Беляев Е.Н. и др. - Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей, страница 4

Давление перед турбиной желательно имеп максимально возможное в течение всего времени запуска, чтобы гарантированно обеспечить рост расхода газа через турбину. Однако следует иметь в виду, что на начальном участке развития рабочего процесса в ГГ из-за быстрого роста давления в нем возможен отток компонентов от СГ, так как насосы в этот период могут работать в области отрицателъных напоров (как гидравлические сопротивления) из-за того, что ротор ТНА (особенно на режимах заполнения различных внутридвигательных полостей) может еще не вращаться. Перевод насосов из области отрицательных напоров в область положительных напоров достигается за счет оптимизации процессов нарастания давления в ГГ и КС путем дозирования поступающих в них компонентов топлива.

Структуру температурного канала управления определяет только соотношение компонентов топлива, поступающих в ГГ. Температура газов на входе в турбину ограничивается стойкостью материала турбины к температурным нагрузкам. Практика отработки ЖРД, выполненных по 18 хеме с дожиганием окислительного газа в КС, показала, что на начальном участке запуска двигателей, при низком давлении в газогенераторе, рбины ТНА способны выдержать кратковременные температурные всплески до 1000 'С и более. Это свюано с тем, что в этот период запуска турбина еще не прогрета и плотность температурных потоков низкая.

Изменение температуры газов обеспечивается изменением соотношения компонентов топлива путем дозирования расходов окислителя и горючего. Структуру перепадного канала управления определяет отношение давлений газов на входе Рео и выходе Рз из туРбины.

Давление на выходе из турбины рэ зависит от развития рабочего процесса в КС, то есть от «подпора» с ее стороны. Управление этим каналом осуществляется за счет разновременности и скорости (интенсивности) развития рабочих процессов в ГГ н КС. Скорость нарастания давления в этих агрегатах определяется законами поступления расходов компонентов топлива в них. Основным ограничением, накладываемым на перепадный канал управления, является недопущение слишком позднего вступления в работу КС 1рассматривается запуск двигателя, выполненного по схеме «газжидкость»), что может привести к существенному забросу по частоте вращения ротора ТНА.

Таким образом, управление запуском ЖРД сводится к управлению расходами компонентов топлива, поступающими в ГГ и КС в течение всего времени запуска. Дозирование расходов компонентов топлива осуществляется различными способами: программной перенастройкой регулирующих органов; вдувом газа в жидкостные магистрали и смесительные головки ГГ и КС; применением специальных емкостей, отбирающих или подающих дополнительно по определенному закону часть расхода компонента топлива и другие.

1.3.2. Маршевые режимы работы ЖРД Маршевые режимы занимают основную долю времени работы ЖРД. При отработке ЖРД на этих режимах решаются задачи обеспечения миогоцикловой работоспособности узлов и агрегатов в условиях широкого диапазона изменения всех параметров двигателя при глубоком регулировании по тяге Р и соотношению компонентов топлива в камере сгорания К,в. Глубокое регулирование ЖРД требует обеспечения необходимых перепадов давлений на регулирующих органах не только из-за широкого диапазона изменения основных параметров двигателя, но и изза разбросав внешних 1давлений и температур компонентов топлива на входе в двигатель; параметров газов, применяемых для управления 19 агрегатами двигателя и продувки различных внутридвигательных полостей; давления окружающей среды и т.д.) и внутренних (КПД насосов.

турбин; напоров насосов; гидравлических сопротивлений магистралей, охлаждающих трактов КС и ГГ; площадей сопловых аппаратов турбин, газовых форсунок, критического сечения КС и т. д.) факторов относительно их номинальных значений. Эти задачи решаются на стадии поиска наилучшего схемного решения ЖРД и энергетической увязки его параметров. Наличие систем автоматического регулирования (САР) ЖРД приводит к необходимости решения задач обеспечения устойчивости САР в сочетании с требуемой точностью поддержания основных параметров ЖРД по Р и К,, в том числе н при глубоком регулировании.

Их решение связано с нахождением оптимального сочетания между статическими и скоростными характеристиками регулирующих органов и их приводов, с одной стороны, и постоянной времени двигателя, как объекта регулирования, с другой. По этим вопросам опубликовано достаточно много работ 113,1б,281.

Для обеспечения надежной работы ЖРД при глубоком регулировании в систему регулировании могут вводиться обратные связи не только по основным выходным регулируемым параметрам, но и по максимально допустимой величине температуры генераторного газа, допустимым величинам осевых сил в ТНА и бусгерных насосных агрегатах (БНА) илн допустимым величинам перемещений нх роторов, максимально допустимому уровню частоты вращения ТНА и БНА с целью снижения уровня нх виброактивности, ограничению амплитуд колебаний каких-либо параметров и т. д.

