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

АО «НПО ЭНЕРГОМАШ имени академика В.П.Глушко»На правах рукописиКАМЕНСКИЙ СЕРГЕЙ СТАНИСЛАВОВИЧПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОВТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЖРДНА ОСНОВЕ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙМАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИСпециальность 05.07.05Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратовДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наукМартиросов Давид СуреновичХимки20172ОГЛАВЛЕНИЕСПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ …..………….4ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………..……….6ВЫБОР1ПОВЫШЕНИЕМАТЕМАТИЧЕСКОЙДОСТОВЕРНОСТИМОДЕЛИ,ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙПРОГНОЗИРОВАНИЯРЕЗУЛЬТАТОВПОВТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЖРД …………………………………….………….131.1ЖРДкакобъектматематическогомоделирования.Иерархияматематических моделей стационарных рабочих процессов ЖРД…………..........131.2 Расчетно-экспериментальная математическая модель стационарныхрабочих процессов (РЭМ) ЖРД.

Коррекция математической модели порезультатам огневого испытания …………….……………….….……………...…..19ВЫВОДЫ …………………………………………………………………........282 МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОВТОРНЫХИСПЫТАНИЙ ЖРД НА ОСНОВЕ РЭМ………………………..…………..….…292.1 Постановка задачи ………………………………..………...………..……..292.2 Свойства РЭМ, используемые для прогнозирования ……...……..………322.2.1 Повышение точности прогнозирования ………....………..………...322.2.2 Расширение диапазона прогнозирования ………………..………….392.3 Алгоритм метода прогнозирования результатов повторных испытанийЖРД на основе РЭМ ……………………………………………..….…………...…...422.4 Подтверждение преимуществ метода прогнозирования на основе РЭМ поданным огневых испытаний ЖРД……………………….…………………….……..432.4.1 Двигатель РД181 ……………………………………………….…….442.4.2 Двигатель РД191 ……………………………………………………..5132.4.3 Двигатель РД180 в составе РН «Атлас-V» (прогнозированиеповторных испытаний со сменой марки горючего) ………..…………..………....58ВЫВОДЫ ………………………………………………………………………..713 МЕТОД ОПЕРАТИВНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВПОВТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЖРД НА ОСНОВЕ РЭМ ….…………………….733.1 Постановка задачи ………………………………………….………………733.2 Анализ структуры математической модели ЖРД, работающего по схеме сдожиганием в камере окислительного генераторного газа …….…….……...……743.2.1 Подтверждение результатов анализа математической моделиаппроксимацией данных огневых испытаний ЖРД ................................................773.3.

Алгоритм метода оперативного прогнозирования результатов повторныхиспытаний ЖРД на основе РЭМ ………………….………...……………………….903.4 Подтверждение преимуществ метода оперативного прогнозирования наоснове РЭМ по данным огневых испытаний ЖРД ………….…….………………913.4.1 Двигатель РД181 …………………….……..….……………….…….913.4.2 Двигатель РД191 ………………………………………………..……993.5 Программно-математическое обеспечение метода оперативногопрогнозирования результатов повторных испытаний ЖРД на основе РЭМ ….108ВЫВОДЫ ………………………………………………………….………..…1144. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ РЭМДЛЯРЕШЕНИЯЗАДАЧСАЗ,ИСПОЛЬЗУЮЩИХАДАПТИВНЫЕАЛГОРИТМЫ, И СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЖРД ……………………….115ВЫВОДЫ …………………………..…………………………………………120ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………….…121СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………….……1234Список сокращений и условных обозначений(в порядке их первого упоминания в тексте)ЖРД – жидкостный ракетный двигатель;РЭМ – расчетно-экспериментальная математическая модель;R - уровень пустотной тяги, определяемый отношением текущего значениятяги к номинальному значению;- соотношение компонентов топлива;САЗ- система аварийной защиты;РН – ракета-носитель;ПГС - пневмогидравлическая схема;КТИ – контрольно-технологическое огневое испытание;КТГ – температура газа за турбиной;КПВ – обороты вала турбонасосного агрегата (ТНА);КБГ – обороты вала бустерного насоса горючего (БНГ);КБО – обороты вала бустерного насоса окислителя (БНО);ДГПН-2 – давление после второй ступени насоса горючего;ДГПН-1 – давление после первой ступени насоса горючего;ДГПД – давление после дросселя горючего;ДГПР – давление после регулятора расхода горючего;ТГДК – температура горючего на входе в смесительную головку камеры;ДГДК – давление горючего на входе в смесительную головку камеры;- градус Цельсия;,K - градус Кельвина;изб – избыточное давление;– температура окислителя на входе в двигатель;- температура горючего на входе в двигатель;- давление окислителя на входе в двигатель;- давление горючего на входе в двигатель;- давление горючего на входе в двигатель;5- угол привода регулятора;- угол привода дросселя;вх- плотность горючего на входе в двигатель;- номинальное значение соотношения компонентов топлива;- номинальные значения соответствующих параметров навходе в двигатель.6ВВЕДЕНИЕАктуальность темыСовременный ЖРД является сложной технической системой, трудоемкойприпроектировании,разветвленнуюизготовлении,испытаниипневмогидравлическуюсхемуиэксплуатации,ивысокуюимеетстепеньфункциональной взаимосвязи между агрегатами.

