ЛЕКЦИЯ 14

ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ

14.1. Основные положения. Классификация

Величина потребной управляющей силы, являющаяся исходным параметром при проектировании органов управления (ОУ) конкретной ракеты, выбирается из условия:

,

где – тангажный момент; - управляющий момент; - суммарная управляющая сила, направленная перпендикулярно ракете; - расстояние от точки приложения до центра массы ракеты;

- сумма возмущающих моментов сил, воздействующих на ракету в процессе полета.

Оптимальность выбранного типа ОУ оценивается на этапе ОСИ

Основные требования к ОУ

1. Обеспечение потребных управляющих усилий при минимуме потерь тяги.

2. Высокая конструктивная надежность и массовое совершенство.

3. Стабильность основных характеристик по времени работы двигателя.

4. Возможность использования рулевых приводов минимальной мощности.

5. Простота компоновки на двигателе, не вызывающая усложнения конструкции.

6. Технологичность и сжатые сроки отработки.

В зависимости от способа получения управляющей силы ОУ подразделяют на механические и инжекционные.

В механических ОУ управляющая сила возникает в результате:

- механического воздействия на газовую струю двигателя;

- отклонения ее вместе с устройством управления.

По конструктивному признаку механические ОУ в зависимости от места, занимаемого в конструкции двигателя, подразделяются на базисные и надстроечные.

Базисные ОУ являются органической частью двигателя, его обязательным элементом (поворотные и качающиеся сопла, разрезные управляющие сопла, управляющие сопла с косым срезом и сопла с подвижным центральным телом).

Надстроечные ОУ являются устройствами дополнительными и устанавливаются только для целей управления (рулевые двигатели, газовые рули, дефлекторы, триммеры).

В инжекционных ОУ управляющая сила возникает в результате газодинамического взаимодействия основной струи с рабочим телом, инжектируемым в расширяющуюся часть сопла. Инжекционные ОУ различают по роду рабочего тела: газообразные продукты сгорания основного или газогенераторного топлива или жидкости, инжектируемые в расширяющуюся часть сопла.

Сравнение эффективности различных типов ОУ

- относительные потери тяги из-за установки ОУ;

- отношение управляющей силы к тяге исходного сопла.

1 – газовые рули; 2 – дефлектор; 3 – инжекция фреона; 4 – поворотное сопло.

Наиболее эффективными, с точки зрения обеспечения минимума потерь тяги, являются поворотные сопла и инжекционные ОУ.

Возможности различных устройств управления вектором тяги по направлению с учетом предъявляемых к ним специфических требований определяются следующими основными характеристиками:

1. Относительная величина боковой силы или угол поворота вектора тяги .

2. Относительная потеря тяги двигателя в следствии отклонения вектора тяги .

3. Показатель газодинамического качества устройства управления , определяющий, ценой каких потерь в тяге достигается управляющая (боковая) сила.

4. Шарнирный момент, или усилие, преодолеваемое приводом устройства при управлении , .

В качестве критерия выбора ОУВТ при их разработке применительно к конкретной ракете используются также коэффициента массового и энергетического совершенства:

; ,

где - масса СУВТ; - стартовая масса ракеты; - суммарный импульс двигателя при управлении вектором тяги.

14.2. Кольцевые газовые рули (дефлекторы) и триммеры

Кольцевые газовые рули (дефлекторы) и триммеры находят достаточно широкое применение благодаря конструктивной простоте и надежности.

1 – косой скачок; 2 – ударная волна; 3 – зона отрыва; 4 – триммер; 5 – дефлектор; 6 – контур сопла.

В исходном положении триммер 4 и дефлектор 5 находятся вне струи. При подаче управляющего сигнала с помощью гидроприводов они вводятся в сверхзвуковую струю. Триммер вводится перпендикулярно оси сопла, а дефлектор по радиусу.

Газодинамическая картина взаимодействия этих устройств с газовой струей в целом аналогична и заключается в том, что при вводе возникает косой скачек уплотнения 1, замкнутый ударной волной 2. Перед устройством образуется зона отрыва 3 с повышенным давлением, а за устройством – зона с пониженным давлением. Т.о. стенки сопла в области ввода устройств оказываются нагруженными перепадом давлений, который обуславливает газодинамическую силу. Разложив ее на составляющие, получают R_у – управляющую силу, перпендикулярную оси сопла и P_x - силу сопротивления, направленную по оси сопла (по сути – это потери тяги).

Триммеры представляют собой достаточно надежную систему, однако, они обуславливают большие потери I_у порядка 2…4 при перекрытии ими 5…10 площади среза сопла.

