Диссертация (Совершенствование технологии уточняющих испытаний ракетных двигателей малых тяг)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»На правах рукописиХохлов Алексей НиколаевичСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УТОЧНЯЮЩИХИСПЫТАНИЙ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛЫХ ТЯГСпециальность 05.07.05Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратовДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наук, доцентКоломейцев Александр ИвановичМосква - 20152ОГЛАВЛЕНИЕСтр.1Введение4Состояние вопроса по методологии испытаний ракетных двигателей11малых тяг1.1 Основные проблемы качественного проведения испытаний111.2 Анализ применения методов планирования испытаний и31регрессионного анализа21.3 Постановка цели и задач исследования52Методика проведения исследований54системы542.2 Разработка методики проведения и анализа испытаний ракетных652.1Модернизацияпневмогидравлическойсхемы,управления и измерений экспериментального стендадвигателей малых тяг32.3 Методика обработки результатов испытаний732.4 Результаты разработки программного обеспечения дляпланирования экспериментов и статистической обработкирезультатов испытаний77Результатыиспытанийанализа813.1 Результаты испытаний двигателей на компонентах водородапероксид высококонцентрированный+керосин и газообразныйкислород+метан813.2 Формирование и анализ полученных регрессионных моделей по83исследованийразработаннойметодикирезультатам испытаний3.3Оценкатребованиямсоответствияпараметровдвигателязаданным8934Исследование применимости разработанной методики для испытаний93двигателей на КТ газообразный кислород+газообразный водород иАТ+ММГ54.1 Результаты испытаний двигателей РДМТ100, S10, S400934.2 Подтверждение применимости разработанной методики104Разработка технологии уточняющих испытаний РДМТ112Заключение117Список сокращений и условных обозначений119Список использованных источников125Приложение А.

Результаты работы программного обеспечения1344ВВЕДЕНИЕРабота посвящена решению проблемы проведения стендовых испытанийракетных двигателей малых тяг (РДМТ). Рассмотрены РДМТ, работающие нажидких и газообразных компонентах топлива (КТ), которые входят в составдвигательных установок (ДУ) космических аппаратов (КА) и могут выполнятьвсе функции исполнительных органов в системах коррекции и стабилизацииорбиты, ориентации КА. Проблема заключается в необходимости сокращениястоимости и времени наземной экспериментальной отработки (ЭО) – самогодорогого этапа жизненного цикла изделия. Для решения этого вопроса натоксичных компонентах топлива разработчики отказались от уточняющихиспытаний (УИ) (одного из этапов ЭО), т.к. суммарная стендовая наработка,статистика по испытаниям прошлых лет, масштабирование РДМТ позволяет этосделать.На сегодняшний момент появилась необходимость в разработке РДМТ наэкологически безопасных КТ.

Это обусловлено тем, что почти все новые проектыперспективных средств выведения и разгонных блоков планируются навысокоэнергетических экологически чистых и безопасных КТ, таких каккислород+водород, кислород+метан, кислород+керосин, а следовательно, иреактивные системы управления должны быть на основных бортовых КТ.РДМТ на таких КТ не имеют достаточного объема статистических данных поотработкеконструкций,поэтомудляподтвержденияработоспособностинеобходимо проведение уточняющих испытаний. А т.к. стоимость испытанийдостаточно высока, есть необходимость в сокращении времени проведения и затратна испытания за счет совершенствования технологии проведения уточняющихиспытаний.Актуальность темы настоящей работы состоит в совершенствованиитехнологии уточняющих испытаний РДМТ, работающих на экологическибезопасныхжидкихкислород+метан,игазообразныхкомпонентахкислород+водород,топлива,водородатакихкакпероксид5высококонцентрированный (ВПВ)+керосин в части повышения информативностии качества экспериментальной отработки.Совершенствование технологии испытаний основано на применения теорииматематического планирования и регрессионного анализа.

