Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 80
Текст из файла (страница 80)
,ра с „ 22' орсунли Среднее днитае Наруьтное дниите Рис. ! 5.5. Иерархическая структура Жрд 382 насчитываться несколько десятков тысяч. Наряду с физическими элемет тами двигатель как функционирующая система имеет такие составные ча ти, как законы регулирования, законы, определяющие протекание рабоча„ процессов в камере, ТНА и других подсистемах.
3. Для ЖРД характерно наличие сложной структуры. Структура является одним из фундаментальных свойств любой снеге. мы. Она представляет собой совокупность устойчивых связей и отношений между элементами, обеспечивающих целостность системы и сохранение оо новных свойств прн различных внешних и внутренних изменениях. Для ЖРД как объекта проектирования характерна сложная иерархичес. кая структура (рис. 15,5). Элементы и подсистемы ЖРД распределяются по четырем уровням иерархии (подчиненности) . На самом низком, четвертом, уровне располагаются простые элементы, представляющие собой отдельные детали (внутренняя оболочка камеры, вал ТНА и т.п.) .
На третьем уровне расположены простые подсистемы, представляющие собой сборочные единицы, как правило, не выполнякицие автономную рабочую функцию (секция сопла, форсуночный блок, насос горючего и т.п.). Второй уровень занимают подсистемы двигателя, являющиеся агрегатами или системами агрегатов, выполняющими в составе двигателя автономные рабочие функции. К иим относятся камера, ТНА, газогенератор я т.п. Наконец, сам двигатель является элементом первого уровня структуры — высшего по отношению к другим трем уровням.
Особенностью ЖРД, как н любой другой системы, является то, что он, являясь системой„включающей множество составных частей н элементов, сам входит как составная часть (нли подсистема) в систему более высокого уровня — двигательную установку. В свою очередь, двигательная устаяовка входит в состав ЛА, а ЛА — в состав комплекса ЛА. Подобная структура сложной системы позволяет рассматривать каждую его составную часть как систему, имеющую определенные связи по вер.
тикали (с подчиняющими и подчиненными элементами) и по горизонтали (с соподчиненнымн элементами) . Изучение структуры двигателя очень важно, так как позволяет раэ работать систему целей проектирования составных частей двигателя и структуру процесса проектирования. 4. К показателям качества ЖРД как технической системы относятся показатели технического совершенства и надежности. В свою очередь, ася совокупность показателей технического совершенства разделяется на ряд групп; в такие группы объединяются показатели энергетического, конструктивного и технологического совершенства двигателя. Наиболее валеным проявлением сложной взаимозависимости между показателями качества ЖРД является наличие так называемых конкурирующих показателей качества. Два показателя являются конкурирующими, если улучшение одного иэ ннх приводит к ухудшению другого.
В ЖРД, как и в других нестационарных энергоустановках, конкурирующими являются показатели энергетического н конструктивного совершенства (например, удельный импульс и относкгельная масса конструкции двигателя), конструктивного совершенства н надежности (например, масса оболочек камеры и вероятность ее безотказной работы), энергетического совершенства и надежности в тех случаях, когда улучшение показателей энергетического совер.
шенства двигателя сопровождается повышением тепловых н механических нагрузок. Наличие конкурирующих показателей качества ЖРД обусловливает необходимость оптимизации его параметров. В основе системотехнического подхода лежат следующие принципы: максимум эффективности системы; декомпозиция системы; центральное доминирование. Принцип максимума эффективности гласит„что наилучшим вариантом проектируемой системы является вариант, обладающий наибольшей эффективностью.
Под критерием эффективности системы понимается соотношение нли разность двух показателей: показателя ценности конечного результата. получаемого при эксплуатации системы. и показателя затрат на создание и эксплуатацию системы. Принцип максимума эффективности является наиболее фундаментальным, так как позволяет правильно определить цель проектирования систе- 383 мы и выбрать соответствующую целевую функцию (критерий оптималь ности системы) . Принцип декомпозиции заключается в том, что единая проектнруе. мая система разделяется на отдельные части (подсистемы), устанавлнаа.
