выходящие на несгораемую поверхность заряда, соединяются через специальный регулирующий гидравлический клапан с дополнительной камерой или с атмосферой. Каналы заполняются жидкостью (спирт, керосин, смесь соды с глицерином, водой), которая под воздействием давления в камере сгорания вытесняется из каналов через регулирующий клапан с определенной скоростью. Вытесняя жидкость, горячие продукты сгорания проникают в освободившиеся каналы и поджигают их стенки, в результате чего торцевая поверхность горения заряда превращается в Рисунок 1.4 – РДТТ с гидрорегулированием Рисунок 1.5– Регулирование модуля тяги с помощью 3) сложность регулирования определения площади поверхности горения и перепада давления по длине канала в процессе горения.

Таким образом, потребности повышения дальности полета ракет, создание высокоточных систем наведения предъявляет повышенные требования к надежности и точности отработки сигналов управления электрогидравлическими исполнительными механизмами.

Основные направления научных разработок в области ракетных двигателей:

(эксплуатационным, стоимостным и др.) требованиям ракетных топлив;

создание конструкционных материалов, обладающих высокой удельной прочностью и другими необходимыми свойствами;

создание высокоэффективных теплозащитных материалов;

разработка теории горения топлив, обеспечение требуемых законов и устойчивости горения;

термостойкости конструкций;

исследование вопросов течения продуктов горения твердых топлив в камере и сопле; разработка методов профилирования сопел;

разработка теории нестационарных процессов работы РДТТ, обеспечение необходимых режимов воспламенения зарядов и выключения двигателя;

разработка теории систем управления модулем и вектором тяги РДТТ;

обеспечение стабильности характеристик двигателей при различных возмущающих воздействиях.

определенную кинетическую энергию, двигательные установки (ДУ) управления движением обеспечивают оптимальное распределение импульса тяги по траектории полета, изменение траектории и ориентацию ЛА в пространстве. Для ракетно-космической техники в настоящее время более приоритетными вопросами являются уже не проблемы дальности и максимального удельного импульса, а вопросы точности наведения головных частей, выполнения орбитального маневра. Гарантией требуемой точности является наличие на головной части ракеты корректирующей двигательной установки или нескольких установок, выполняющих различные задачи. Управление головными частями ракет по трем каналам – тангаж, рыскание и крен – требует реализации разных циклограмм тяги, где максимальный и минимальный уровни могут отличаться в 100 – 150 раз. Обеспечение такого широкого диапазона регулирования в РДТТ, особенно в жестких условиях нисходящей ветви траектории полета, является трудной и нереализуемой еще сегодня задачей. Известный способ управления тягой изменением минимального сечения сопла не позволяет получить регулирование тяги более чем в 3 – 5 раз.

энергетических, физико-механических и эксплуатационных характеристик топлив, а также снижении стоимости разработки и изготовления двигателей.

Прорывы в области совершенствования твердых топлив приблизили характеристики их удельного импульса, плотности, механических свойств и скорости горения к теоретически возможным, и поэтому в ближайшем будущем подобных прорывов в улучшении их характеристик не предвидится. Наибольший приоритет при создании новых РДТТ будут иметь поиск новых технических решений и использование перспективных конструкционных материалов.

Одним из таких перспективных технических решений может стать создание РДТТ с комбинированной электрогидравлической системой управления многократного включения. Использование подобных двигателей будет способствовать увеличению дальности пуска ракет, повышению их скорости и маневренности на конечных участках полета.

представляется в виде трехрежимной (режим “молчания”, режим управления, коррекции и форсажный режим) установки с длительностью переходных режимов воспроизводимостью, с многократным переключением с режима на режим и практически неограниченной длительностью режима молчания [71].

1.4 Постановка цели и задач исследования

Работа по созданию гидроавтоматики РДУ многократного включения с комбинированной электрогидравлической системой управления модулем тяги посредством управления площадью поверхности горения твердого топлива и площадью критического сечения сопла в Уфимском государственном авиационном техническом университете ведется более 25 лет. В данной работе будут рассмотрены цель и задачи проектирования гидроавтоматики РДУ для управления модулем тяги. Использование гидравлической машины для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегата для управления площадью поверхности горения твердого топлива гидравлическим способом позволяет создать комбинированную систему для управления двигателем твердого топлива. Комбинированная схема гидроавтоматики для управления по двум каналам позволяет получить большое поле характеристик, обеспечить значительную глубину регулирования.

Одной из рассматриваемых задач, является разработка гидроавтоматики РДУ. Особенностями задачи разработки и исследования электрогидравлической системы для управления РДУ являются специфические требования, свойственные беспилотным летательным аппаратам. При разработке принципиально новой электрогидравлической системы регулирования необходимо учесть все факторы.

При формировании структурной схемы электрогидравлической системы для управления РДУ в настоящее время аналитически можно определить только пределы точности регулирования по определенным регулирующим параметрам.

Однако, такие существенные показатели, как быстродействие, надежность, простота конструкции, массогабаритные характеристики качественному теоретическому анализу в настоящее время не поддаются. Особенно это характерно для регулируемых двигательных установок на твердом топливе, где вопросы оснащения их системами автоматического регулирования весьма сложны из-за слабой изученности самого РДУ как объекта управления.

