Обеспечение высокой точности управления и регулирования многорежимных маршевых ЖРД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Сёмина, Елена Николаевна

• Сёмина, Елена Николаевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сёмина, Елена Николаевна

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Современный взгляд на проблему обеспечения высокой точности управления и регулирования ЖРД.

1.1. Основные понятия.

1.2. Традиционные методы настройки и регулирования ЖРД

1.3. Система регулирования с внутридвигательными обратными связями.

Глава 2. Настройка двигателя в процессе первого огневого испытания с использованием внешних обратных связей.

2.1. Метод использования внешних обратных связей по расходам компонентов.

2.2. Определение индивидуальных коэффициентов в уравнениях управления данным двигателем.

2.3. Управление расходом топлива системой РН.

Глава 3. Методика настройки ЖРД в процессе огневых испытаний, обеспечивающая высокоточное управление при работе в широком диапазоне температур компонентов топлива и плотности горючего.

3.1. Корректировка настройки по температуре.

3.2. Корректировка настройки по плотности горючего.

3.3. Корректировка настройки по температуре для горючего ИР

3.4. Штатный алгоритм управления ЖРД по полиномиальным уравнениям.

3.5. Погрешность настройки двигателей по результатам повторных и сертификационных испытаний по штатным алгоритмам.

Глава 4. Управление и регулирование двигателем по кодовым командам.

4.1. Использование кодовых команд для управления регулирующими органами.

4.2. Управление двигателем с двумя различными гидравлическими системами.

4.3. Обоснование выбора циклограммы КТИ для определения индивидуальных коэффициентов при задействовании трехпозиционного клапана окислителя.

4.4. Оценка точности настройки и регулирования.

Глава 5. Проверка стыковки алгоритма регулирования двигателя с бортовой системой управления РН.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение высокой точности управления и регулирования многорежимных маршевых ЖРД»

В настоящее время развитие авиационной и космической техники достигло некоего базисного уровня, когда рост качественных характеристик изделий или их тактические показатели улучшаются, в основном, за счет модернизации систем, оставляя принцип действия неизменным.

Современные электронно-вычислительные машины, обладающие большой производительностью, постоянно совершенствующиеся программы расчета сложных процессов, а также внедрение информационно-управляющих комплексов для управления технологическими процессами проведения испытаний позволяют дать идеям, рожденным многие годы назад, новую жизнь и применить их на практике [1].

Регулирование по тяге и соотношению компонентов топлива при работе на основном режиме маршевых ЖРД, реализованное на двигателях РД107 и РД108 (РН «Союз»), позволило существенно повысить эффективность ракеты как за счет обеспечения существенно более полной и синхронной выработки компонентов топлива из баков, так и за счет обеспечения полета ракеты с заранее рассчитанной оптимальной скоростью по всей траектории полета ракеты-носителя [2, 3].

В дальнейшем, с развитием ракетной техники, существенно расширились задачи, возлагаемые на маршевые жидкостные ракетные двигатели. В настоящее время вместо одного или двух базовых режимов, оптимизация траектории полета РН требует от двигателя обеспечения возможности постоянного регулирования тяги и соотношения компонентов топлива в широком диапазоне в процессе всего полета РН. Возможность изменения тяги ЖРД в широком диапазоне существенно расширяет эксплуатационные возможности маршевых двигателей, обеспечивающих основной вклад в энергетику выведения полезного груза на околоземные орбиты. Проведенные исследования показали, что глубокое изменение тяги маршевых двигателей (0,3.1,1)КНОМ ракет-носителей, позволяет существенно, на 7. 12%, увеличить полезную нагрузку и снизить расход компонентов топлива путем оптимизации ускорения ракеты-носителя по мере набора высоты [4, 5, 6, 7].

Таким образом, в рамках создания многорежимных ЖРД нового поколения одной из важных проблем является обеспечение высокой точности их управления и регулирования.

