Беляев Е.Н. и др. - Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей, страница 5

Анализ используемых в других отраслях СТД, накопленный опыт разработки и эксплуатации ЖРД показали необходимость создания наземных и летных (для ракет-носителей) систем диагностирования состояния ЖРД, которые позволят: повысить качество и ускорить анализ результатов огневых испьпаний; - автоматизировать процедуры накопления, систематизации и классификации статистических данных автономных и огневых испытаний узлов, агрегатов н двигателя в целом. При выборе облика СТД ЖРД необходимо исходить из основных физических свойств, определяющих динамику работы двигателя. В первую очередь к таким свойствам следует отнести высокоэнергетические процессы, являющиеся неотъемлемой частью функционирования ЖРД: горение, турбулентность, кавитация, фазовые превращения и др.

Характерной особенностью таких процессов является их существенно случайный характер с широким энергетическим спектром 0 ... 20 кГц и выше Колебания физических параметров, регистрируемые различными датчиками, содержат необходимую информацию о динамике рабочего процесса в ЖРД. Таким образом, в ЖРД имеется возможносп использования собственных источников возмущения для анализа технического сосгояния. Поэтому теоретический подход к проблеме постановки диагноза опирается, прежде всего, на аппарат случайных процессов. Прн этом для решения отдельных конкретных задач весьма эффективным оказывается привлечение методов теории систем автоматического регулирования, математической статистики, гидро- и газовой динамики. В практике отработки ЖРД уже сложился определенный методический подход к контролю состояния двигателя. Однако используемые методы и технические средства не представляют собой целостной системы н не могут в полном объеме удовлепюрить требованиям диагностирования ЖРД (и в первую очередь ЖРД многократного исполъзования).

Методы диагностирования можно условно разбить на три группы (по типу контролируемых параметров): - контроль состояния двигателя по основным функциональным параметрам (медлеино меняющимся параметрам (ММП) - давление, расход, частота вращения, температура, углы, перемещения и т. д.); - контроль состояния по виброакустическим параметрам (быстро меняющимся параметрам (БМП) - вибрация элементов конструкции, пульсация давления в газовых и жидкостных трактах, пульсация расходов жидких компонентов); - контроль состояния элементов конструкции (поверхностных слоев, материала деталей, соединений деталей и узлов и др.) и проверка на герметичность с помощью методов неразрушающего контроля (МНК).

Методы первых двух групп реализуются на работающем двигателе. Возможно также их использование при имитации функционирования (холодные прокрутки вала ТНА, срабатывание агрегатами автоматики н т. д.). СТД с использованием ММП и БМП СТД ЖРД с использованием ММП и БМП, зарегистрированных при огневых и холодных испытаниях двигателя, строятся по иерархическому принципу. На первом этапе производится контроль всех зарегистрированных параметров на предмет нахождения их в заданных границах. Эти границы на начальной стадии определяются как с помощью математического моделирования работы ЖРД при различных сочетаниях внешних (входных давлений и температур компонентов топлива; внешних возмущений на регулирующие органы; давления, температуры, влажности окружающей среды и т.п.) и внутренних факторов (отклонений от средних значений КПД насосов и турбин, напоров насосов, гидросопротивлений, площадей сопловых аппаратов турбин и критического сечения камер сгорания и т. п.), так и исходя из опыта предыдущих разработок.

В дальнейшем эти границы уточняются для всех контролируемых параметров исходя из полученной информации при огневых испытаниях двигателей. Контролируемые параметры разбиваются на взаимосвязанные группы, построенные по физическому и функциональному признакам (например, напор насоса пропорционален квадрату угловой скорости, следовательно, можно ожидать, что с увеличением угловой скорости увеличится и давление на выходе из насоса и т.

п.). В случае выхода за пределы допустимых границ какой-либо группы взаимосвязанных параметров подключаются подсистемы СТД, которые построены на базе нелинейных математических моделей. Эти подсистемы СТД производят диагностирование более глубоко, так как их математические модели используют конкретные проливочные характеристики узлов и агрегатов данного экземпляра двигателя. СТД с использованием МНК Методы неразрушающего контроля относятся к методам третьей группы СТД. Все МНК в основном применяются в период изготовления деталей, сборки узлов, агрегатов и двигателя в целом, а также в межпусковой (между испытаниями) период с целью оценки состояния материальной части.