В данном случае целесообразно идти путем разработки различных вариантов реализации структуры электрогидравлической системы регулирования, обеспечивающих требуемое качество переходного процесса объекта регулирования и наибольшие возможности независимости ослабления статической и динамической составляющих ошибок от основных воздействий. На стадии исследовательской работы прорабатывается несколько альтернативных вариантов.

Основной регулируемой величиной двигательной установки, выступающей в качестве объекта регулирования, является секундный массовый расход газов через сопло. Регулирующим воздействием является площадь управляемого дросселя в гидравлической системе регулирования площади поверхности регулирования твердого топлива за счет слива жидкости из каналов заряда.

Двигательная установка в этом случае представляет собой разомкнутую систему регулирования и организации обратной связи регулируемой координаты двигателя с регулирующим воздействием не представляется возможной. Поэтому качественно улучшить характеристики регулируемой двигательной установки (РДУ) можно лишь с использованием дополнительных регулирующих воздействий, управляющих дополнительными регулируемыми переменными.

Недостаточные возможности эффективного контроля координат, определяющих работу двигательной установки, ограничивают выбор дополнительных регулируемых переменных. Современные технические средства не позволяют, например, непосредственно измерять в процессе работы двигателя изменение, как площади поверхности, так и скорости горения твердого топлива.

В качестве дополнительных регулируемых координат РДУ как объекта управления было выбрано давление в камере сгорания и расход жидкости из гидросистемы управления площадью поверхности горения, а в качестве вспомогательных регулирующих координат двигательной установки принято скорость горения (охлаждения) твердого топлива и площадь критического сечения сопла.

Также, задачей данной работы является разработка математической модели гидроавтоматики РДУ с регулированием площади поверхности горения твердого топлива и площади критического сечения сопла.

Наиболее реальной основой для разработки гидроавтоматики РДУ с глубоким регулированием тяги могут служить схемы с регулируемыми параметрами F* и S п. Указанные способы, в конечном счете, различаются принципом регулирования расхода топлива. Так, при регулировании F* расход топлива меняется за счет изменения скорости горения, которая в свою очередь зависит от давления в камере сгорания. Этим объясняется большая зависимость функции регулирования от чувствительности скорости горения топлива к давлению и температуре топлива. Отсюда вытекают ограничения топлив, пригодных для регулируемых РДУ.

В гидравлическом способе с изменяющейся площадью поверхности горения величина S п непосредственно определяет расход топлива. Изменение же скорости горения вследствие изменения давления в камере сгорания при F* const лишь увеличивает эффект регулирования тяги. Поэтому зависимость эффективности этого метода от закона горения топлива слабее, а выбор топлив гораздо шире.

Серьезным недостатком способа регулирования F* является то, что быстрое его изменение, необходимое для улучшения характеристик гидроавтоматики управления РДУ, вызывает появление нежелательных пиков тяги, направленных противоположно требуемому командой изменению тяги.

Уравнения динамики камеры сгорания РДТТ описывают изменение основных величин, характеризующих ее работу во времени, т.е. представляют зависимости различных параметров камеры сгорания на нестационарных режимах работы. Такими величинами являются, прежде всего, давление в камере сгорания рк, температура продуктов сгорания Т к и др. Для определения закона изменения этих величин во времени на переходных режимах, а также их зависимости от внешних возмущающих воздействий и управляющих факторов необходимо составить математическую модель камеры сгорания.

Остановимся на выборе математической постановки задач расчета внутрикамерных процессов основного участка работы РДУ. С математической точки зрения наиболее строгим подходом к решению этой задачи является рассмотрение всех существенных процессов (горения топлива, внутрикамерных процессов, газовой динамики, теплообмена в газоводах и т.д.) в нестационарной постановке. Однако, из-за больших потребных ресурсов процессорного времени, решение такой задачи на современном этапе является сложно реализуемой.

Вместе с тем, различные рабочие процессы, определяющие уровень текущих расходно-тяговых характеристик, зачастую имеют неодинаковое время переходных процессов, т.е. протекают с разной скоростью. Это позволяет в ряде случаев (например, при рассмотрении РДТТ как объекта регулирования) пренебрегать нестационарностью некоторых из процессов, что понижает размерность модели и существенно уменьшает потребные ресурсы ЭВМ.

Следовательно, выбор рациональной постановки задачи (учет нестационарности лишь существенных процессов) имеет решающее значение при моделировании характеристик основного участка работы РДТТ. [72] Кроме перечисленных выше факторов внутрибаллистические параметры РДУ зависят еще и от скорости изменения среднеобъемных параметров в газоводах.

Задачей данного исследования ставится моделирование гидроавтоматики РДУ с гидравлической машиной для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегата для управления площадью поверхности горения твердого топлива с учетом их влияния на внутрибаллистические характеристики и переходные процессы РДУ;

Задача моделирования гидроавтоматики РДУ значительно упрощается, если нестационарную нелинейную модель объекта регулирования удается с достаточной степенью точности заменить стационарной линейной моделью.

