Диссертация (Влияние входных давлений компонентов топлива на точность управления и регулирования многорежимных маршевых кислородно-керосиновых ЖРД типа РД191), страница 4

Останов двигателя осуществляется снятием команд,подаваемых на цифровые приводы регулятора командных давлений и дросселейокислителя. Так же подается команда на закрытие пневмопривода регуляторагорючего.Разработанная система регулирования двигателей РД170 (РД171) показаладостаточную эффективность по управлению тягой и соотношением расходовкомпонентов топлива. Следует отметить, что несмотря на эффективное23управление двигателем, система характеризуется сложностью задействованныхагрегатов (РКД, следящие приводы со сравнивающими устройствами дляуправления регулятором и дросселем горючего) и, как следствие, привноситповышенные требования к обеспечению надежного функционирования всех своихэлементов. В частности, повреждение любого из трубопроводов, идущих ксравнивающим устройствам следящих приводов, выводит двигатель из строя.Высокой сложностью характеризуется и алгоритм управления и регулированиядвигателя [28, 56].В конструкции двигателя РД170 (РД171) в магистралях, подводящихжидкий кислород от двух выходов насоса окислителя к газогенераторам,установлены два дросселя, управление которыми осуществляется цифровымиэлектрогидроприводами (поз.

6, 20 и 21). При разработке конструкции двигателясчиталось, что данные дроссели должны обеспечивать надежное управлениезапуском двигателя и устойчивость работы газогенераторов при работе на низкихрежимах [28, 56].Принципиальной особенностью конструкции РКД должно было являтьсянезависимое управление по тяге и соотношению расходов компонентов топлива(при изменении уровня режима по тяге команды должны подаваться на привод,изменяющий значение давлений в камерах; привод, изменяющий значенияперепада давления на мерном устройстве, сохраняет свое положение и наоборот).Настройка двигателя по управлению режимами в таком случае определяласьнастройкой РКД при его автономной проверке перед установкой на двигатель[56].Двигатели РД170 (РД171) по штатной циклограмме полета должныработать с длительным (24 с) участком плавного дросселирования (тягаснижалась со 100% до 49,6% - уровень работы на конечной ступени).

В процессеотработки двигателей выявилось, что при изменении тяги (работает толькосоответствующий привод) не обеспечивается постоянство соотношения расходовкомпонентов топлива. Значение Km монотонно изменяется. Потребовалось24проводить дополнительную настройку каждого двигателя в процессе КТИ за счетиспользования внешних обратных связей [31].В качестве таковых были задействованы стендовые измерения массовыхрасходовокислителя o)(mигорючего г)(mспомощьютурбинныхрасходомеров, установленных на входных магистралях подвода компонентов.Данные по измерениям поступали в стендовую СУ, в которой определялисьотносительное значение уровня тяги как отношения фактического суммарного o+m г ) к суммарному расходу на номинальном (100%расхода компонентов ( mm o.ном + m г.ном ) и значение Km = o .

В итоге был разработантяги) режиме ( mгmалгоритм настройки каждого экземпляра двигателя в процессе КТИ. Временнойпериод плавного дросселирования разбивался на 3 участка, на каждом из которыхопределялось постоянное (в дальнейшем) положение привода РКД по задаваемымзначениям Km, при котором обеспечивалось среднеинтегральное номинальноезначение Km [31].Недостатком подобного метода настройки являлась его привязка кконкретной циклограмме полета РН.В то же время подобная реализация системы управления и регулированиядвигателемРД170(РД171)позволилазначительноупроститьалгоритмуправления и регулирования двигателем, а также понизить влияние внешнихфакторов, с одновременным значительным увеличением точности управления ирегулирования.Использование внешних обратных связей для настройки конкретныхэкземпляров двигателей оказалось настолько эффективным, что стало возможнымбез ущерба для точности настройки двигателя и надежности двигателя отказатьсяот внутридвигательных обратных связей, исключив такой сложный агрегат какРКД [56].Двигатель РД171М (рисунок 3) – модифицированный вариант двигателяРД170 (РД171), который отличается от базового варианта упрощенной системойрегулирования и рядом других мероприятий, направленных на повышениеРисунок 3.

Двигатель РД171М и РН «Зенит-3SL» [25] в программе «Морской старт»50…100±7± 6о93002,63Номинальное соотношение компонентовДиапазон регулирования, %:- по тяге- по соотношению компонентовУгол поворота камерМасса «сухого» двигателя, кг250309,5 / 337,2Удельный импульс:на Земле / в пустоте (с)Давление в камерах сгорания (кгс/см2)740 / 806,4Тяга: на Земле / в пустоте (тс)2526работоспособности двигателя. Двигатель РД171М имеет идентичную РД170(РД171) эксплуатационную документацию и внешний интерфейс.

