Автореферат (Прогнозирование результатов повторных испытаний ЖРД на основе расчетно-экспериментальной математической модели)

2Работа выполнена в АО «НПО ЭНЕРГОМАШ им. академика В.П.Глушко»НаучныйДоктор технических наук Мартиросов Давид Суреновичруководитель:ОфициальныеБершадский Виталий Александрович – доктор техническихоппоненты:наук,старшийнаучныйсотрудник,федеральноегосударственное унитарное предприятие «Центральный научноисследовательскийинститутмашиностроения»,главныйнаучный сотрудник.Бобров Александр Николаевич – кандидат технических наук,федеральноегосударственноеучреждениевысшегобюджетноеобразовательноеобразования«Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э.Баумана(национальныйисследовательскийуниверситет)»,доценткафедры «Ракетные двигатели».ВедущаяФедеральное казенное предприятие «Научно-испытательныйорганизация:центр ракетно-космической промышленности»Защита состоится « 11 » сентября 2017 г. в 15 часовдиссертационногосоветаД212.125.08,созданногонабазена заседанииМосковскогоавиационного института (национального исследовательского университета) поадресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационногоинститута(национальногоисследовательскогоуниверситета)http://www.mai.ru/upload/iblock/704/diss_kamensky.pdfАвтореферат разослан «____»______________2017г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.125.08,д.т.н., профессорЗуев Юрий Владимирович3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииСовременный ЖРД является сложной технической системой, трудоемкой припроектировании, изготовлении, испытании и эксплуатации, имеет разветвленнуюпневмогидравлическую схему и высокую степень функциональной взаимосвязимежду агрегатами.

Отличительной особенностью современного ЖРД являетсяогромная мощность, приходящаяся на единицу его массы, и основные процессыпротекают с большими скоростями переноса энергии и массы, с большимиградиентами температур в компонентах топлива и напряжений в металлеконструкций.В настоящее время к существующим и вновь проектируемым ЖРДпредъявляются высокие требования по надежности, многократности использованияи экономичности.Реализациятакихтребованийстановитсявозможнойсприменениемматематического моделирования рабочих процессов на всех этапах жизненногоцикла двигателя – разработки, доводки и эксплуатации в составе ракеты-носителя.По мере доводки вновь разрабатываемого двигателя возрастает объеминформации о нем, и с учетом ее совершенствуются математические модели.Все это объясняет постоянное внимание специалистов к совершенствованиюметодов моделирования рабочих процессов ЖРД.В настоящее время существует и активно используется ряд математическихмоделей, уровень детализации и достоверности которых соответствуют конкретнымэтапам жизненного цикла двигателя.Однако, как показала практика, использование ранее разработанных иапробированных методов решения проблемных задач, возникших в связи смодернизацией существующих двигателей, обеспечением их нормальной работы нарежимах форсирования, глубокого дросселирования и в расширенных диапазонахусловий работы может привести к недостоверному прогнозированию параметровдвигателя в цикле повторных огневых испытаний.

При таких испытаниях, в ряде4случаев, двигатель в соответствии с циклограммой функционирует на границахдиапазонов условий эксплуатации, заданных тактико-техническими требованиямикак по уровню достигаемых значений тяги и соотношения компонентов топлива вкамере сгорания, так и по температурам и давлениям компонентов топлива на входев двигатель. Всё это повышает вероятность возникновения нештатных ситуаций вслучае ошибок в назначении допустимых значений параметров рабочих процессовна планируемом испытании.В настоящее время задача прогнозирования решается с использованиеммодели конкретного экземпляра двигателя, формируемой на базе штатнойматематическоймоделиЖРД,отражающейегосхемуидополненнойхарактеристиками агрегатов, полученных при автономных испытаниях. Однако, какпоказывает практика, такая модель полностью не обеспечивает надежныйрасчетный прогноз для испытаний, проводимых на границах и за границамирабочих диапазонов условий эксплуатации двигателя.Таким образом, повышение достоверности расчетного прогнозированияпараметров рабочих процессов в широких диапазонах изменения условийиспытаний на основе адекватных математических моделей для повышениябезопасности повторных огневых испытаний ЖРД является актуальной задачей.Цель и задачи исследованияЦель работы – повышение достоверности расчетного прогнозированиярезультатов планируемых испытаний в широких диапазонах изменений режимовработы и внешних условий с целью обеспечение безопасности повторных огневыхиспытаний ЖРД.

Для достижения этой цели решены следующие основные задачи:1. Исследована иерархия математических моделей рабочих процессов ЖРД сцелью определения и классификации особенностей их структуры на разных стадияхжизненного цикла двигателя.2. Определены и подтверждены экспериментальными данными свойстваматематической модели ЖРД, откорректированной по телеметрии испытания,предшествующего прогнозируемому, – расчетно-экспериментальной модели (РЭМ)5как модели, наиболее полно отражающей индивидуальные характеристикифункционирования конкретного экземпляра двигателя.3.