Целью данной работы является совершенствование методов, обеспечивающих высокую точность управления и регулирования многорежимных ЖРД.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ методов управления ЖРД, позволяющих обеспечивать высокую точность настройки двигателя по значениям тяги и соотношения компонентов на различных режимах с учетом влияния температур компонентов и поставочной плотности горючего.

2. Разработать высокоточные алгоритмы управления ЖРД в широком диапазоне рабочих режимов при штатной эксплуатации.

Научная новизна. В ходе проведенного исследования были получены следующие основные результаты:

• проанализирована возможность реализованных в ОАО «НПО Энерго-маш» им.академика В.П.Глушко» методов настройки ЖРД при проведении КТИ по значению тяги и соотношению компонентов топлива в широком диапазоне изменения режимов, задаваемых стендовой системой управления с учетом влияния температур компонентов и плотности горючего;

• разработаны алгоритмы управления и регулирования ЖРД при доводочных испытаниях и штатной эксплуатации, обеспечивающие высокую точность управления и регулирования, в том числе при управлении регулирующими органами по кодовым командам.

Достоверность результатов исследования. Разработанные алгоритмы, позволяющие обеспечить высокую точность управления и регулирования, отработаны и подтверждены в процессе отработки и последующей эксплуатации маршевых ЖРД РД171М (РН «Зенит»), РД180 (РН «Атлас»), а также в процессе доводочных испытаний двигателя РД191, предназначенного для эксплуатации в составе нового семейства РН «Ангара».

Практическая значимость данной работы заключается:

1. в подтверждении эффективности используемого и реализованного в ОАО «НПО Энергомаш» им. академика В.П.Глушко» метода настройки двигателя в процессе КТИ с учетом влияния температур компонентов и плотности горючего;

2. в использовании при настройке ЖРД с цифровыми приводами органов управления по кодовым командам системы управления;

3. в разработке штатных алгоритмов управления и регулирования ЖРД, позволяющих обеспечить высокую точность при эксплуатации двигателя в широком диапазоне изменения режимов, определяемых СУ РН в полете.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика -2005», 10-13 октября 2005 года, г.Москва.

2. XXXV уральском Семинаре по механике и процессам управления, 23 декабря 2005 года. г.Миасс.

3. 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика -2006», 23 - 26 октября 2006 года, г.Москва.

4. XXXI академических чтениях по космонавтике, посвященных 100-летию со дня рождения академика С.П.Королёва, 30 января - 02 февраля 2007 года, г.Москва.

5. 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика -2007», 01-04 октября 2007 года, г.Москва.

Личное участие. Представленные результаты работы отражены в технических условиях на ЖРД, разработанных автором. Результаты, полученные другими исслёдователями, а также результаты совместных исследований, отмечены по тексту или снабжены сносками на соответствующий источник.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Сёмина, Елена Николаевна

Выводы

1. Опробованное на двигателе РД191 управление по кодам вполне может быть реализовано на двигателях РД171М и РД180.

2. Уравнения управления двигателем с задействованием 3-х-позиционного клапана окислителя и учетом изменения температуры горючего можно записать:

ЬТ1(К) = - К/ +(АКш-АКш1)ХС; - Я/

0 ¡=0

1 — при Я<0,38 команда на

1\2(К)= - Я/ +(АКш-АКт1)Х;Г)1 ^ +

1=0 ¡=0 прикрытие КО 0 — при К>0,38 команда на открытие КО

Предложенное мероприятие (введение единичной функции) позволило обеспечить регулирование фактически двух разных гидравлических систем одним уравнением.

Глава 5. Проверка стыковки алгоритма регулирования двигателя с бортовой системой управления РН

Важное значение имеет стыковка алгоритма управления двигателем с системой управления РН. Для отработки программного обеспечения управления приводами специально , разрабатываются тестовые примеры применительно к различным циклограммам работы двигателя РД191.

При разработке тестовых примеров назначаются индивидуальные коэффициенты двигателя (табл.6), коэффициенты, используемые при запуске двигателя (табл.7) и средняя температура горючего в баке перед пуском.

