Автореферат (Влияние входных давлений компонентов топлива на точность управления и регулирования многорежимных маршевых кислородно-керосиновых ЖРД типа РД191)

На правах рукописиПушкарев Дмитрий СергеевичВлияние входных давлений компонентов топлива на точностьуправления и регулирования многорежимных маршевых кислороднокеросиновых ЖРД типа РД191Специальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работавыполненавфедеральномгосударственномбюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)»Научный руководитель:доктор технических наукСемёнов Вадим ИльичОфициальные оппоненты:Ягодников Дмитрий Алексеевич,доктор технических наук, профессор,МГТУ им. Н.Э.

Баумана (НИУ),заведующий кафедрой «Ракетные двигатели»Мосолов Сергей Владимирович,кандидат физико-математических наук,ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»,начальник отделения ЖРДВедущая организация:федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт проблемуправления имени В.А. ТрапезниковаРоссийской академии наукЗащита диссертации состоится «08» июня 2015 года в 15 ч. 00 мин.на заседании диссертационного совета Д212.125.08, созданного на базефедерального государственного бюджетного образовательного учреждениявысшего профессионального образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)» (МАИ) по адресу:125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.

4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайтеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета), http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=56613.Автореферат разослан «___» ___________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного советаД212.125.08,д.т.н., профессорЗуев Юрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Развитие ракетно-космическойтехники рассматривается Правительством Российской Федерации как одно изосновныхнаправленийразвитиянаукиипромышленности.Совершенствование ракетной техники ставит перед инженерами ряд новыхпроблем.Важнейшей составляющей частью ракетной техники являютсямаршевые ЖРД первых ступеней, которые определяют тяговооруженностьракеты-носителя (РН) и, следовательно, массу выводимых в космическоепространствополезныхнагрузок.Созданиемощныхмаршевыхмногорежимных ЖРД связано с разработкой высокоточных алгоритмов(систем) управления и регулирования двигателей.Дальнейшее совершенствование и повышение эффективностилетательных аппаратов с ЖРД связано с уменьшением энергетических затратза счет улучшения точности систем управления и регулирования.В условиях постоянно растущей стоимости вывода полезнойнагрузки на расчетную орбиту от двигателя требуется все более широкийдиапазон изменения тяги.

Расчеты разработчиков РН показывают, чтоширокий диапазон изменения тяги двигателей и оптимизация ускорения РНпо мере набора высоты позволяют существенно повысить массу выводимой вкосмическое пространство полезной нагрузки (вплоть до 12%). Также от ДУтребуется реализация максимально точных значений тяги и соотношениярасходов компонентов топлива, задаваемых системами управления (СУ) наразличных режимах работы двигателя, независимо от изменения такназываемых внешних факторов на входе в двигатель таких, как температуры,давления компонентов топлива и, в отдельных случаях, их плотности(например, использование разных типов керосина). В ОАО «НПОЭнергомаш» разработана методика настройки ЖРД, работающих по схеме сдожиганием окислительного генераторного газа на компонентах кислородкеросин, в процессе проведения приемо-сдаточного испытания (КТИ).

Даннаяметодика постоянно совершенствовалась, и применительно к времениотработки и КТИ двигателей РД191 при активном участии автора позволяетформировать штатные алгоритмы управления и регулирования двигателя,обеспечивая высокую точность воспроизведения заданных СУ тяги исоотношения расходов компонентов.Диапазон режимов по тяге двигателя РД191 составляет 105-27%.Режим глубокого дросселирования (30-27%) двигателя РД191 центральногоблока РН «Ангара-5» (2 ступень) характеризуется длительнойпротяженностью (~170 с), на котором происходит монотонное увеличениевходных давлений компонентов из-за непрерывного роста ускорения РН при3работе на режиме 100% тяги двигателей боковых ступеней и последующееснижение давлений при отделении боковых ступеней.При существенном снижении напорности агрегатов подачикомпонентов на режиме глубокого дросселирования монотонное изменениевходных давлений компонентов стало фактором, приводящим кзначительному изменению (до ~10% от номинала) значения соотношениярасходов компонентов, влияющим как на работу двигателя, так и на работусистемы управления расходом топлива (СУРТ) РН.Цельдиссертационногоисследованиязаключаетсявсовершенствовании методов, которые обеспечивают высокую точностьуправления и регулирования современных маршевых ЖРД в широкомдиапазоне изменения режимов, включая режимы глубокого дросселирования.Объект исследования – системы управления и регулированиямаршевых ЖРД.Предмет исследования – система управления и регулированиядвигателя РД191.Основныезадачидиссертационногоисследования.Длядостижения поставленной цели диссертационного исследования необходимобыло решить следующие основные задачи:1.

Провести анализ влияния входных давлений компонентов длякомпонентов кислород-керосин на точность обеспечениязадаваемых системой управления РН соотношений расходовкомпонентов топлива при работе на различных режимах по тяге.2. Разработать методику, позволяющую учитывать влияние входныхдавлений компонентов на точность управления и регулированияна режимах глубокого дросселирования.3. В случае существенного влияния входных давлений компонентовна точность управления и регулирования, в частности, на режимахглубокого дросселирования, разработать алгоритмы управлениядвигателем в полете и при проведении повторных испытаний настенде, обеспечивающие требуемые уровни режима по тяге исоотношению расходов компонентов топлива.Методы проведения диссертационного исследования.