Данныйдвигатель применяется в качестве ДУ для первой ступени РН «Зенит» дляпрограмм «Морской старт» и «Наземный старт» в рамках коммерческихконтрактов и выполнения программ Федерального космического агентства(Роскосмос).В процессе отработки экспериментальных образцов двигателя РД171М, вкоторых дроссели окислителя не использовались, было подтверждено, что запускдвигателя, его работа на всех предусматриваемых режимах характеризуетсяустойчивой работой всех агрегатов и систем. При этом обеспечивался заданный вТЗ на двигатель закон изменения тяги при запуске и останове [28].Результаты указанных работ послужили основанием для исключения изсоставадвигателяРД171Мдросселейокислителя(ссоответствующимиприводами) [28].Отказ от использования дросселей окислителя, накопленный опытнастройки системы управления двигателя в процессе КТИ с использованиемвнешнихобратныхсвязейпозволилиперейтивпроцессеотработкиэкспериментальных образцов двигателя РД171М к существенно более простойсистеме управления, состоящей всего из 2-х цифровых приводов, управляющихнепосредственно регулятором тяги и дросселем горючего [28].Упрощение системы (исключаются два сложных следящих привода, РКД,трубопроводы) безусловно увеличивает надежность двигателя и снижает егомассу.

Отработка такой системы показала, что на всех рабочих режимахобеспечивается требуемая точность поддержания задаваемых СУ тяги исоотношения расходов компонентов топлива [28].Следует отметить, что подобная схема управления (без РКД и дросселейокислителя) была использована и подтвердила свою эффективность на двигателеРД180, имеющего многорежимный профиль тяги и такие же как для РД171Мтребования по точности управления и регулирования [28].27В результате работы в части оптимизации системы управления ирегулированиядвигателей,проведеннойвОАО«НПОЭнергомаш»,последующие конструкции двигателей РД171М, РД180 (устанавливается напервой ступени РН семейства «Atlas», рисунок 4), РД191 (устанавливается напервой ступени РН семейства «Ангара», рисунок 5) выполнены по схеме, вкоторой управление и регулирование режимами работы двигателя осуществляетсяСУ через приводы, установленные на регуляторе тяги и дросселе горючего.Высокая точность задаваемых СУ значений тяги и соотношения расходовкомпонентов топлива обеспечивается разработанными методами проведениядоводочных и контрольно-технологических испытаний, а также методикойпроведения настройки двигателей с использованием внешних обратных связей[56].ВходепроектированиядвигателяРД191решенобылоуйтиоттрадиционных для ОАО «НПО Энергомаш» цифровых электрогидроприводов(разработчик – ОАО «РКК «Энергия») для управления двигателем, прииспользовании которых алгоритм управления и регулирования основывался назависимостях углов поворота валов приводов регулятора расхода и дросселягорючего от уровня режима по тяге и соотношению расходов компонентовтоплива, к шаговым электрогидроприводам (разработчик – ОАО «ЦНИИАГ»).При их использовании в алгоритме управления и регулирования двигателемиспользованы зависимости кодов команд от задаваемых уровней режимов по тягеисоотношениюрасходовкомпонентовтоплива.Вшаговыхэлектрогидроприводах используется шаговый двигатель, который обеспечивает241 дискретное положение выходного вала привода.

Каждому положениюприсвоенкодNот0до241.Основнымдостоинствомэлектрогидроприводов явились их малые габариты и масса [23, 55].шаговыхРисунок 4. Двигатель РД180 и РН «Atlas V» [54]47…100±7± 8о54802,72Номинальное соотношение компонентовДиапазон регулирования, %:- по тяге- по соотношению компонентовУгол поворота камерМасса «сухого» двигателя, кг261,7311,9 / 338,4Удельный импульс:на Земле / в пустоте (с)Давление в камерах сгорания (кгс/см2)390,2 / 423,4Тяга: на Земле / в пустоте (тс)28Рисунок 5. Двигатель РД191 и РН «Ангара-1.2ПП» [22]27…105±7± 8о22902,75Номинальное соотношение компонентовДиапазон регулирования, %:- по тяге- по соотношению компонентовУгол поворота камерМасса «сухого» двигателя, кг262,6311,2 / 337,5Удельный импульс:на Земле / в пустоте (с)Давление в камерах сгорания (кгс/см2)196 / 212,6Тяга: на Земле / в пустоте (тс)29301.3.Проблемы, связанные с созданием двигателя РД191 для РН серии«Ангара»В конце 1993г.