Дефлектор состоит из защитной вольфрамовой облицовки 5, теплопоглощающего слоя 4 и несущего корпуса 3. В вольфрамовой облицовке имеются отверстия для выхода продуктов разложения теплопоглощающего слоя 4.

14.3. Поворотные (качающиеся) сопла (ПУС, КУС)

ПУС КУС

Основное преимущество поворотных сопел заключается в отсутствии механического воздействия на газовую струю и как следствие – малые потери тяги.

Преимущества

1. Малые потери тяги в процессе функционирования и незначительные нулевые потери.

2. Линейная зависимость управляющей силы от угла поворота сопла.

3. Стабильность основных характеристик в течении времени работы двигателя.

4. Относительная простота конструкции и весовое совершенство.

Недостатки

1. Крайне жесткие условия работы узла поворота, нагруженного высоким давлением продуктов сгорания, имеющих высокую температуру.

2. Большой момент трения в узлах сочленения и в поворотных узлах, что может привести к заклиниванию.

Качающиеся (поворотные) сопла могут быть выполнены в виде качающихся в одной или 2 –х взаимно перпендикулярных плоскостях.

Как отмечалось, наиболее сложной проблемой является обеспечение работоспособности уплотнения шарнира при малых моментах трения.

Для преодоления этих трудностей разрабатываются сопла с жидкостным шарниром, сопла с упругим узлом качания (эластичный шарнир) и гибкие сопла. Управляющая боковая сила КУС определяется из геометрического разложения вектора тяги на продольную и поперечную составляющие:

; ;

КУС получили широкое распространение в крупногабаритных РДТТ и по своим массовым характеристикам мало отличаются от неподвижных сопел.

14.4. Инжекционные ОУВТ

а) б) в)

С позиций массового совершенства ДУ наиболее выгодными являются инжекционные ОУ, использующие принцип несимметричного вдува горячих газов, отобранных из КС, в расширяющуюся часть сопла (схема а).

При этом устраняется необходимость транспортировки дополнительного рабочего тела, сопутствующих вспомогательных устройств и арматуры, т.е. устраняется существенный недостаток системы впрыска жидкости (схема б). Однако, при использовании схемы а возникает ряд технических трудностей, связанных с созданием надежных регуляторов расхода высокотемпературных, химически активных ПС топлива.

С точки зрения простоты конструкции и обеспечения высокой надежности эффективно применение в качестве рабочего тела жидкости. Ее легче хранить, дозировать, а ее высокая плотность дает возможность оптимизировать массу всей системы. С другой стороны управляющая сила и I_у при впрыске жидкости при прочих равных условиях значительно меньше, чем при вдуве горячих газов.

Схема газодинамического взаимодействия
основного и инжектируемого потоков

0 – граница основного потока; 1 – невозмущенный основной поток в сечении инжекции; 2 – область за скачком уплотнения; 3 – область основного потока вниз по течению от места инжекции; 4 – область вторичного потока вниз по течению от места инжекции.

При инжекции газа или жидкости в область сверхзвукового потока происходит отрыв турбулентного пограничного слоя с последующим возникновением конического скачка уплотнения переменной интенсивности. Углы наклона и отрыва, параметры за скачком и в области отрыва определяются, если известны параметры основного потока.

1. Р азрезные управляющие сопла (РУС)

Управляющая сила в РУС вызывается механическим воздействием подвижного раструба на сверхзвуковую газовую струю.

Для реализации этой схемы сопло имеет разъем в районе М = 1,5…2,0. Подвижная часть, связанная с рулевым приводом, имеет возможность отклоняться. При повороте подвижной части РУС в одной из плоскостей стабилизации возникает косой скачок уплотнения переменной интенсивности. Интенсивность скачка максимальна на “входящей” в поток стороне и минимальна на “уходящей”.

Наличие косого скачка уплотнения приводит к перераспределению давления по длине подвижной части сопла – на входящей стороне оно возрастает, на уходящей – убывает. Т.о. на раструбе возникает боковая сила, величина которой зависит от угла поворота подвижной части. Наличие линии разъема в сверхзвуковой части мало влияет на “нулевые” потери тяги.

Основные преимущества РУС

1. Простота конструкции, сравнимая с неподвижным соплом.

2. Высокая надежность, поскольку узлы уплотнения линии разъема работают в условиях малых давлений и сравнительно низких температур.

3. Линейная зависимость управляющей силы от угла поворота сопла.

4. Высокая эффективность и сравнительно небольшие потери тяги при функционировании.

К основному недостатку РУС можно отнести потребность в мощных рулевых приводах для отклонения подвижной части, нагруженной сверхзвуковым потоком.