Поэтому для упрощенного описания объекта регулирования и всей системы управления предлагается подход, базирующийся на следующих положениях, рассматриваемых в качестве гипотезы:

разрабатываемая (в строгом смысле нелинейная) система автоматического регулирования в ограниченном пространстве обладает линейными свойствами по отношению к медленным воздействиям;

электрогидравлической системы малочувствительна к слабым помехам, а также к изменениям неучитываемых малых постоянных времени, т.е. малых параметров;

малочувствительна к параметрическим возмущениям в виде изменения параметров объекта управления и регуляторов.

Задачей работы ставится разработка методики моделирования рабочих процессов в гидравлической системе РДУ с учетом взаимного влияния устройств гидроавтоматики.

Новыми научными результатами, полученными в работе, должны стать разработанные методы и средства математического моделирования гидроавтоматики РДУ с учетом влияния стохастического характера изменения параметров, направленные на повышение качества проектирования и доводки электрогидравлических систем управления:

гидроавтоматики, содержащие методы, методики и соответствующее программное обеспечение, позволяющие повысить эффективность этапов проектирования изделий и сократить время разработки до 30–40%.

Необходимо провести натурные эксперименты исполнительных устройств гидроавтоматики и верификация результатов моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовано оборудование лаборатории инновационного центра «Гидропневмоавтоматика», оснащенной уникальными стендами, современными вычислительными средствами со специализированным программным обеспечением, офисной техникой и средствами мультимедиа, беспроводной локальной сетью, сервером центра с базой данных, программным обеспечением для сбора данных, их анализа, представления и управления (Lab VIEW). Уникальные экспериментальные стенды «Диагностика и идентификация гидросистем» и «Исследование статических и динамических характеристик гидравлических исполнительных механизмов» запущены в эксплуатацию в конце 2008 г. Стенды изготовлены Государственным ракетным центром «КБ им.

академика В.П. Макеева» и компанией Hydac. Для адаптации стендов под данную работу произведена доработка оборудования, написано программное обеспечение для работы в автоматизированном режиме Lab VIEW.

На стенде «Диагностика и идентификация гидросистем» проведено экспериментальные исследования статических и динамических характеристик гидроагрегата управления площадью поверхности горения твердого топлива.

На стенде «Исследование статических и динамических характеристик гидравлических исполнительных механизмов» проведено исследование статических и динамических характеристик гидравлической рулевой машины регулирования минимального сечения сопла.

Выводы по главе В данной главе был проведен аналитический обзор научной литературы и патентной документации, связанных с исследованием гидроавтоматики регулируемых ракетных двигателей твердого топлива. Также была составлена классификация систем с электрогидравлическим приводом для регулирования тяги ракетного двигателя по используемым для этого средствам. Проведенный обзор работ ведущих научных организаций и предприятий страны, посвященный данному направлению, показал, что вопрос математического моделирования физических процессов протекающих в гидравлической системе РДУ, остается слабо изученным.

Исследования перспектив развития систем автоматического регулирования показали, что реализованный диапазон устойчивого регулирования модуля тяги посредством механического изменения площади критического сечения сопла находится в пределах 3,0 – 6,0. Газодинамический способ позволяет регулировать модуль тяги в диапазоне 1,7 – 2,0. Интервал изменения при использовании «тепловых» ножей составляет 1,5 – 8,0. При использовании магнитных полей или акустической энергии для воздействия на интенсивность горения топлива величина тяги регулируется в пределах 1,5 – 2,0. Однако, наиболее перспективный способ, позволяющий достичь большую глубину регулирования модуля тяги, является комбинированная электрогидравлическая схема управления, оснащенная несколькими подсистемами регулирования. Данная схема состоит из гидравлической машины для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегата для управления площадью поверхности горения твердого топлива. «Гидравлический» способ регулирования тяги посредством слива рабочей жидкости из каналов в заряде твердого топлива с последующим изменением площади поверхности горения позволит увеличивать тягу двигателя на величину, превышающую номинальное значение более чем в 50. А система поддержания постоянного давления позволяет держать давление на максимально допустимом уровне, который ограничивается конструктивными и прочностными характеристиками камеры сгорания.

Обзор патентов и анализ способов регулирования модуля тяги изменением площади поверхности горения показывает, что весьма перспективным является РДТТ с комбинированной электрогидравлической системой автоматического управления многократного включения. По результатам анализа способов регулирования была разработана новая принципиальная и компоновочная схема электрогидравлической системы управления РДТТ и получен патент RU244389C1.

Целью работы является разработка и исследование гидравлической машины и гидроагрегата для электрогидравлической системы управления РДУ.