Заключение

1. Проанализированы и усовершенствованы методы управления ЖРД, позволяющие обеспечивать высокую точность настройки двигателя по значениям тяги и соотношению компонентов на различных режимах с учетом влияния температур компонентов и плотности горючего.

2. Предложено использовать настройку ЖРД с цифровыми приводами органов управления по кодовым командам системы управления, реализованную на двигателе РД191.

3. Разработаны эффективные алгоритмы управления ЖРД в широком диапазоне изменения рабочих режимов двигателя при штатной эксплуатации.

4. Эффективность разработанных методов настройки ЖРД в процессе КТИ, методик определения составляющих в уравнениях управления двигателем, алгоритмов управления и регулирования при штатной эксплуатации ЖРД подтверждены результатами доводочных и сертификационных испытаний двигателей РД171М, РД180, РД191 и штатной эксплуатацией в составе РН «Зенит» (РД171М) и РН «Атлас» (РД180).

126

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сёмина, Елена Николаевна, 2009 год

1. Антипов Ю.С., Моздоков В.В., Черных В.И. Информационно-управляющий комплекс для управления технологическими процессами подготовки и проведения огневых испытаний мощных ЖРД. Сборник трудов НПО Энергомаш №22 2004г., стр. 219-230.

2. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. Под редакцией академика В.П. Глушко. М.: Машиностроение, 1980.-533 с.

3. Бабкин А.И., Белов С.В., Рутовский Н.Б., Соловьев Е.В. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками. М.: Машиностроение, 1986. -456 с.

4. Беляев Н.М., Уваров E.H. Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1974, -199 с.

5. Волков Е.Б., Сырицын Т.А., Мазинг Г.Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок. Книга II. Динамика, М.: Машиностроение, 1978. -320 с.

6. Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989. -296 с.

7. Михайлов В.В., Базаров В.Г. Дросселируемые жидкостные двигатели. -М.: Машиностроение, 1985, -168 с.

8. Кокорин В.В., Рутовский Н.Б., Соловьев Е.В. Комплексная оптимизация двигательных установок систем управления. — М.: Машиностроение, 1983, -184 с.

9. Иващенко И.Н. Автоматическое регулирование. М: Машиностроение, 1978.—736 с.

10. Ю.Козлов A.A., Новиков В.Н., Соловьев Е.В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. М.: Машиностроение, 1988, -352 с.

11. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. —541 с.

12. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. -М.: Наука, 1986. -368 с.

13. Чистяков П.Г. Точность систем автоматического регулирования ЖРД и TP Д. М.: Машиностроение, 1977. -160 с.

14. Каторгин Б.И., Семенов В.И., Чванов В.К., Челькис Ф.Ю. Двигатель РД171М. Сборник трудов НПО Энергомаш №22 2004г., стр. 55-80.

15. Лихушин В.Я., Васин A.C., Гликман Б.Ф. Техническая диагностика пневмогидравлических систем ЖРД. — М.: Машиностроение, 1983, -206 с.

16. Луарсабов К.А., Пронь JI.B., Сердюк A.B. Летные испытания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1977, —189 с.

17. Присняков В.Ф. Динамика жидкостных ракетных установок. М.: Машиностроение, 1983,-248 с.

18. Сёмина E.H. Настройка ЖРД в процессе приемосдаточных испытаний, Общероссийский научно-технический журнал «Полет», №6 2007г., стр. 49-53.

19. Колымагин А.Н., Медведев В.К., Ромасенко И.А. Уточнение показаний турбинных расходомеров в магистралях компонентов топлива по результатам огневых стендовых испытаний двигателей РД180. Сборник трудов НПО Энергомаш №21 2003г., стр. 287-299.

20. Черных В.И. Имитаторы параметров регулирования при огневых испытаниях ЖРД. Сборник трудов НПО Энергомаш №22 2004г., стр. 231+242.