К основнымметодам диссертационного исследования следует отнести аналитическиеисследования с последующей проверкой при огневых стендовых испытанияхдвигателя. Кроме этого для подтверждения и проверки теоретическихзаключенийиэкспериментальныхисследованийиспользовалосьмоделирование на персональном компьютере с использованием стандартныхпрограмм пакета Microsoft Office и пакета MathCad.Научная новизна.

В ходе проведенного диссертационногоисследования были получены следующие основные результаты:41. Разработана новая методика, позволяющая учитывать влияниевходных давлений на точность управления и регулированиямощных многорежимных маршевых ЖРД на режимах глубокогодросселирования;2.

Разработаны алгоритмы управления и регулирования ЖРД припроведении доводочных испытаний двигателей и при штатнойэксплуатации, обеспечивающие высокоточное управление ирегулирование с учетом влияния изменения входных давленийкомпонентов.Теоретическая и практическая значимость диссертационногоисследования:1. Подтверждена эффективность метода настройки двигателей ОАО«НПО Энергомаш» в процессе КТИ с учетом влияния внешнихфакторов, таких как температуры, плотности и давлениякомпонентов на входе в двигатель.2.

Разработаны алгоритмы управления и регулирования двигателяРД191 ОАО «НПО Энергомаш» при проведении повторныхиспытаний и при штатной эксплуатации в составе РН,обеспечивающие более высокую точность управления ирегулирования двигателя в широком диапазоне изменениярежимов по тяге (27-105%), задаваемых СУ РН.3.

Результаты диссертационного исследования могут бытьиспользованы при разработке высокоточных систем управления ирегулирования любых новых двигателей производства ОАО«НПО Энергомаш», а также для увеличения точности системуправления и регулирования двигателей РД171М и РД180.Степеньдостоверностирезультатовдиссертационногоисследования. Разработанные алгоритмы, обеспечивающие высокуюточность при управлении и регулировании, отработаны и подтверждены впроцессе огневых испытаний двигателя РД191 для семейства РН «Ангара» вдиапазоне изменения режимов по тяге 105%-27%, а также при проведениилетных испытаний РН «Ангара-1.2ПП» и «Ангара-А5».Личный вклад соискателя.

Автором разработана новая методикапроведения испытаний двигателей РД191, на основе которой определеновлияние изменения входных давлений компонентов топлива на ихсоотношение расходов, проведен анализ полученных результатов испытаний.В технические условия на двигатель РД191 введен разработанный авторомалгоритм управления и регулирования, включающий управление двигателемпри работе на режиме глубокого дросселирования (~27-30% по тяге).5Основные положения, выносимые на защиту:1.

Результаты анализа испытаний РД191, выявили существенноевлияние входных давлений компонентов топлива на тягу исоотношение расходов компонентов топлива на режимахглубокого дросселирования (~27-30% номинальной тяги) икоэффициенты влияния величин входных давлений компонентовтоплива на тягу и соотношение расходов компонентов топливапри работе двигателя на этих режимах.2. Разработан алгоритм управления и регулирования двигателя,согласованный с предприятием-разработчиком РН семейства«Ангара», учитывающий влияние входных давлений компонентовпри расчете кодов команд, выдаваемых на привод дросселягорючего, с введенной в него методикой расчета входныхдавлений компонентов топлива.3. Результаты экспериментальных исследований, показавшиеэффективность использования измененного алгоритма управленияи регулирования двигателя РД191 при полете РН и прииспытаниях двигателя, обеспечивающий требуемую точностьработы СУРТ РН и работу двигателя в эксплуатационномдиапазоне значений тяги и соотношения расходов компонентовтоплива в широких пределах изменения входных давленийкомпонентов топлива на любых режимах работы двигателя, в томчисле на участке глубокого дросселирования.Апробациярезультатовисследования.Результатыдиссертационного исследования в полном объеме докладывались на:«Молодежной конференции, посвященной 105-й годовщине со дня рожденияакадемика В.П.

Глушко», доклад «История совершенствования системуправления и регулирования тяги и соотношения компонентов топливадвигателей РД170 (РД171), РД171М, РД180, РД191», автор: Пушкарев Д.С.,10 сентября 2013 года, ОАО «НПО Энергомаш» Химки, Московская область,Россия; «XLII общественно-научных чтениях, посвященных памяти Ю.А.Гагарина», доклад «Использование внешних обратных связей при настройкедвигателей в процессе приемо-сдаточного огневого испытания», авторы:Лёвочкин П.С., Пушкарев Д.С., Семёнов В.И. и др., 2015 год, г. Гагарин,Смоленская область, Россия.Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит126 страниц машинописного текста, включая введение, четыре раздела,заключение, список литературы из 78 наименований, 32 рисунка, 11 таблиц.6ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цельисследования, задачи, методологическая и теоретическая основа,информационная база, достоверность результатов, практическая значимость,апробация работы, личное участие автора в достижении результатовисследования.Раздел 1 посвящен анализу состояния проблемы обеспечениявысокоточного управления и регулирования маршевыми ЖРД в ОАО «НПОЭнергомаш».В разделе описана история совершенствования систем управления ирегулирования двигателей производства ОАО «НПО Энергомаш», начиная сдвигателей РД107 (РД108), заканчивая современными маршевымимногорежимными двигателями семейства РД170 (РД171М, РД180, РД191).В связи со стремительным развитием ракетно-космической техникиво второй половине XX века существенно расширились задачи, возлагаемыена маршевые ЖРД.