В обзорной части были поставлены следующие задачи:

анализ гидравлической системы управления площадью поверхности горения РДУ;

разработка математических моделей гидравлической машины для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегата для управления площадью поверхности горения твердого топлива с учетом их влияния на внутрибаллистические характеристики и переходные процессы РДУ;

проведение экспериментальных исследований исполнительных устройств гидроавтоматики и верификация результатов моделирования;

разработка методики моделирования рабочих процессов в гидравлической системе РДУ с учетом взаимного влияния устройств гидроавтоматики.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПЛОЩАДЬЮ ПОВЕРХНОСТИ ГОРЕНИЯ

Ракетные двигатели твёрдого топлива (РДТТ) имеют практический интерес к этому виду двигателей, это объясняется рядом преимуществ РДТТ:

Простота конструкции двигателя и ракетной системы;

Простота эксплуатации и малое время подготовки двигателя к запуску;

Постоянная готовность к запуску в сочетании с возможностью длительного хранения двигателя;

Высокая надёжность и безотказность двигателя, обусловленные главным образом простотой конструкции.

Отмеченные преимущества предопределяют области применения РДТТ.

Они могут использоваться на летательных аппаратах (ЛА) различного назначения, как стартовые и разгонные двигатели, а также как вспомогательные двигатели в системах управления и питания ЛА.

Одним из известных параметров регулирования ракетного двигателя твёрдого топлива является давление в камере сгорания р к. Воздействие на давление в камере РДТТ можно осуществлять с помощью критического сечения сопла, скоростью горения, величиной поверхности горения и др.

Системы регулирования по параметрам ракеты имеют в качестве регулируемой величины тягу двигателя, этот параметр определяет траекторию полёта летательного аппарата. На ранних этапах использования РДТТ требования по стабильности тяги сравнительно легко удовлетворялись в силу их не слишком большой жесткости. Но со временем, при расширении областей использования ракетных двигателей твёрдого топлива привело к необходимости усложнения систем их регулирования.

Возможность регулирования тяги с помощью изменения параметров двигателя можно показать, получив уравнение для удельного импульса двигателя [37, 45, 53, 72], которое выводится из уравнения сохранения массы, где секундный приход газа в камеру сгорания, обусловленный сгоранием топлива, равен секундному расходу газа через сопло Уравнение внутренней баллистики получается с учетом уравнения сохранения энергии для адиабатного процесса Tк T Tк const, а также при допущении, что продукты сгорания в камере сгорания неподвижны и Сила тяги РДТТ Р определяется формулой, где I у.п – удельный импульс тяги в пустоте, равный, m –- массовый расход продуктов сгорания; Fа – площадь выходного сечения сопла; р H – давление окружающей среды; n – средний показатель изоэнтропы расширения; R, Tос – соответственно газовая постоянная продуктов сгорания и температура сгорания в камере; а – приведённая скорость в выходном сечении сопла.

Секундный расход продуктов сгорания из сопла определяется, где с – коэффициент расхода сопла; F – площадь критического сопла; p к – полное давление продуктов сгорания в конце камеры (равное давлению торможения на входе в сопло);

Секундный газоприход вследствие сгорания основного заряда твёрдого топлива равняется где s – плотность топлива; S – поверхность горения; u – скорость горения.

Примем степенную зависимость скорости горения от давления где – показатель степени в законе горения (определяется природой топлива); u1 – коэффициент, зависящий от природы топлива, начальной температуры заряда и др. параметров;

Система пяти линейных уравнений (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) и (2.5) позволяет найти следующие зависимости отклонения тяги двигателя Р от независимых переменных F, S, m, u 1, Fa :

где 1... 4 функции параметров, характеризующих работу РДТТ, которые определяются решением системы (2.1) – (2.5) для условий номинального режима.

Как видно из формулы (2.6), регулирование тяги РДТТ возможно при помощи изменения:

скорости горения топлива (коэффициента u1 в законе скорости площади выходного сечения сопла Fa ;

количества дополнительно вводимой в камеру массы некоторого рабочего тела;

- одновременно нескольких из отмеченных факторов.

Из выше перечисленных методов регулирования тяги РДТТ отметим, что наиболее эффективными являются способы изменения поверхности горения S и площади критического сечения F. Регулирование критическим сечением сопла электрогидравлическим приводом и газодинамические. Реализованный диапазон устойчивого регулирования модуля тяги центральным телом, находится в пределах 3 – 6. Газодинамический способ регулирования исследован в меньшей степени. Достигнутый диапазон регулирования модуля тяги находится в пределах непроизводительные потери газа могут составлять 18 – 25 % суммарного запаса топлива; необходимо вводить дополнительный источник рабочего тела управляющего канала, либо создавать перепад давления не менее 1.6 между управляющим и питающим потокам [71]. Способ регулирования тяги изменением площади критического сечения сопла имеет следующие недостатки. При использовании твердых топлив с низкими значениями (0.2-0.3) расход продуктов сгорания имеет малую чувствительность к изменению площади критического сечения сопла при высокой чувствительности к изменению давления в камере сгорания. Использование топлив с 0.7 0.9 существенно ограничивает номенклатуру твердых топлив для данного способа регулирования.

Рисунок 2.1. Регулирование модуля тяги ПС РДУ изменением площади критического сечения сопла 2.2 Модель внутрикамерных процессов РДУ Математические модели процессов работы двигателя необходимы для разработки принципов построения электрогидравлической системы для управления тягой и расходом топлива РДТТ и твердотопливных газогенераторов (ТТГГ), а также для выбора параметров, определяющих динамику управления.

