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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)»На правах рукописиПушкарев Дмитрий СергеевичВлияние входных давлений компонентов топлива на точность управления ирегулирования многорежимных маршевых кислородно-керосиновых ЖРДтипа РД191Специальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратов»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:д.т.н.

Семёнов Вадим ИльичМосква – 20152ОГЛАВЛЕНИЕСписок сокращений…………….....………………………………………………5Список условных обозначений…...………………………………………………6ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….....7РАЗДЕЛ1.АНАЛИЗВЫСОКОТОЧНОГОСОСТОЯНИЯПРОБЛЕМЫУПРАВЛЕНИЯИОБЕСПЕЧЕНИЯРЕГУЛИРОВАНИЯМАРШЕВЫМИ ЖРД……………………………………………………………..1.1.Основные понятия и определения теории управления и регулированияжидкостных ракетных двигателей………………………………………...1.2.1313Совершенствование системы управления и регулирования тяги исоотношения расходов компонентов топлива двигателей производстваОАО «НПО Энергомаш»…………………………………………………...1.3.Проблемы, связанные с созданием двигателя РД191 для РН серии«Ангара»…………………………………………………………………….1.4.1430Анализ литературы, связанный с обеспечением дросселированияжидкостных ракетных двигателей………………………………………..32Выводы по разделу 1……………………………………………………………...35РАЗДЕЛ 2.

НАСТРОЙКА ДВИГАТЕЛЯ РД191 ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯПОЛЕТНОГОАЛГОРИТМАУПРАВЛЕНИЯИРЕГУЛИРОВАНИЯДВИГАТЕЛЯ……………………………………………………………………..2.1.Методиканастройкидвигателявпроцессепервого36огневогоиспытания, обеспечивающая его работу в полете в широком диапазонеизменения тяги ……………………………………………………………..362.1.1. Описание методики настройки двигателя РД191 при проведении КТИ..372.1.2. Алгоритм управления и регулирования двигателя при проведенииКТИ………………………………………………………………………….2.2.39Определение влияния температур компонентов на уровень режима потяге и соотношению расходов компонентов топлива……………………5632.3.Описание алгоритма управления и регулирования двигателя в полете...2.4.Оценка точности настройки двигателей РД191 при проведении59повторных испытаний……………………………………………………..63Выводы по разделу 2……………………………………………………………..64РАЗДЕЛ 3.

ВЛИЯНИЕ ВХОДНЫХ ДАВЛЕНИЙ КОМПОНЕНТОВ НАТОЧНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ МНОГОРЕЖИМНЫХМАРШЕВЫХ КИСЛОРОДНО-КЕРОСИНОВЫХ ЖРД ТИПА РД191……….3.1.65Использование математической модели для определения степенивлияния входных давлений окислителя и горючего на тягу исоотношение расходов компонентов топлива……………………………3.2.65Экспериментальное исследование степени влияния входных давленийокислителя и горючего на тягу и соотношение расходов компонентовтоплива………………………………………………………………………3.3.71Предложения по учету влияния входных давлений окислителя игорючего в части введения разовой поправки кода, выдаваемого напривод дросселя горючего………………………………………………..3.4.86Корректировка алгоритма управления и регулирования двигателяРД191, связанная с учетом влияния входных давлений окислителя игорючего на тягу и соотношение расходов компонентов топлива…….943.4.1.

Определение коэффициентов влияния входных давлений окислителя игорючего на соотношение расходов компонентов топлива…………….963.4.2. Методика расчета давлений компонентов топлива на входе вдвигатель РД191 по данным полетных измерений………………………973.4.3. Модификация алгоритма управления и регулирования двигателяРД191……………………………………………………………………….3.5.99Экспериментальное подтверждение эффективности корректировкиалгоритма управления и регулирования двигателя в части учетавлияния входных давлений окислителя и горючего на соотношениерасходов компонентов топлива…………………………………………… 1014Выводы по разделу 3……………………………………………………………..107РАЗДЕЛ 4.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БОРТОВОЙ СУ РН И АЛГОРИТМАУПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ…………………………109Выводы по разделу 4……………………………………………………………...116ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………..117СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……...…………………………………………………1205СПИСОК СОКРАЩЕНИЙДУ – двигательная установка;ЖРД – жидкостный ракетный двигатель;КТИ – контрольно-технологическое испытание;ЛА – летательный аппарат;ЛИ – летные испытания;РН – ракета-носитель;СУ – система управления;СУРТ – система управления расходом топлива;ТЗ – техническое задание;ТНА – турбонасосный агрегат.6СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙR – относительная тяга двигателя;Km – соотношение расходов компонентов топлива;R ном – номинальная относительная тяга двигателя ( R ном = 1,00 (100%));Km ном − номинальное значение соотношения расходов компонентов топлива.7ВВЕДЕНИЕРазвитие ракетно-космической техники рассматривается ПравительствомРоссийской Федерации как одно из основных направлений развития науки иинноваций.

