Содержание к диссертации
Введение
Гл 1. Анализ и расчет рабочего процесса в ракетном двигателе ТМОД
1.1 Разновидности баллистических двигателей 14
1.2 Характеристика рабочего процесса в ракетно-ствольном баллистическом двигателе
1.3 Характеристика рабочего процесса в ракетном двигателе 19
1А Краткий анализ развития внутренней баллистики 21
1.5 Математическое описание процесса в камере ТМОД 22
1.6 Исследование внутрибаллистических параметров 27
Выводы по главе 1 . 29
Гл.2 Анализ и расчет теплового процесса в двигателе ТМОД
2.1 Анализ литературных данных по тепловым процессам в двигателях
2.2 Математическая модель нагрева и упруго- пластического деформирования элементов системы
2.3 Исследование тепловых процессов, протекающих в камере сгорания
Выводы по главе 2 41
Гл.З Математическая модель динамики функционирования системы «пусковая установка - ТМОД».
3.1 Анализ литературных данных по динамике функционирования системы.
3.2 Анализ функционирования системы «пусковая установка -ТМОД»
3.3 Система уравнений движения ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках
3.4 Математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины
3.5 Система уравнений силового и теплового взаимодействия газовой струи с преградой
3.6 Определение динамических характеристик ПМ ТМОД 60
Выводы по главе 3 62
Гл.4 Системное проектирование ТМОД 64
4.1 Общие положения теории технических систем 64
4.2 Формулировка задачи проектирования 65
4.3 Формирование критериев 67
4.4 Методология системного подхода определения параметров
4.5 Синтез параметров системы 80
4.5.1 Ограничения при синтезе параметров 82
4.5.2 Процедура синтеза основных конструкционных и эксплуатационных характеристик
Выводы по главе 4 97
Заключение 99
Библиографический список 103
- Характеристика рабочего процесса в ракетном двигателе
- Математическая модель нагрева и упруго- пластического деформирования элементов системы
- Анализ функционирования системы «пусковая установка -ТМОД»
- Формулировка задачи проектирования
Введение к работе
Тепловые машины однократного действия (ТМОД), рассматриваемые в работе представляют собой разновидность многозарядных ракетных образцов вооружения. Анализируя развитие ТМОД за последние десятилетия, можно сделать вывод: внимание специалистов к этому классу систем, как в нашей стране (СРВ) так и за рубежом, возрастает. Если до середины 60-х годов разработки этих систем велись в основном в СССР, США, ФРГ, Китае, то в последние десятилетия число государств, разрабатывающих и эксплуатирующих ТМОД превысило 70 [7-9].
В 50 - 60-е годы задачи огневой поддержки в армиях ведущих стран НАТО возлагались, в основном, на ствольную артиллерию. При этом предполагалось, что ядерные боеприпасы артиллерийских систем калибров 203,2 и 155 мм. являются достаточным средством для поражения живой силы и защищенных целей, расположенных на значительных площадях. Исходя из этого тепловые машины однократного действия состоящие на вооружении армий США и некоторых европейских стран НАТО могли выполнять ограниченное число боевых задач и дальнейшего развития не получали .
Повышению интереса к тепловым машинам однократного действия способствовала в известной степени возросшая необходимость борьбы с бронированными целями, а также заинтересованность ряда стран (ФРГ, Италии, Испании, Израиля, Индии, Китая и др.) в приобретении и разработки эффективных систем, способных в какой-то мере восполнить отсутствие в их армиях тактического ядерного оружия.
Тепловые машины однократного действия способны решать большой круг огневых задач. Обладая высокой плотностью огня, внезапностью и мобильностью, имея в большинстве случаев досягаемость значительно выше, чем ствольная артиллерия среднего калибра, многоствольные установки с ТМОД могут применяться для поражения различных групповых и малоразмерных целей в тактической зоне, успешно вести борьбу с живой силой и огневыми средствами противника в различных условиях. При этом большинство огневых задач решается с меньшими затратами сил и средств, а эффективность воздействия по групповым целям приближается к тактическому ядерному оружию малой мощности.
Боевые машины с ТМОД работают залпом, группами и одиночными выстрелами, а также предназначены для транспортирования ТМОД в направляющих.