Уравнения внутренней баллистики камеры сгорания РДТТ описывают изменение во времени основных параметров внутрикамерного процесса:

давление, температуры, плотности продуктов сгорания. При строгом подходе математическая модель газотермодинамических процессов в камере РДТТ предполагает интегрирование уравнений нестационарного трехмерного движения газа при определенных начальных и граничных условиях. Интеграл этих уравнений определяет изменение во времени локальных значений указанных параметров потока. Такой подход позволяет в принципе рассчитывать газодинамические параметры газа около горящей поверхности в случае любой геометрии. Реализация этого подхода очень не проста и возможна при условии использования ЭВМ. Но в ряде случаев удовлетворительным результатом является решение упрощенной модели, построенной на осреднении газодинамических параметров по всему объему камеры [72]. Математическая модель внутрикамерных процессов наиболее полно расписана и представлена в работах [71, 72, 78] 1. Уравнения внутренней баллистики камеры сгорания ПС РДТТ.

Из общих уравнений, описывающих движение сплошной среды, получается следующая система уравнений одномерного движения продуктов сгорания газодинамические параметры в поперечном сечении канала распределены равномерно:

уравнение сохранения массы уравнение сохранения энергии уравнение состояния Здесь, w – плотность и скорость продуктов сгорания;,F – смоченный периметр и площадь поперечного сечения; e, h – внутренняя энергия и энтальпия единицы массы продуктов сгорания; к – средний по объему и времени коэффициент тепловых потерь в камере сгорания; hS – полная энтальпия продуктов сгорания топлива (определяется либо в результате термодинамических расчетов, либо экспериментально); U – средняя по периметру скорость горения поверхности, которое можно представить в виде:

Чтобы усреднить записанные уравнения по свободному объему камеры сгорания, необходимо проинтегрировать уравнения (2.7) – (2.9) по длине.

2. Уравнение сохранения массы.

При интегрировании в пределах от х 0 до х lк уравнение сохранения массы представляется следующим образом Значения массовых продуктов сгорания в сечениях х 0 и х lк находятся из условия сохранения массы в объемах V Д и VС :

Здесь и далее индексы “д”, “с”, “к”, “*” относятся к донному, сопловому объемам и к свободному объему камеры, а также к критическому сечению; линия ~ обозначает осредненные величины; S - поверхность горения; m - массовый секундный расход через критическое сечение:

После подстановки (2.12) и (2.13) в (2.11) и, усредняя по всему объему и по горящей поверхности горения уравнение сохранения массы представляется в виде 3. Уравнение сохранения энергии.

Значения энергии в сечениях сохранения энергии в донном и сопловом объемах:

После подстановки (2.17) и (2.16) в (2.15) и осреднения по объему камеры внутренней энергии е :

и по поверхности горения S энтальпию hS единицы массы продуктов, образующих в результате сгорания топлива получаем 4. Уравнение изменения свободного объема камеры.

после дифференцирования по времени с учетом выше принятого обозначения для средней скорости горения и (3.15) 5. Уравнение закона горения топлива.

Скорость горения зависит от давления. Так как давление вдоль горящей поверхности меняется, то необходимо связать осредненную скорость горения U со средним по поверхности горения давлением рS. В случае степенного закона горения необходимо использовать следующее выражение:

6. Уравнение состояния.

Усредняя давление по всему объему камеры следующим образом:

получаем уравнение состояния для средних величин в таком виде:

7. Полученная система уравнений (2.17), (2.18), (2.19), (2.20) и (2.21) имеет неизвестных больше, чем уравнений. Поэтому целесообразно принять ряд упрощений, в частности, а также отождествить температуру торможения в предсопловом объеме Т0 с со средней температурой продуктов сгорания: Т0 с Т. Выражая, кроме того, внутреннюю энергию е и энтальпию hS известными соотношениями можно после преобразований получить следующую систему 5 уравнений относительно 5 неизвестных р,, Т,Vк, U (при с р const ) [70]:

где с р сv ; Т0 с - теоретическое значение температуры торможения продуктов сгорания, определяемое термодинамическим расчетом.

8. Для многих практически важных случаев первые два наиболее сложных уравнения системы (2.22) можно упростить, если пренебречь массой и энергией газа, заполняющего объем выгоревшей части твердого топлива по сравнению со всей массой и энергией продуктов сгорания, т.е. если принять S и Если перейти к производным по давлению и температуре, то после преобразований, первые два уравнения системы (2.22), опуская в дальнейшем для простоты линию над осредненными параметрами, можно записать как:

где а р – равновесная скорость звука в продуктах сгорания, соответствующая поддержанию химического и фазового равновесия при прохождении звуковой изотермической сжимаемости.

9. Если состав продуктов сгорания не меняется ( R const ), то уравнения Во многих случаях достаточно ограничиться решением при T const, т.е.

