Введение к работе
Актуальность темы исследования. Эффективность ракетно-космической техники во многом определяется точностью и надёжностью входящих в её состав систем. Одной из таких систем является система автоматического регулирования (САР) наддува топливных баков ракеты-носителя (РН). Часто причиной отказов систем наддува является самовозбуждение колебаний давления газа и вибрация подвижных элементов регуляторов (автоколебания), приводящие к изнашиванию сопрягаемых поверхностей, потере герметичности в уплотняющих парах, усталостным поломкам чувствительных элементов – сильфонов и мембран. При наличии колебаний рабочих сред происходит отклонение параметров САР, существенно снижающее точность регулирования. При высокой энергии стационарного потока пульсации и вибрация быстро нарастают и могут приводить к разрушению агрегата и системы в целом. Поэтому задача обеспечения устойчивости системы наддува топливных баков имеет важное значение, особенно для РН нового поколения.
Задачи по исследованию устойчивости САР давления газа и устранению колебательных процессов в регуляторах рассмотрены во многих работах отечественных и зарубежных ученых. Однако разработанные математические модели и полученные результаты исследований не могут быть применены непосредственно для оценки динамических свойств САР давления газа в топливных баках РН с высокорасходным регулятором давления непрямого действия. Обеспечение заданных запасов устойчивости при высокой точности регулирования давления в широком диапазоне расхода газа, что является характерным для пневмогидравлических систем РН, требует проведения специальных теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик САР с учётом особенностей конструкции регулятора.
В связи с этим работа, посвященная решению проблемы обеспечения устойчивости САР давления газа в топливных баках РН, является актуальной.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время накоплен значительный опыт в разработке агрегатов и систем ракетно-космической техники, а также в создании методик обеспечения устойчивой работы запорно-регулирующей арматуры (Арзуманов Э. С., Арзу-манов Ю. Л., Бугаенко В.Ф., Гимадиев А. Г., Гликман Б.Ф., Голубев М. Д., Дейкун В. К., Кондратьева Т.В., Макарьянц Г.М., Свербилов В. Я, Халатов Е. М., Шахматов Е.В., Шорин В.П., Эдельман А. И., Botros K.K., Friedel L., Edge K.A., Green W. L., Johnston D. N., Hos C.J., Hayashi S., Izuchi H., Darby Ron, Earney H. W., Gibert R.J., Singh, A., Weaver D.S. и др.)
Анализ отечественных и зарубежных исследований показал, что, несмотря на основательную изученность динамики регуляторов жидкости и газа, процессов взаимодействия присоединённой системы и потока рабочей среды с подвижными элементами регулятора, разработанные к настоящему времени методики не позволяют в полной мере решить задачи по обеспечению устойчивости пневмогидравлических систем (ПГС) с регуляторами давления жидкости и газа. В частности, это касается САР с высокорасходными регуляторами давления газа, функционирующими при сверхкритических перепадах давления в системах наддува топливных баков РН. Для обеспечения требуемой высокой точности регулирования в широком диапазоне изменения расхода такие системы имеют канал коррекции статической характеристики с пилотным клапаном. Эта особенность САР требует тщательного согласования характеристик канала коррекции с газодинамической характеристикой основного клапана и оценки их совокупного влияния на статические и динамические характеристики системы.
Цель исследования состоит в разработке методики выбора параметров регулятора непрямого действия для системы автоматического регулирования давления газа в топливных баках РН из условий обеспечения заданных запасов устойчивости и точности регулирования.
Задачи исследования.
1 Разработка математической модели динамических процессов в САР давления газа в топливных баках РН с регулятором непрямого действия, учитывающей совокупное влияние канала коррекции статической характеристики регулятора и газодинамической силы потока на статические и динамические характеристики САР.
-
Оценка влияния канала коррекции статической характеристики САР с пилотным клапаном на точность и устойчивость САР давления газа в топливных баках РН.
-
Определение параметров регулятора давления газа непрямого действия с учётом влияния канала коррекции статической характеристики САР с пилотным клапаном и газодинамической силы потока, обеспечивающих необходимый запас устойчивости при требуемой точности регулирования давления газа в топливных баках РН.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель динамических процессов в системе автоматического регулирования давления газа в топливных баках ракеты-носителя с высокорасходным регулятором непрямого действия, впервые учитывающая совокупное влияние канала коррекции статической характеристики САР и газодинамической силы потока, действующей на тарель исполнительного элемента регулятора, на статические и динамические характеристики системы.