Данной темойзанимались такие ученые как Трофимов Р.С., Кесаев Х.В., Жуковский А.Е. и др. Ноих методики планирования и анализа результатов испытаний относятся, восновном, к ЖРД большой мощности и ими не проведен подробный анализпостроенных регрессионных моделей и планов экспериментов для конкретныхдвигателей.Усовершенствованнаятехнологияпозволяетоперативнооценитьработоспособность конструкции РДМТ с помощью регрессионных моделейосновных параметров двигателей, что позволяет сократить объем испытаний.Целью настоящей научной работы является совершенствование технологииуточняющих испытаний для сокращения объема экспериментальной отработкиРДМТ, работающих на жидких и газообразных КТ.Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:- провести анализ существующих методов математического планированияиспытаний, регрессионного анализа и экспериментальных исследований дляопределения рационального объема параметров и определяющих факторов, наоснове которых может быть установлена работоспособность РДМТ;- определить вид функциональных зависимостей и коэффициенты регрессиивыбранных параметров, позволяющих установить работоспособность двигателей,испытанных в лаборатории Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета) (МАИ (НИУ));- обобщить результаты исследований, с использованием собственных ирезультатов других авторов, для подтверждения возможности использованияразработанной технологии стендовых испытаний РДМТ;6- разработать технологию уточняющих испытаний для повышения качестваэкспериментальной отработки РДМТ.Методы исследования, которые будут использованы при решении указанныхзадач:- анализ и обобщение опыта проведения стендовых испытаний сиспользованием научных положений экспериментальной отработки РДМТракетно-космических систем;-математическогопланированияэкспериментов,регрессионногоистатистического анализа результатов испытаний;- формирования статистическо-математических программ для планированияэкспериментов и регрессионного анализа результатов испытаний;Решение указанных задач осуществлялось при исследованиях, проведенных вМАИ с привлечением экспериментальных данных, полученных в ГНЦ РФ – ФГУП«Исследовательский центр имени М.В.Келдыша» и EADS Astrium.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.

Предложена технология уточняющих испытаний РДМТ на жидких игазообразных КТ с использованием рационального планирования экспериментов ипостроения адекватных регрессионных моделей с оценкой работоспособностидвигателей по полученным значениям удельного импульса тяги и температурыконструкции.2. Разработан комплекс программ для построения планов экспериментов прииспытаниях РДМТ и статистической обработки результатов испытаний спостроением регрессионных моделей.3. Обоснован способ подтверждения адекватности регрессионных моделей порезультатам испытаний РДМТ с использованием F-критерия.Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы.7Усовершенствованнаятехнологияуточняющихиспытанийпозволяетуменьшить объем испытаний и формировать регрессионные модели для оценкитехнических характеристик и оперативной оценки работоспособности РДМТ, чтоповышает информативность и качество экспериментальной отработки двигателей.Результаты исследований и разработок нашли применение в МАИ и ФКП «НИЦРКП» при проведении испытаний и могут быть использованы в КБхиммаш им.А.М.

Исаева, ФГУП «НИИМАШ» и др.Основные положения диссертации, выносимые на защиту.Автор защищает следующие основные положения работы:- экспериментальную установку для проведения огневых испытаний РДМТ;- методику проведения испытаний РДМТ для различных компонентов топливаи тяг двигателей;- алгоритм и программное обеспечение для построения планов экспериментови статистической обработки результатов испытаний;- регрессионные модели основных параметров РДМТ;- анализ разработанных регрессионных моделей;- оценку соответствия выходных параметров двигателей требованиям ТЗ спомощью полученных моделей;- проверку эффективности разработанной технологии испытаний напредприятиях ракетно-космической отрасли.Степень достоверности и апробация результатов.Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:- использованием современных физико-технических методов для решенияинженерных задач по определению характеристик РДМТ;- получением и обоснованием данных по результатам испытаний РДМТ нанатурном стенде с сертифицированными средствами измерений;8-согласованиемрезультатовтеоретическихиэкспериментальныхисследований с точностью, необходимой для определения характеристик РДМТконкретной конструкции.Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертациидокладывались и обсуждались на следующих зарубежных, международных ивсероссийских конференциях:1. 2,3,4,6-ой Общероссийских молодежных науч.-техн. конф. «Молодежь.Техника. Космос.» Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2010, 2011, 2012, 2014;2. Всероссийской научно-технической конференции «Ракетно-космическиедвигательные установки».