пренебречь изменением температуры продуктов сгорания. Связав значение действительной температуры в камере с ее теоретическим значением:

где р – известный коэффициент полноты давления в камере, изменение давления в камере сгорания при T const можно представить выражением Если пренебречь массой продуктов сгорания, заполняющих объем выгоревшей части твердого топлива, по сравнению со всей массой продуктов сгорания, то в этом простейшем случае закон изменения давления в камере сгорания определяется решением системы Необходимо отметить, что в отличие от маршевых РДТТ, использующих воздействия конденсированной фазы продуктов сгорания, проблемами зашлаковки, а также с необходимостью точного выдерживания размеров управляющих элементов в течение всего времени работы.

2.3 Математическая модель РДУ с изменяемой площадью поверхности горения твердого топлива гидравлическим способом Гидравлический способ регулирования модуля тяги изменением площади, основанный на регулировании слива жидкости из каналов в заряде твердого топлива. В соответствии с этим способом тело заряда вдоль направления горения пронизывается цилиндрическими каналами диаметром 1 - 20 мм. Торцы каналов, выходящие на несгораемую поверхность заряда, соединяются через специальный регулирующий клапан с дополнительной камерой или с атмосферой. Каналы заполняются жидкостью (спирт, керосин, смесь соды с глицерином, водой), которая под воздействием давления в камере сгорания вытесняется из каналов через регулирующий клапан с определенной скоростью. Вытесняя жидкость, горячие продукты сгорания проникают в освободившиеся каналы и поджигают их стенки, в результате чего торцевая поверхность горения заряда превращается в коническую. Скорость горения заряда определяется скоростью вытеснения жидкости из каналов, которая в свою очередь определяется изменением расхода жидкости через клапан[71, 84].

Рисунок 2.2. Схема регулирования модуля тяги изготовленных непосредственно в заряде твердого топлива. Наиболее простой и технологичной схемой является схема, показанная на рисунке 2.2 Часто, начальный режим двигателя характеризуется низким уровнем тяги. В схеме этому соответствует горение заряда по торцевой поверхности, когда скорость горения U совпадает со скоростью движения поршня V, т.е. S П SТ. Видно, что скорость движения поршня определяется расходом жидкости через подсистему регулирования расхода жидкости из каналов заряда Qсл : V Qсл Fк’ где Fк – площадь канала в заряде. Требование U V является жестким, его нарушение, т.е. ситуация, когда U V, приводит к нерасчетным режимам работы РДУ, поэтому на практике необходимо обеспечить некоторое отставание скорости горения топлива по сравнению со скоростью опорожнения каналов. В этом случае горение происходит по сложной переходной поверхности, в которую, в общем случае, могут входить и элементы торцевой поверхности, и поверхность, установившемся режиме, поверхность горения представляет собой усеченный конус, меньшим основанием которого является площадь канала, а большим поперечное сечение двигателя. В случае размещения по торцу заряда нескольких каналов картина усложняется за счет пересечения соответствующих поверхностей горения. Газоприход от горящей поверхности твердого топлива в камеру сгорания представлен следующей зависимостью регулированием модуля тяги использованы следующие основные допущения:

- состав продуктов сгорания не меняется;

- давление газа постоянно по всему объему, но зависит от времени по мере выгорания топлива;

- скорость горения твердого топлива подчиняется степенному закону;

- изменение массы продуктов сгорания незначительно;

- изменением массы жидкости в каналах заряда можно пренебречь;

- давление сливаемой жидкости после управляемого клапана равно нулю;

- полость, связывающая каналы в заряде, по объему мала, и дроссель расположен непосредственно у этой полости.

При необходимости уменьшения газоприхода воздействием на подсистему регулирования расхода жидкости из каналов заряда уменьшается расход жидкости из канала; соответственно растет угол конуса и сокращается горящая поверхность. Жидкость из канала вытекает через подсистему регулирования расхода жидкости из каналов заряда - в атмосферу или в специальную емкость.

При вытекании жидкости из канала объем его заполняется продуктами сгорания, поджигающими стенки канала.

Уравнение горящей поверхности обычно записывается в виде:

а в дифференциальной форме:

u x U cos( U, x ) и т.д. Скорость всегда направлена по нормали к горящей поверхности вращения (канального заряда) угол наклона конической поверхности к оси канала. На радиусе канала r, величина опорожнения канала, которая совпадает с величиной скорости U x ( r ) для всех горящих точек в установившемся режиме горения.

Однако следует иметь в виду возможную неравномерность скорости горения по заряду в целом и вдоль канала в частности.

Есть все основания полагать, что поверхность горения на установившемся режиме представляет собой конус с прямолинейными образующими с углом наклона[78]:

Поверхность горения есть функция постоянной величины - площади торца заряда и условий работы ДУ - скорости слива V и скорости горения U Этот вывод справедлив для любого числа каналов и конфигурации поверхности заряда. Газоприход в камеру сгорания определяется как для установившегося режима Скорость освобождения каналов представляет собой однозначную функцию расхода жидкости. Т.е. здесь легко определяется статическая взаимосвязь между газоприходом и регулировочным параметром, которым является в данном случае f др – площадь дросселя слива жидкости.