ются возможные варианты реализации этих подсистем, связей между ними и на заданном множестве вариантов выбирается структура системы, отвечающая принципу максимума эффективности. Использование принципа декомпозиции позволяет свести задачу проек. тирования всей системы в целом к множеству задач проектирования ее поц. систем, увязанных в общесистемном плане. Принцип центрального доминирования позволяет правильно выбрать целевые функции проектируемых подсистем (локальные целевые функции), увязав их в общесистемном плане с целевой функцией системы в целом (с глобальной целевой функцией), Принцип центрального домнин. рования гласит, что целесообразным является такое состояние подсистем, которое продвигает систему в целом по пути наилучшего достижения ее конечной цели, т,е. интересы целого доминируют над интересами ее частей. Другими словамн, в качестве локальных целевых функций должны выби.
раться такие, при экстремальных значениях которых глобальная целевая функшш также принимает экстремальное значение (илн близкое к нему), соответствующее наилучшему проектному решению в целом. Важными следствиями перечисленных принципов системотехннки являются следующие: целесообразной является совместная оптимизация соподчииенных подсистем (элементов) по общему критерию; в качестве критерия оптимальности подсистем следует принимать по.
каэатель качества или комплекс показателей качества системы, в которую данные подсистемы входит как подчиненные; максимальная эффективность системы достигается путем обеспечения ее рациональной структуры, а не за счет наивысшего качества ее подсистем. Пренебрежение указанными принципами и их следствиями приводит к серьезнмм ошибкам в принятии проектных решений. Типичной ошибкой является неправильный выбор критерия оптимальности. Такая ошибка чаще всего связана со стремлением принять в качестве критерия оптималп ности проектируемой подсистемы какой-либо ее собственный показатель качества или комплекс таких показателей. Соответствующее решение, которое принято называть локальным решением, конечно позволяет получить наилучшее качество проектируемой подсистемы. однако оно не спо. собствует достижению наилучшего конечного результата, т.е.
максималь ной эффективности системы в целом. Рассмотрим два примера, иллюстрирующие сказанное. На рис. 15,6 приведены графики зависимости удельных импульсов камеРы lк и ДвигателЯ 1жуд от ДавлениЯ в камеРе сгоРаниЯ Рк п постоЯп( ном значении давления на срезе сопла ра для схемы двигателя без дожи. 384 укс, м1г г,~д,лг гбб ЕВОВ ЧОРО ггр егбб Рс срт О» Ркс.
15.6. Зависимость удельных вмвульсов ЖРД к камеры от даввевка р, габ ГВВ )ВОВ Рвс. 15.7. Зависимости удельного вм- пульса ЖРД в конечной скорости ЛА от коэффвцнекта о гббб 1ВО гання генераторного газа. Если при проектировании камеры в качестве критерия оптимальности принять ее собственный показатель энергетического совершенства 1„, который с ростом рк неограниченно возрастает, то можно сделать вывод, что ограничения на значение рк существуют лишь в связи с усложнением проблемы охлаждения и обеспечения прочности камеры, Данное решение, являющееся локальным, не улучшает качества двигателя в целом.
Совершенно другое решение получается, если рассматривать камеру как составную часть двигателя наряду с другими его составными частями, ТНА и ЖГГ, и принять в качестве критерия оптимальности удельный импульс двигателя !жрд. Соответствующая кривая!Жрд = 1'(р ) имеет четко выраженный максимум, обусловленный ростом потерь удельного импульса атил ТНА в связи с выбросом генераторного газа при увеличении давления р». Оптимальное значение давления Рк для большинства двигателей без дожигания составляет 0,9 ... 1,2 МПа. Рнс. 15.7 иллюстрирует то, к какой ошибке может привести локальное решение при определении оптимального значения коэффициента избытка окислителя а для топлива "жидкий кислород — жидкий водород".
Если в качестве критерия оптимальности принять удельный импульс двигателя 1жрд, то оптимальное значение а<,рс составляет 0,5 ... О,б. Соответствующее значение идеальной конечной скорости ч„„летательного аппарата, являющейся более объективным критерием его эффективности, не совпадает с максимальным, а меньше его примерно на 7,5 %. Оптимальное значение коэффициента а по величине конечной скорости ЛА составляет пор~09095 Несовпадение максимумов 1жрд н Рк в объясняется тем, что меньшим значениям а соответствует меньшая плотность топлива (нз.за малой плотности Нэж).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