В качестве регулирующих органов ЖРД в основном используются редукторы, дроссели и регуляторы расхода, в характеристиках которых, при широком диапазоне изменения регулируемых параметров, имеются нелинейности (сухое и вязкое трение, трение покоя, гисгерезис и т. д.). Эти нелинейности оказывают существенное влияние на устойчивость н точность поддержания в заданных пределах регулируемых параметров. В современных системах регулирования ЖРД используют бортовые вычислительные машины, которые по специальному алгоритму регулирования сравнивают текущее и требуемое значения регулируемого или контролируемого параметра и выдают соответствующие команды на тот или иной исполнительный, регулирующий орган. В алгоритмах регулирования расставляются приоритеты по выдаваемым командам в зависимости от достижения тех или иных ограничений (например, команда на форсирование ЖРД может быть отменена в случае достижения предельно допустимого значения температуры генераторного газа).

Такие системы регулирования позволяют полнее использовать имеющиеся запасы компонентов топлива в баках ракет и одновременно не допустить работу ЖРД вблизи тех нли нных крнтнчеа~нх режимов. 20 1.3.3. Останов ЖРД Останов ЖРД является одним из ответственных переходных режимов работы двигателя. Ог того, как осуществляется останов, зависят выбор метода разделения ступеней ракеты-носителя и отделения полезной нагрузки; рассеивание координат приземления спускаемого аппарата с космонавтами и точность вывода на заданную орбиту космических аппаратов; скорость спада перегрузок; сохранность материальной части в случае аварийной ситуации и т, п. В зависимости от задач, решаемых в период останова ЖРД, его можно условно классифицировать на два типа.

Первый тип останова - аварийное выключение двигателя (АВД). Это быстрое опопочение ЖРД с любого режима работы. Такой тип останова обычно используется в и риод экспериментальной отработки ЖРД и служит для сохранения материальной части двигателя в случае возникновения аварийной ситуации. По своим характеристикам этот тип осганова может не отвечать требованиям технического задания на разработку двигателя. Второй тип осталова, так называемый штатный, отрабатывается на требуемые параметры, задаваемые разработчиками раксты-носителя. Одним из основных требований, предъявляемых к останову ЖРД, является обеспечение минимального разброса импульса последействия тяги двигателя.

Его стабильность позволяет получить необходимую точность по владиной конечной скорости ракеты или аппарата, минимизировать остатки компонентов топлива в баках ракет-носителей и т. п. ! 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОТРАБОТКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖРД Новизна и сложность конструкции современных ЖРД, их большая энергонапряженность, многократносгь использования и многоразовосгь их запуска требуют принятия специальных мер, обеспечивающих надежность и безопасность проведения огневых испытаний (ОИ) двигателей. Огневые испытания являются основным источником информации о работоспособности и надежности двигателя, степени соответствия характерисгик двигателя требованиям технического задания. С целью минимизации материальных затрат, идущих на отработку и эксплуатацию ЖРД, в испытательные стенды и ракетные системы внедряют специальные устройства их зациты в случае возникновения аварийньгх ситуаций. Эти устройства или системы условно подразделяют на активные и пассивные.

К активным системам относятся системы аварийной защиты (САЗ), обеспечивающие вьпапочение ЖРД или пере- 21 вод его на щадящий режим работы в случае возникновения аварийной или нештатной ситуации. К пассивным системам относятся системы технического диагностирования (СТД), обеспечивающие контроль состояния ЖРД при его сборке, в период огневых испытаний и между ними. 1.4.1. Системы технического диагностирования ЖРД В развитии ракетно-космической техники начался качественно новый этап - создание и эксплуатация систем многоразового использования.

Переход к таким системам коренным образом меняет подход к решению задач по обеспечению надежности и безопасности отработки и эксплуатации ЖРД. Это связано с уменьшением числа объектов, находящихся в эксплуатации, ужесточением требований к надежности, а также с существенным увеличением ресурса работы изделий. Если для ракет боевого назначения и их двигателей, изготавливаемых большими партиями, имеет значение средняя величина надежности, то для объектов, эксплуатируемых единицами, важен положительный исход каждого полета, каждого испытания. В связи с этим возможности применяемых до сих пор статисгических методов контроля качества, подтверждения безопасности и надежности эксплуатации ЖРД, базирующихся на проведении большого числа испытаний, существенно ограничены.

Наиболее приемлемым в этой ситуации методом, позволяющим гарантировать с требуемой достоверностью исход каждого эксперимента, огневого испытания ЖРД, может быль метод, основанный на диагносгировании параметров двигателя в процессе испытания и состояния его материальной части до и после испытания. Как объект диагностирования, ЖРД существенно отличается от многих технических систем физикой и динамикой развития дефектов, в том числе и от своих ближайших аналогов - авиаплонных двигателей. Зто обусловлено на порядки большей знергонапряженностью всех агрегатов ЖРД. Поэтому возможности использования опыта других отраслей техники при разработке систем технического диагностирования ЖРД довольно ограничены, хотя некоторые общие вопросы построения таких систем могут быть применимы.