Рисунок 2.3. Массовый газоприход в камеру слива жидкости из каналов заряда расхода газа (для сопла с постоянным сечением это фактически отражает давление в камере сгорания) от регулирующего фактора - в данном случае расхода жидкости. Рассмотрим эти зависимости подробнее.

Процесс формирования каналов полностью определяется гидравлической системой управления двигателем, т.к. скорость движения передовой точки горения по каналу заряда напрямую связана с интенсивностью слива жидкости из гидравлическим сопротивлением магистрали. Анализ гидравлического тракта показывает, что гидросопротивление каналов и линий существенно ниже гидросопротивления управляющего клапана, т.е. расход жидкости описывается уравнением здесь p – перепад давления, определяющий ( p pк pпр pcл ) расход рассматривать особо. В простейшем варианте камерное давление воздействовало непосредственно на свободную поверхность жидкости, а слив происходил в атмосферу; очевидно, что тогда в других случаях поверхность жидкости закрывается поршнем, посаженным Рисунок 2.4. Изменение скорости слива жидкости из канала в зависимости от а для степенного закона горения:

Рисунок 2.5. Изменение давления в камере сгорания при изменении площади поверхности показателе в законе скорости горения параметры в поперечном сечении канала распределены равномерно[71].

Уравнение сохранения массы Уравнение сохранения энергии Площадь поверхности горения твердого топлива определяется параметрами гидросистемы, представляющей собой заполненные жидкостью каналы в заряде, в которые установлены поршни, предохраняющие утечку жидкости из каналов в свободный объем камеры сгорания и прорыв пламени по стенкам канала.

Каналы связаны между собой общей полостью, соединенной с системой слива жидкости, управляемой дросселем. Площадь дросселя определяет расход жидкости через дроссель Qдp, а значит и скорость движения поршней, влияющую на формирование поверхности горения. Уравнение движения поршней в канале:

Рисунок 2.6. Схема РДТТ с дискретно гидравлической схемы управления площадью включаемыми дросселями слива, имеющие постоянное сечение.

первом приближении выглядит следующим образом:

Численное решение данной системы дифференциальных уравнений проводилось на ЭВМ методом Рунге-Кутта в математическом пакете Maple. При расчете были приняты следующие основные значения параметров:

Vкам 51.15 10 4 м 3 ;

Переходные процессы математической модели РДТТ представлены на рисунках 2.7 - 2.8. Где 1 – переходные процессы с учетом T const и без учета сжимаемости жидкости, 2 –с учетом T const и с учетом сжимаемости жидкости, 3 – T var, жидкость сжимаема. Модели 1-3 представляют собой простейший вариант, где камерное давление воздействует непосредственно на свободную поверхность жидкости, а слив происходил в атмосферу. В модели рассматривается случай, когда поверхность жидкости закрывается поршнем, T var, жидкость сжимаема.

Рисунок 2.7. Переходный процесс в камере сгорания:

а – переходный процесс изменения давления в камере сгорания, б – переходный процесс изменения площади поверхности горения твердого топлива, в – Переходный процесс изменения Рисунок 2.8. Переходный процесс в камере сгорания: а – изменение давления в камере сгорания; б – изменение скорости выгорания заряда твердого топлива; в – изменение Анализ показал, что, например, при показателе скорости горения 0.5 для десятикратного изменения расхода продуктов сгорания необходимо изменение давления в 100 раз. Результаты моделирования показывают, что время переходного процесса РДТТ увеличивается в случае, когда учитывается сжимаемость жидкости на 0,05 с. При учете изменения температуры горения, для величины значений давления и газоприхода в камеру сгорания появляется статическая ошибка более 5,5 %. Установка в канале заряда РДТТ поршня приводит к увеличению времени переходного процесса на 0,1 с, так как Рисунок 2.9 - Переходный процесс изменения регулирования, высказывали сомнения о работоспособности таких конструкций из-за наличия свободной поверхности жидкости. Вместе с тем, в первых экспериментах, проведенных по гидравлическому методу, поверхность жидкости оставалась свободной, а выход газа осуществлялся вертикально вверх. Было показано, что распространение пламени вдоль стенки канала происходит со скоростью, превышающей скорость перемещения зеркала жидкости. Более того, этот процесс игнорирует управляющее воздействие при переключении клапанов слива. Таким образом, появилась необходимость во введении поршня, отделяющего газовую среду от жидкости.

внутрикамерное давление и уменьшить время переходного процесса электрогидравлической системе РДУ с гидрорегулированием, является изменение площади критического сечения сопла. В этом случае появляется возможность использовать уже накопленный опыт в разработке гидравлических устройств:

гидравлической машины для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегата для управления площадью поверхности горения твердого топлива.

Использование управляемого дросселя слива жидкости и регулируемого критического сечения сопла позволяет создать комбинированную систему управления двигателем твердого топлива.

Имеются широкие возможности конструктивной реализации схемных решений комбинированного двигателя с гидрорегулированием. Комбинированная схема управления по двум каналам или контурам позволяет получить большое поле характеристик, обеспечить значительную глубину регулирования.