Для обеспечения подготовки ТМОД к полету и управления ими применяются разнообразные бортовые, наземные и другие устройства и оборудование. Особенности функционирования ТМОД обеспечивают малую продолжительность работы боевой машины. Их боевая эффективность в огромной степени зависит от боевых характеристик образца ТМОД.
Задачами ТМОД могут быть: уничтожение, разрушение, подавление и изнурение противника.
Уничтожение цели заключается в нанесении ей таких потерь (повреждений), после которых она полностью теряет свою боеспособность.
Разрушение цели заключается в приведении ее в непригодное для дальнейшего использования состояние.
Подавление цели заключается в нанесении ей потерь (повреждений) и в создании таких условий, при которых она временно лишается боеспособности, ограничивается ее маневр или нарушается управление.
Изнурение заключается в морально-психологическом воздействии на живую силу противника ведением беспокоящего огня ограниченным количеством орудий и боеприпасов в течение установленного времени.
При дистанционном минировании задачей стрельбы может быть постановка прикрывающих и сковывающих минных полей.
При световом обеспечении боевых действий общевойсковых подразделений и стрельбы артиллерии ночью задачами стрельбы могут быть освещение местности, ослепление наблюдательных пунктов (электронно 9 оптических средств) и огневых средств противника, постановка световых ориентиров (створов).
При задымлении противника задачами стрельбы могут быть постановка дымовых завес, задымление (ослепление) огневых средств противника, его командных и наблюдательных пунктов.
При стрельбе агитационными снарядами задачей стрельбы является доставка агитационного материала в расположение противника.
Для повышения эффективности и сокращения времени работы целесообразно привлекать максимально возможное в данных условиях количество ТМОД.
Сложившаяся в СРВ система ТМОД является экономически оправданной, поскольку позволяет решать типовые задачи в ближней зоне 122-мм тепловыми машинами (ТМ) в 1,5-3 раза дешевле, чем при использовании дальнобойных систем.
В связи с этим, определение оптимальных параметров и повышение эффективности функционирования тепловых машин однократного действия является актуальной научной задачей.
Цель работы состоит в построении комплекса математических моделей функционирования ТМОД в составе технического объекта и разработке инструмента теоретической оценки технических решений, позволяющего определить параметры тепловой машины, обеспечивающие повышение эффективности ее работы.
Цель была реализована в результате решения следующих задач:
- построение математической модели внутри баллистического процесса в двигателе;
- построение математической модели термонапряженного состояния стенки двигателя;
- построение математической модели динамики функционирования технического объекта;
- разработка алгоритма синтеза параметров, позволяющего обоснованно находить рациональные параметры тепловой машины;
- разработка методологии системного подхода определения параметров тепловой машины;
- создание пакета прикладных программ на ЭВМ и исследование влияния ряда конструктивных параметров ТМОД на эффективность функционирования системы.
Объект исследования: тепловая машина однократного действия к системе «Град», разработанная в СССР и стоящая на вооружении СРВ.
Метод исследования: - комплексный, включающий анализ и синтез параметров, математическое моделирование, вычислительный и производственный эксперимент, методы теории вероятностей и математической статистики с использованием ПЭВМ.
Научная новизна работы:
1 .Рассмотрение тепловой машины как единой энергетической системы. Это дает возможность применять комплекс математических моделей для описания различных режимов работы системы.
2. Разработка комплекса математических моделей, позволяющего установить связи параметров тепловой машины с ее выходными характеристиками.
3. Обоснованное определение требований к выходным характеристикам машины как подсистемы технического объекта. Разработка алгоритма синтеза параметров для рационального определения конструктивных параметров ТМОД, обеспечивающих выполнение этих требований.
Практическая ценность работы состоит:
- в разработке математического описания и программного обеспечения для расчета процессов, протекающих в тепловой машине; все это дает возможность проводить исследование функционирования системы на стадии проектирования;
- в оценке влияния конструктивных параметров тепловой машины на эффективность функционирования системы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:
- VII Всероссийской научно - технической конференции по проблемам специального машиностроения (Тула, ТулГУ, 2004 гг.).
- XVII научно - технической конференции «Пути совершенствования ракетно - артиллерийской техники» (Тула, ТАИИ, 2005 гг.).