В настоящее время широкое распространение получили следующие методы неразрушаюшего контроля: - ультразвуковой - применяется для обнаружения дефектов на больших глубинах их залегания, контроля качества сварных и паяных соединений, контроля толщины материала и т. пд - магнитный - используется для контроля поверхностных дефектов и толщины покрытия на ферромагнитных материалах; 24 радиоизотопный - так же как и магнитный, в основном применяется „,«нтроля толщины покрытий; - рентгенографический - служит для контроля сварных соединений; капнллярный - предназначен для выявления поверхностных трещин; акустической эмиссии - применяется при исследовании развития и накопления повреждений в процессе нагружений. Дает возможность оценить степень качества элементов конструкции; - тепловой - позволяет обнаружить дефекты, связанные с возникновением на поверхностях изделий температурных градиентов; - оптический (визуальный контроль) - позволяет без разборки (например, с помощью гибкого бароскопа) произвести осмотр и визуально обнаружить трещины, оплавления, следы возгорания, сколы покрьпнй, риски, забоины, царапины и т.

п. в труднодоступных местах. 1.4.2. Системы аварийной защиты ЖРД Основные задачи этих систем: - предохранение от разрушения стендовых испытательных систем н сооружений, стартовых комплексов, ракеты-носителя и двигателя; - обеспечение возможности повторного использования составных частей двигателя; - сокращение длительности н стоимости отработки ЖРД. Система аварийной защиты, как автоматическая система контроля работоспособности двигателя, определяет состояние двигателя и в случае необходимости формирует команды аварийного останова. Определение аварийного состояния двигателя заюпочается в непрерывном измерении контролируемых параметров двигателя и сравнении их с предельно допустимыми значениями.

Данный процесс инерционный и для его осуществления САЗ необходимо время т „. Эффективность САЗ в целом зависит от длительности аварийного состояния ту, используемых каналов обнаружения аварийного состояния, коэффициента охвата аварийных состояний 13 и надежности аппаратуры САЗ. Коэффициент охвата аварийных состояний численно равен вероятности прогнозируемых отказов. Прн т < т аварийное состояние контролируемое, при т, > т,- неконтролируемое.

Коэффициент охвата аварийных состояний необходимо приближать к 1, для чего следует уменьшать инерционность САЗ. САЗ работает по определенному алгоритму. Алгоритм САЗ включает в себя измерение отдельных параметров, характеризующих состояние работающего двигателя, и при превьппении одним нли несколькими параметрами одновременно предельно допустимых значений - выдачу в систему управления (СУ) команды на останов двигателя.

Измерение параметров, включенных в алгоритм САЗ, должно производиться непрерывно или с допустимой дискретностью в течение всего времени работы двигателя. Обычно в алгоритм САЗ включают контроль следующих параметров: температуры газов; давления газа или жидкости; вибрации элементов конструкции; угловой скорости вращения вала ТНА; величины перемещения вала ТНА в осевом или радиальном направлениях и т. п. Каждый канал САЗ должен выдавать в систему регистрации сигналы, характеризующие текущее значение контролируемого параметра и время выдачи команды «Останов» в СУ.

Инерционность каналов САЗ, обусловливающая задержку формирования команды «Останов», не должна превышать 0,005 с. Эффективность САЗ зависит от коэффициента охвата аварийных состояний двигателя и от степени надежности САЗ. Увеличение коэффициента охвата 111 -+ 1) означает увеличение числа контролируемых параметров. Это приводит к росту числа первичных и вторичных преобразователей, используемых в САЗ, усложняет ее и снижает надежность, то есть увеличивается вероятность ложного останова двигателя. Следовательно, должно существовать оптимальное количество контролируемых, наиболее информативных параметров, при которых имеет место максимальная достоверность контроля. САЗ для стендовых испытаний двигателя и для летных испытаний в составе ракеты-носителя могут быть различны, в силу особенносгей и возможностей, по количеству контролируемых параметров, числу телеметрических каналов и т.

п. 1.5. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 1.5.1. Общие положения Накопленный в математическом моделировании опыт позволил выработать определенную технологию исследования сложных технических объектов, основанную на построении и анализе с помощью электронно- вычислительных машин (ЭВМ) математических моделей изучаемого объекта. Такой метод исследования называется вычислительным экспериментом [401.

Схема его приведена на рис. 1.б. Он начинается с постановки задачи, на которую требуется найти ответ. Процесс постановки задачи, поддающейся математическому анализу, часто бывает продолжительным и требует разносторонних знаний, не имеющих непосредственного отношения к математике, - знания конструкции исследуемого объекта, технологии его производства, условий эксплуатации и испытаний, известных литературных данных по исследуемой теме и т.

п. Все зто является важным .26 тьемлемым элементом процесса математического моделирования. После постановки задачи производится построение математической ~одели, которая неразрывно связана с физической моделью сследуемого объекта или явления. По сути дела, математическая модель „лается математическим описанием физической модели. Большинство сальных физических процессов описывается нелинейными уравнениями математической физики и лишь при описании малых отклонений от установившегося (равновесного) режима эти уравнейия можно заменить линейными 15,40), Первоначально, при построении математической модели, пренебре- гают факторами, не оказывающими существенного влияния на ход изучаемых процессов, то есть рассматривают упрощенную физическую модель объекта 127,38).