Организация слива жидкости может быть дискретной, с последовательным включением разных жиклеров и непрерывной, с использованием регуляторов расхода типа сопло-заслонка, золотники и т.д.

2.4 Математическая модель РДУ с изменяемой площадью критического сечения сопла Определим чувствительность тяги и давления в камере сгорания к изменению площади критического сечения сопла и дадим обобщенные рекомендации пределов регулирования модуля тяги [71].

При степенном законе горения u u1 p к известна следующая зависимость для давления в камере сгорания:

Отсюда, чувствительность давления к изменению площади критического сечения сопла может быть записана в виде В интегральной форме уравнение (2.44) имеет следующий вид Аналогично для расхода продуктов сгорания, если пренебречь потерями полного давления по тракту, зависимость принимает вид Зависимость давления от расхода имеет вид Анализ уравнений (2.47) показывает, что, например, при 0.5 для десятикратного изменения расхода продуктов сгорания необходимо изменение давления в 100 раз.

На рисунках 2.10 – 2.16 представлены результаты параметрических исследований по оценке взаимовлияния, p и Fкр на глубину регулирования модуля тяги.

Были рассмотрены изменения показателя в степенном законе скорости горения в диапазонах 0,1 – 0,95 и -0,2 – -3 и, соответственно, глубине регулирования в диапазонах 1,5 – 10 и 15 – 30. За основу при расчетах принимались два безразмерных параметра: отношение конечных давлений в камере сгорания к начальным p/po и отношение конечных площадей критических сечений к начальным F/Fk при регулировании.

Рисунок 2.10 - Зависимость относительного p / p o относительно степенного показателя в давления в камере сгорания и тяги РДТТ от законе горения при разной глубине p / p o относительно глубины изменения p / p o относительно глубины изменения тяги при разных положительных тяги при разных отрицательных степенных степенных показателях в законе горения. показателях в законе горения.

Рисунок 2.14 - Зависимость F / Fk относительно степенного разной глубине изменения тяги.

Рисунок 2.16 - Зависимость F / Fk относительно глубины изменения степенных показателях в законе горения.

камере сгорания определяется устойчивостью горения заряда твердого топлива.

В расчётах приняты следующие исходные данные:

S 1610; к 0.95.

На рисунке 2.17 приведены расчетные кривые переходных процессов в РДТТ при ступенчатом изменении площади критического сечения сопла. Кривая 1 отражает упрощенную модель, построенную с использованием уравнений (2.28) и (2.29). Кривая 2 учитывает массу продуктов сгорания, заполняющих объем выгоревшей части твердого топлива. Кривая 3 построена на основании системы уравнений (2.27). Результаты расчета показывают, что при анализе РДТТ с изменяемой площадью критического сечения сопла как объекта регулирования допустимо использовать упрощенную математическую модель.

а – Изменение давления в камере сгорания, б – Изменение скорости выгорания заряда твердого топлива, в – Изменение газоприхода и расход газа через сопло На рисунках 2.18 – 2.19 показано влияние показателя скорости горения топлива и начального объема камеры сгорания на внутрикамерные процессы.

Рисунок 2.18 - Влияние показателя степени горения топлива Учитывая значительную разницу величины коэффициентов системы уравнений (2.28) и (2.29), обычно выполняют декомпозицию процессов, происходящих в камере сгорания, т.е. выделяют быстрые, средние и медленные движения. К быстрым движениям относят движение регулирующего органа за счет рулевого привода; к средним – изменение давления в камере сгорания; к медленным – изменение свободного объема в процессе горения заряда. И временем перекладки гидравлического рулевого привода обычно пренебрегают.

Время переходного процесса РДТТ значительно уменьшается при небольшом начальном свободном объеме камеры сгорания в пределах 0,2 – 0,4 с.

Выводы по главе В данной главе была решена одна из поставленных задач, а именно исследование ракетного двигателя твердого топлива как объекта регулирования.

Также была выбрана математическая модель внутрикамерных процессов. Были составлены математические модели РДТТ, без учета влияния исполнительных механизмов, с изменяемой площадью поверхности горения твердого топлива и с изменяемой площадью критического сечения сопла, а также выполнен численный анализ данных моделей.

Анализ показал, что, например, при показателе скорости горения 0.5 для десятикратного изменения расхода продуктов сгорания необходимо изменение давления в 100 раз. Результаты моделирования показывают, что время переходного процесса РДТТ увеличивается в случае, когда учитывается сжимаемость жидкости на 0,05 с. При учете изменения температуры горения, величина значений давления и газоприхода в камеру сгорания появляется статическая ошибка более 5,5 %. Установка в канале заряда РДТТ поршня приводит к увеличению времени переходного процесса на 0,1 с, так как учитывается инерционность поршня, сухое и вязкое трение, а также предварительный натяг. Время переходного процесса РДТТ значительно уменьшается при небольшом начальном свободном объеме камеры сгорания в пределах 0,2 – 0,4 с.

гидравлического метода регулирования метода регулирования модуля тяги:

Высокая вероятность прорыва пламени по границе жидкость – топливо Затянутый переход с малого режима на большой.