Совершенствование ракетной техники ставит перед инженерами рядновых проблем.Важнейшей составляющей частью ракетной техники являются маршевыеЖРД первых ступеней, которые определяют мощность РН и, следовательно,массу выводимых в космическое пространство полезных нагрузок [14]. Созданиемощных маршевых многорежимных ЖРД связано с разработкой высокоточныхалгоритмов (систем) управления и регулирования двигателей [9, 18, 19].Дальнейшее совершенствование и повышение эффективности летательныхаппаратов с ЖРД связано с уменьшением энергетических затрат за счетулучшения, в том числе, точностных характеристик систем управления ирегулирования [16, 29, 41].В условиях постоянно растущей стоимости вывода полезной нагрузки нарасчетную орбиту от двигателя требуется все более и более широкий диапазонизменения тяги.

Также от ДУ требуется реализация максимально точныхзначений тяги и соотношения расходов компонентов топлива, задаваемых СУ наразличных режимах работы двигателя [6, 55], независимо от изменения такназываемых внешних факторов на входе в двигатель таких, как температуры,давления компонентов топлива и, в отдельных случаях, их плотности. В ОАО«НПО Энергомаш» разработана методика настройки ЖРД, работающих по схемес дожиганием окислительного генераторного газа на компонентах кислородкеросин, в процессе проведения приемо-сдаточного (КТИ) испытания. Даннаяметодика постоянно совершенствовалась, и применительно к времени отработкии КТИ двигателей РД191 при активном участии автора позволяет формироватьштатные алгоритмы управления и регулирования двигателя, обеспечиваявысокую точность воспроизведения заданных СУ тяги и соотношения расходовкомпонентов.8В процессе отработки двигателей РД171М (РН «Зенит»), РД180 (РН«Atlas»), работающих в диапазоне режимов по тяге 100-47%, было отмеченовлияние на точность поддержания тяги и соотношения расходов компонентовтемператур компонентов.

Изменение значений входных давлений компонентовоказывало существенно меньшее влияние, в связи с чем соответствующиепоправки в штатные алгоритмы управления и регулирования не вводились.В двигателе РД191 (для центрального блока РН «Ангара-А5») диапазонрежимов по тяге составляет 105-27%. Режим глубокого дросселирования (30-27%)характеризуется длительной протяженностью (~ 170 с), в процессе которогопроисходит монотонное увеличение входных давлений компонентов из-за ростаускорения РН при работе на режиме 100% тяги двигателей боковых ступеней ипоследующее снижение давлений при отделении боковых ступеней.При существенном снижении напорности агрегатов подачи компонентов нарежиме глубокого дросселирования монотонное изменение входных давленийкомпонентов стало фактором, приводящим к значительному изменению (до 10%от номинала) соотношения расходов компонентов, влияющим как на работудвигателя, так и на работу системы СУРТ РН.Цель данной работы – совершенствование методов, которые обеспечиваютвысокую точность управления и регулирования современных маршевых ЖРД вширокомдиапазонеизменениярежимов,включаярежимыглубокогодросселирования.Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.

Провести анализ влияния входных давлений компонентов длякомпонентов кислород-керосин на точность обеспечения задаваемыхсистемой управления РН соотношений расходов компонентов топливапри работе на различных режимах по тяге.92. Разработать методику, позволяющую учитывать влияние входныхдавлений компонентов на точность управления и регулирования нарежимах глубокого дросселирования.3.

В случае существенного влияния входных давлений компонентов наточность 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.Объект исследования – системы управления и регулирования маршевыхЖРД.Предмет исследования – система управления и регулирования двигателяРД191.Методологической и теоретической основой исследования стал опыт,достигнутый в ОАО «НПО Энергомаш» при разработке высокоточных системуправления и регулирования современных маршевых ЖРД, выраженный в трудахВ.И. Семёнова, И.Г.

Стороженко, Е.Н. Сёминой, А.И. Колбасенкова, В.И.Черныха и др., а также опыт сторонних организаций в изучении процессовуправления и регулирования двигателей, выраженный в трудах В.Д. Дишеля, И.В.Васягиной (ФГУП «НПЦ АП им. Н.А. Пилюгина»), А.А. Козлова (МАИ (НИУ)) идр.Методыисследования.Косновнымметодамдиссертационногоисследования следует отнести аналитические исследования с последующейпроверкой при огневых стендовых испытаниях двигателя. Кроме этого дляподтверждения и проверки теоретических заключений и экспериментальныхисследований использовалось моделирование на персональном компьютере сиспользованием стандартных программ пакета Microsoft Office и пакета MathCad.10Информационная база исследования – результаты стендовых огневыхиспытаний двигателя РД191, а также данные из книг, статей, научных докладов итехнических отчетов, материалов конференций по теории автоматическогоуправления и регулирования ЖРД.Научная новизна.