-
Показано, что устойчивость высокорасходного регулятора давления газа существенно зависит от совокупного влияния канала коррекции статической характеристики САР и газодинамической силы потока, и .определено влияние параметров регулятора на положение границ области устойчивости системы.
-
На основе разработанной математической модели САР давления газа в топливных баках РН с высокорасходным регулятором непрямого действия создана методика расчёта её параметров, при которых обеспечиваются необходимые запасы устойчивости при заданной точности регулирования.
Теоретическая значимость. Разработанная математическая модель САР давления газа в топливных баках РН позволяет определить параметры газового демпфера из условия обеспечения необходимых запасов устойчивости (не менее 25 %) при сохранении точности за счёт совокупного учёта взаимодействия потока газа с тарелью клапана и характеристик корректирующего канала обратной связи.
Практическая значимость. Предложенная методика расчета параметров регулятора давления газа непрямого действия позволяет разрабатывать конструктивные мероприятия, обеспечивающие необходимые запасы устойчивости САР давления газа в топливных баках ракеты-носителя.
Созданные оборудование, измерительно-обрабатывающий комплекс приборов и методика экспериментальных исследований САР давления газа со штатным регулятором позволили верифицировать математическую модель системы.
Полученные результаты внедрены при создании средств повышения устойчивости и устранения автоколебаний дренажно-предохранительного клапана системы наддува топливных баков ракеты-носителя "Союз 2–1в".
Методы исследований. Работа выполнена с использованием методов математического моделирования и экспериментальных исследований на разработанном автором стенде. Расчёт динамических и статических характеристик САР давления газа в топливных баках РН проводился путем решения нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений с применением численного интегрирования на базе использования программного продукта MatLab/Simulink. Исследование устойчивости САР проводилось на базе линеаризованных моделей с применением критериев Рауса-Гурвица, Льенара-Шипара и Найквиста.
Объектом исследования являются динамические процессы в системах автоматического регулирования давления газа в топливных баках ракеты-носителя.
Предметом исследования являются методы обеспечения устойчивости систем автоматического регулирования давления газа в топливных баках ракеты-носителя.
Основные положения, выносимые на защиту.
1 Математическая модель динамических процессов в системе автоматического регулирования давления газа в топливных баках РН с высокорасходным регулятором непрямого действия, впервые учитывающая совокупное влияние канала коррекции статической характеристики САР и газодинамической силы потока, действующей на тарель исполнительного элемента регулятора, на динамические свойства системы.
2 Методика расчета параметров регулятора на основе разработанной модели системы автоматического регулирования давления газа в топливных баках РН, при которых обеспечиваются необходимые точность регулирования и запас устойчивости системы.
Достоверность результатов теоретических исследований характеристик САР давления газа в топливных баках РН подтверждена проведёнными экспериментами. Максимальное расхождение результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований не превышает 14%. Согласно оценке неопределённости результатов измерений параметров статических и динамических процессов в САР на стендах в соответствии с ГОСТ Р 50.2.038-2004 показано, что погрешность измерений параметров не превышает 5 %. Экспериментальные исследования проведены с использованием современных методик сбора и обработки исходной информации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «ХI Королёвские чтения» в 2011 г.; на Международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО "Кузнецов" и 70-летию СГАУ в 2012 г.; на Международной молодежной научной конференции «ХII Королёвские чтения» в 2013 г.; на 17 Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева ("Решетневские чтения – 2013") в 2013 г.; на международном симпозиуме "Fluid Power and Motion Control" в г. Сарасота штата Флорида (США) в 2013 г.; на второй международной научно-технической конференции "Динамика и виброакустика машин" в 2014 г.; на восьмом международном Ph. D симпозиуме "Fluid Power" в Лапеенрантском технологическом университете (Финляндия) в 2014 г.; на 22 международном конгрессе в институте вибрации и шума во Флоренции (Италия) в 2015 г. (ICSV22).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 20 статей (из которых 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России; 3 статьи – в изданиях, индексируемых в базе данных "Scopus"), 10 тезисов докладов.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 146 наименований, 7 приложений. Общий объем диссертации 195 страниц, 117 рисунков и 5 таблиц.