- Юбилейной научно - технической конференции, посвященной 65-летию ФГУП «ГНПП «СПЛАВ» (Тула, ФГУП «ГНПП «СПЛАВ», 2005 г.). Публикации. По тематике диссертации опубликовано 5 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 35 русских и 3 иностранных источников.
Характеристика рабочего процесса в ракетном двигателе
Ракетный двигатель состоит из камеры (КС) и сопла (С), процессы в которых взаимосвязаны, но имеют свои характерные особенности. (Рис. 1) В камере расположено твердое топливо (ТТ), и энергия аккумулированная в нем, главным образом переходит во внутреннюю энергию газа и только частично в кинетическую. В сопле внутренняя энергия газа в основном переходит в кинетическую, расходуется на нагрев стенки и трение.
Рабочий процесс в ракетном двигателе начинается с момента подачи электрического импульса на зажигательное устройство (пиропатрон), срабатывание которого вызывает зажжение воспламенительного состава (ВС).
Продукты сгорания ВС заполняют свободный объем камеры. Одновременно идут теплообменные процессы между горячими продуктами сгорания ВС, шашками топлива , элементами конструкции двигателя.
При достижении определенных условий начинает гореть топливо. Воспламенитель продолжает гореть некоторое время совместно с топливом, обеспечивая устойчивое его горение. Вскрывается мембрана (М), начинается истечение газа из двигателя.
После сгорания ВС в камере идут процессы: горение топлива, отдача теплоты от продуктов сгорания топлива элементам конструкции двигателя, течение продуктов сгорания в каналах шашек, зазорах между шашками и камерой и далее - в сопло. Работа двигателя прекращается, когда оставшиеся к моменту окончания горения топлива продукты сгорания покинут пределы двигателя. КС ВС ТТ СМ
Схема ракетного двигателя Процесс в двигателе характеризуется изменением ряда параметров, среди которых наиболее важными являются: давление, температура, скорость газа. Изменения осредненных по объему камеры давления и температуры во времени представлены на рис. 1.8. Кривые распределения давления, скорости газа по координате представлены на рис 1.9.
. Графики распределения давления и скорости газа по оси РД Максимальное давление в камере РД р = 10...15 МПа; скорость газа при входе в сопло v = 100...400м /; скорость газа в критическом сечении сопла v = 1000 м /с; скорость газа в выходном сечении сопла v = 2500 м /с.
Первая попытка решить задачу о движении аппарата в трубе принадлежит Даниилу Бернулли (1738 г.).
Основные теоретические и экспериментальные исследования, заложившие правильные представления о явлении выстрела и установившие его закономерности были проведены, начиная со второй половины XIX века. В это время были созданы такие приборы, как хронограф Ле-Буланже для измерения скорости аппарата и крешер Нобля для измерения давлений газа.
Создателем русской научной школы конструкторов и ученых -баллистиков по праву считаются проф. Н.Ф. Дроздов, проф. И.П. Граве, и В.М. Трофимов. [2-6]. К следующей плеяде ученых - баллистиков относятся профессора Д.А. Венцель, Б.Н. Окунев, В.Е. Слухоцкий, М.Е. Серебряков, Г.В.Опоков, М.А. Мамонтов. М.С. Горохов и другие.
Единый подход к описанию термодинамического процесса в БДТТ различных разновидностей обеспечивается принятие уравнений термодинамики тела переменной массы, фундамент которой был заложен проф. М.А. Мамонтовым, в качестве основных уравнений рабочего процесса. [6].
Математическая модель нагрева и упруго- пластического деформирования элементов системы
В математической модели принимаются следующие допущения: - задача решается в цилиндрической системе координат;
- стенка двигателя при работе воспринимает тепловое и механическое воздействие от нагретого газа и атмосферы;
- теплофизические характеристики материалов слоев стенки изменяются с изменением температуры;
- передача тепла осуществляется в радиальном направлении;
- тепловое воздействие газа на внутренней и наружной поверхностях стенки происходит по законам конвективного теплообмена;
- материалы слоев стенки находятся в плоском деформированном состоянии.