Показано, что зависимости, используемые для прогнозирования параметровЖРД, выполненного по схеме с дожиганием генераторного газа, можно однозначноопределить как функциишести переменных: уровня тяги, соотношениякомпонентов топлива, а также температур и давлений компонентов на входе вдвигатель.Выводыподтвержденыэкспериментальнымиданнымиогневыхиспытаний.4. Разработан метод прогнозирования результатов повторных испытаний ЖРДна основе РЭМ. Показано, что этот метод отличается от существующихповышенной точностью, которая подтверждается в широких диапазонах измененийрежимов работы и внешних условий, а также при изменении марки горючего.5. Разработан метод прогнозирования на основе аппроксимации результатоврасчетов по РЭМ в виде полиномиальных зависимостей – метод оперативногопрогнозирования результатов повторных испытаний.

Этизависимости могутприменяться при необходимости оперативного прогнозирования в цикле повторныхогневых испытаний ЖРД без привлечения сложных электронно-вычислительныхсредств.6.Разработанопрограммно-математическоеобеспечениеоперативногопрогнозирования параметров рабочих процессов ЖРД в цикле повторных огневыхиспытаний.7. Проведены обработка и анализ представительной выборки результатовогневых стендовых и летных испытаний ЖРД, доказывающие преимуществаразработанных методов прогнозирования.Научная новизна1. Доказано, что применение для прогнозирования результатов повторныхиспытанийрасчетно-экспериментальнойматематическоймодели(РЭМ)конкретного экземпляра двигателя, отражающей не только описание рабочихпроцессов в двигателе конкретной сборки, но и особенности его функционирования6впроцессеогневыхиспытаний,повышаетдостоверностьрезультатовпрогнозирования.2.

Показано, что прогнозируемые по РЭМ параметры ЖРД, выполненного посхеме с дожиганием генераторного газа, могут быть аппроксимированы в видеполиномиальныхфункцийшести переменных: уровня тяги, соотношениякомпонентов топлива, температур и давлений компонентов топлива на входе вдвигатель.3 Разработаны и подтверждены экспериментально методы прогнозированиярезультатовповторныхиспытанийнаосновеРЭМ,отличающиесяотсуществующих сохранением повышенной точности в более широких диапазонахизменений режимов работы и внешних условий.4. Разработан и подтвержден экспериментально алгоритм регулирования ЖРДв виде зависимостей углов приводов агрегатов регулирования от 6 переменных:уровнятяги,соотношениякомпонентовтоплива,температуридавленийкомпонентов топлива на входе в двигатель. Алгоритм регулирования представленполиномами, аппроксимирующими 6-мерномые массивы точек, определенных поРЭМ в требуемых диапазонах работы двигателя.Теоретическая и практическая значимость работыПрименение разработанных методов прогнозирования обеспечивает высокуюточность определения параметров рабочих процессов ЖРД для планируемыхогневых испытаний, снижая, тем самым, вероятность возникновения аварийныхситуаций.

Расчет прогнозируемых параметров с использованием полиномиальныхзависимостей от уровня тяги, соотношения компонентов топлива, температур идавлений компонентов топлива на входе в двигатель может производиться безиспользования сложной электронно-вычислительной техники и не требуетпривлечения специалистов высокой квалификации.Кроме того, разработанные методы прогнозирования могут быть примененыдля повышения точности определения положений приводов агрегатов управленияпри настройке двигателя на повторное испытание, а также повышения точности7определения пороговых значений контролируемых параметров двигателя для САЗ вшироком диапазоне условий эксплуатации двигателя.Методология и методы исследованияМетодической основой исследований являются работы отечественных ученыхв области математического моделирования сложных систем, а также опытпрактического моделирования рабочих процессов ЖРД, накопленный в АО «НПОЭнергомаш им.

академика В.П.Глушко».Основная особенность предлагаемого метода состоит в том, что он в полноймере учитывает нелинейности, проявляющиеся во взаимосвязях между параметрамирабочих процессов, заложенных в математической модели, при расширениидиапазонов условий испытания, обеспечивая при этом необходимую точностьрасчетов.Следствиемэтогоявляетсядостоверноепрогнозированиепараметровдвигателя в случаях, когда условия прогнозируемого испытания, например, позначениямтяги,соотношениямкомпонентов,температурамидавленийкомпонентов на входе в двигатель существенно отличаются от условийпредшествующего испытания.Предлагаемый метод отличается от существующих методов прогнозированиятем, что все процедуры непротиворечиво связаны в едином универсальномалгоритме, который может быть применен для ЖРД, работающих в широкомдиапазоне изменения условий на входе в двигатель.Положения, выносимые на защиту1. Разработанные методы прогнозирования результатов повторных испытанийЖРД:методпрогнозированиянаосновеРЭМиметодоперативногопрогнозирования на основе аппроксимации результатов РЭМ.2.