Отличительной особенностьюсовременного ЖРД является огромная мощность, приходящаяся на единицу егомассы, и основные процессы протекают с большими скоростями переноса энергиии массы, с большими градиентами температур в компонентах топлива инапряжений в металле конструкций.В настоящее время к существующим и вновь проектируемым ЖРДпредъявляютсявысокиетребованияпонадежности,многократностииспользования и экономичности.Реализация таких требований становится возможной с применениемматематического 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.Всеэтообъясняетпостоянноевниманиеспециалистовксовершенствованию методов моделирования рабочих процессов ЖРД.В настоящее время существует и активно используется ряд математическихмоделей,уровеньдетализацииидостоверностикоторыхсоответствуютконкретным этапам жизненного цикла двигателя.Однако, как показала практика, использование ранее разработанных иапробированных методов решения проблемных задач, возникших в связи смодернизацией существующих двигателей, обеспечением их нормальной работы7на режимах форсирования, глубокого дросселирования и в расширенныхдиапазонах условий работы может привести к недостоверному прогнозированиюпараметров двигателя в цикле повторных огневых испытаний.

При такихиспытаниях, в ряде случаев, двигатель в соответствии с циклограммойфункционирует на границах диапазонов условий эксплуатации, заданныхтактико-техническими требованиями как по уровню достигаемых значений тяги исоотношения компонентов топлива в камере сгорания, так и по температурам идавлениям компонентов топлива на входе в двигатель.

Всё это повышает рискивозникновения нештатных ситуаций в случае ошибок в назначении допустимыхзначений параметров рабочих процессов на планируемом испытании.Таким образом, решение задачи повышения достоверности расчетногопрогноза уровней параметров двигателя прямо диктуется необходимостьюполного исключения указанных рисков.В настоящее время задача прогнозирования решается с использованиеммодели конкретного экземпляра двигателя, формируемой на базе штатнойматематическоймоделиЖРД,отражающейегосхемуидополненнойхарактеристиками агрегатов, полученных при автономных испытаниях.

Однако,как показывает практика, такая модель полностью не обеспечивает надежныйрасчетный прогноз для особо напряженных режимов испытаний.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 работыЦель работы – повышение достоверности расчетного прогнозированиярезультатов планируемых испытаний в широких диапазонах изменений режимовработы и внешних условий с целью обеспечение безопасности повторныхогневых испытаний ЖРД.8Для достижения этой цели решены следующие основные задачи:1 Исследована иерархия математических моделей рабочих процессов ЖРД сцелью определения и классификации особенностей их структуры на разныхстадиях жизненного цикла двигателя.2 Определены и подтверждены экспериментальными данными свойстваматематической модели ЖРД, откорректированной по телеметрии испытания,предшествующего прогнозируемому, – расчетно-экспериментальной модели(РЭМ) как модели, наиболее полно отражающей индивидуальные характеристикифункционирования конкретного экземпляра двигателя.3Показано,чтозависимости,используемыедляпрогнозированияпараметров ЖРД, выполненного по схеме с дожиганием генераторного газа,можно однозначно определить как функции шести переменных: уровня тяги,соотношения компонентов топлива, а также температур и давлений компонентовна входе в двигатель.