Исследование тепловых процессов с использованием системы уравнений (2.1) - (2.7) выполнялись на ПЭВМ с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений этой системы по алгоритму (2.8)-(2.20)
На рис. 2.1 представлено сравнение расчетных данных по температуре, проведенных с использованием системы уравнений (1.1) - (1.27) и экспериментальных данных, заимствованных из литературного источника [9]. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 7-9 %
На рис. (2.2-2.5) представлены результаты расчета значений коэффициентов теплообмена ar(l) и a,.{t) между высоко температурым газовым потоком и внутренней поверхностью камеры сгорания в функции длины камеры сгорания и функции времени для тепловой машины СРВ. Анализ результатов расчета показывает, что теплообмен между высоко температурым газовым потоком и внутренней поверхностью камеры
На рис. 2.6 представлено изменение температуры на внутренней поверхности стенки в сечении 3 камеры сгорания при отсутствии теплоизоляции. Температура к первой секунде работы двигателя уже достигает значения: ( 1400 - 273 = 1127 С) 1127С, что является недопустимым значением при работе двигателя без теплоизоляции.1. Проведен анализ литературных данных по определению тепло напряженного состояния камеры сгорания и элементов ТМОД. Показано, что успешная разработка нового двигателя к системе ТМОД повышенной эффективности зависит от успешного решения проблемы тепловых процессов, протекающих в двигателе. 2. Разработана математическая модель нагрева и упруго- пластического деформирования камеры сгорания двигателя, составлен алгоритм и разработана программа для расчета параметров теплового процесса в камере сгорания двигателя и упруго-пластического деформирования элементов ТМОД. } г 3. Проведено сравнение результатов расчета по разработанной математической модели с экспериментальными данными. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 7-8 %. 4. Проведено исследование тепловых процессов, протекающих в камере сгорания ТМОД. Анализ результатов расчета показывает, что теплообмен между высокотемпературым газовым потоком и внутренней вт м2град поверхностью камеры сгорания растет от значений а =(500 - 1000) до (4000 - 5000) — в пред сопловой части и до (8000 - 10000) м град вт „ — в критической части сопла. Температура на внутренней поверхности м град стенки в камере сгорания при отсутствии теплоизоляции к первой секунде работы двигателя достигает значения: ( 1400 - 273 = 1127 С) 1127С, что является недопустимым значением при работе двигателя без теплоизоляции.
Анализ функционирования системы «пусковая установка -ТМОД»
В большинстве случаях пуск ТМОД происходит из трубчатых направляющих. Направляющие цилиндры собраны в пакеты или полу пакеты, насчитывающие 6-50 цилиндров, с помощью диафрагм.
В исследуемых ТМОД направляющие открытого типа представляют собой тонкостенную трубу с наличием винтового паза или без него. В казенной части трубы размещен замково-стопорный механизм.
Пусковая установка ТМОД включает в себя:
- пакет направляющих, который вместе с люлькой составляет качающуюся часть;
- поворотную раму, которая с укрепленными на ней деталями и агрегатами составляет вращающуюся часть;
- приводы наведения качающейся и вращающейся частей; - основание, установленное на носителе;
- отражатель газовой струи.
Перед пуском ТМОД находятся в направляющих трубах, где закрепляются с помощью стопоров. Пуск осуществляется в заданной последовательности с помощью прибора управления с заданным промежутком времени между сходами отдельных ТМОД.
ТМОД состоит из головной и ракетной частей. Ракетная часть состоит из твердотопливного ракетного двигателя и стабилизатора. Вращение ТМОД осуществляется штифтом, размещенным на центрующем утолщении, или косо расположенными соплами. Схема системы «Пусковая установка -ТМОД» представлена на рис. З.1., модель расчета колебания установки представлена рис 3.2.
Рис.3.1. Схема системы «Пусковая установка - ТМОД»: 1- цилиндр (ствол), 2-ствольный заряд. 3-сопловой блок , 4-камера сгорания ,5- хвостовая шашка, 6- воспламенитель, 7- передняя шашка, 8- полезная нагрузка, 9- схема качающейся части ПУ. 10- схема вращающейся части ПУ В общем случае система «Пусковая установка - ТМОД» может иметь ствольный заряд, казенная часть трубы может быть закрыта. Для рассматриваемой системы ствольный заряд отсутствует и казенная часть трубы открыта
Вследствие действия газовой струи на пакет, изменения положения центра масс пакета при сходе очередного ТМОД, действия ведущего штифта на стенку паза, возникают колебания установки. При прохождении задним центрирующим утолщением переднего среза направляющего цилиндра колебания пакета направляющих приводят к поперечному движению заднего среза ТМОД, и к появлению начальных возмущений ТМОД, дающих значительную долю в общем рассеивании ТМОД у цели. Дополнительное отклонение направляющего цилиндра от направления полета происходит вследствие наличия асимметрии реактивной силы, разброса массы ТМОД, разброса геометрии пакета направляющих и разброса значения силы тяги.