21. Каторгин Б.И., Чванов В.К., Фатуев И.Ю. и др. Исследование характеристик модернизированного двигателя РД171М при его сертификационных испытаниях. Сборник трудов НПО Энергомаш №23 2005г., стр. 182-^203.

22. Чванов В.К., Челькис Ф.Ю. и др. Технический отчет РД171М.ТО.728-005-04. «Отчет, по результатам сертификационных испытаний двигателя РД171М №А138», НПО Энергомаш, 2004, стр.401.

23. Каторгин Б.И., Чванов В.К. и др. Технический отчет РД191.Т0.728-0805-03. «Отчет по результатам испытаний двигателя РД191 №Д003», НПО Энергомаш, 2003, стр.183.

24. Чванов В.К., Сёмина E.H. и др. Технический отчет РД191.ТО.72815.06. «Отчет по результатам испытаний двигателя РД191 №Д004», НПО Энергомаш, 2006, стр.67.

25. Чванов В.К., Сёмина E.H. и др. Технический отчет РД191.Т0.72816.06. «Отчет по результатам испытаний двигателя РД191 №Д005», НПО Энергомаш, 2006, стр.182.

26. Чванов В.К., Сёмина E.H. и др. Технический отчет РД191.Т0.728-16-07. «Отчет по результатам испытаний двигателя РД191 №Д006», НПО Энергомаш, 2007, стр.100.

27. Чванов В.К., Сёмина E.H. и др. Технический отчет РД191 .ТО.728-029-07. «Отчет по результатам испытаний двигателя РД191 №Д007», НПО Энергомаш, 2007, стр.92.

28. Чванов В.К., Сёмина E.H. и др. Технический отчет РД191.Т0.728-12-08. «Отчет по результатам испытаний двигателя РД191 №Д008», НПО Энергомаш, 2008, стр.123.

29. Милеико Н.П., Сердюк A.B. Моделирование испытаний ЖРД. М.: Машиностроение, 1975,-184 с.

30. Попов Д.И. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1977,-423 с.

31. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями Под редакцией В.Н. Челомея. — М.: Машиностроение, 1978, —240 с.

32. Шевяков A.A., Калнин В.М., Науменкова Н.В., Дятлов В.Г. Теория автоматического управления ракетными двигателями. М.: Машиностроение, 1978. —228 с.

33. Каторгин Б.И., Семенов В.И., Чванов В.К., Челькис Ф.Ю. Разработка и внедрение на мировой рынок мощного маршевого ЖРД РД180. Сборник трудов НПО Энергомаш №21 2003г., стр. 150-^171.

34. Волостных Б.П., Колбасенков А.И. Двигатель РД180. Расчет влияния внешних и внутренних факторов на параметры двигателя. НПО Энергомаш, 1998.

35. Григоренко Д.И., Сёмина E.H., Стороженко И.Г., Черных В.И. Управление ЖРД с помощью шаговых электрогидроприводов. Сборник трудов НПО Энергомаш №24 2006г., стр. 130ч-139.

36. Сёмина E.H. Обеспечение высокой точности при управлении и регулировании многорежимных ЖРД с помощью шаговых электрогидроприводов, Межотраслевой научно-технический журнал «Конверсия в машиностроении», №6 2006г., стр. 32-36.

37. Чванов В.К., Челькис Ф.Ю. и др. Технический отчет РД180.Т0.7285.98. «Отчет по результатам стендовой отработки двигателя РД180,tпредшествующей его сертификации», НПО Энергомаш, 1998, стр.414.

38. Каторгин Б.И., Сёмина E.H. и др. Технический отчет РД180.ТО.728-14-99. «Отчет по результатам сертификации двигателя РД180», НПО Энергомаш, 1999, стр.401.

39. Чванов В.К., Челькис Ф.Ю. и др. Технический отчет РД180.Т0.728-018-00. «Отчет по результатам испытаний двигателя РД180 по программе, «Дельта-сертификация» в 2-х частях, НПО Энергомаш, 2000, стр.543.