Формулировка задачи проектирования
Содержание процесса перехода от целей к критериям и многие особенности этого перехода становятся ясными, если рассматривать критерии как количественные модели качественных целей. В самом деле, сформированные критерии в дальнейшем в некотором смысле заменяют цели. От критериев требуется как можно большее сходство с целями, чтобы оптимизация по критериям соответствовала максимальному приближению к цели. С другой стороны, критерии не могут полностью совпадать с целями уже хотя бы потому, что они фиксируются в различных шкалах, цели - в номинальных, критерии - в более сильных, допускающих упорядочение. Критерий - это подобие цели, ее аппроксимация, модель. Конкретнее, критерий является отображением ценностей (воплощенных в целях) на параметры альтернатив (допускающие упорядочение). Определение значения критерия для данной альтернативы является, по существу, косвенным измерением степени ее пригодности как средства достижения цели.
Практическое построение критериев привело к необходимости обобщения такого опыта, т.е. к созданию "теории ценностей", главной задачей которой была бы алгоритмизация перехода от ценности к критерию. Трудно предположить, что можно построить "общую теорию ценностей", но частные такие теории существуют и развиваются. Наиболее известны теория экономической ценности (стоимости), теория полезности или психологическая теория ценности, казуистическая теория ценности (оценивающая ценности по прошлым прецедентам). Однако даже в рамках частных теорий имеются значительные трудности, неясности и сложности. В целом в настоящее время картина такова, что построение критериев является более искусством, чем наукой. Правда, выражения подобного рода как бы подразумевают, будто в науке не может или даже не должно быть искусства. На деле же неформализуемые, творческие, эвристические этапы часто являются самыми важными в процессе научного исследования.
Подчеркнув, что многокритериальность является способом повышения адекватности описания цели, обратим теперь внимание на то, что дело не только и не столько в количестве критериев, сколько в том, чтобы они достаточно полно "покрывали" цель. Это означает, что критерии должны описывать по возможности все важные аспекты цели, но при этом желательно минимизировать число необходимых критериев[19].
Последнее требование удовлетворяется, если критерии являются независимыми, не связанными друг с другом (например, желательно не использовать в различных составных критериях одинаковые измеряемые величины или величины, выводимые друг из друга, и т.д.).
Между целевыми критериями и ограничениями имеется сходство и различие. На последующих этапах, например при решении некоторых типов оптимизационных задач, они могут выступать равноправно (как в уравнениях Эйлера или в терминах теории расплывчатых множеств). Однако на этапах формирования критериев и генерирования альтернатив они различаются существенно. Целевой критерий как бы открывает возможности для выдвижения все новых и новых альтернатив в поисках лучшей из них, а ограничение заведомо уменьшает их число, запрещая некоторые из альтернатив. Одними целевыми критериями можно жертвовать ради других, а ограничение исключить нельзя, оно должно жестко соблюдаться. В этом смысле ограничения упрощают, а не усложняют работу системного аналитика.
В практике системного анализа встречаются случаи, когда наложенные ограничения столь сильны, что делают нереальным достижение цели. Тогда системный аналитик должен ставить перед лицом, принимающим решение, вопрос о том, нельзя ли данные ограничения ослабить или снять совсем.
Итак, при формировании критериев ищется компромисс между пол нотой (точностью) описания целей и количеством критериев. Кроме общих рекомендаций типа изложенных выше можно использовать и практический опыт исследования конкретных систем. Так, Э. Квейд перечисляет критерии, наиболее часто встречающиеся в анализе сложных технических систем: финансовые (прибыль, стоимость и пр.), объемные (измеряющие количество продукта), технические качества (эффективность функционирования, надежность и т.д.), живучесть (совместимость с уже существующими системами, приспособляемость или гибкость, стойкость против морального старения, безопасность) и ряд других.
