Введение к работе
Актуальності, работы.
Выбор объекта исследования. Система подачи двигателя летательного аппарата (ДЛА) является одной из главных его систем. От надежности функционирования и точности обеспечения заданных характеристик системы подачи зависит работоспособность ДЛА и, в конечном итоге, успешное выполнение полетного задания.
В настоящее время стационарный режим работы ДЛА является наиболее изученным, чем объясняется большое число публикованных работ. И потому задачи по эффективному сжиганию топлива, сведению к минимуму потерь при движении компонентов по магистрали и другие хорошо изученные вопросы, возникающие при стационарном режиме работы ДЛА, позволяют обеспечить работоспособность двигателя еще на ранних этапах конструкторской проработки.
Однако переходные режимы работы ДЛА, сопровождающиеся колебаниями давления и вибрациями, являются до сих пор трудно про-.. гнозируемыми. Они нередко приводят к разрушению двигателя или нарушению нормального функционирования жизненно важных узлов и устройств как двигателя, так и всего изделия в целом. Поэтому для оценки работоспособности нового двигателя требуется комплексное изучение всех, его систем и подсистем на нестационарных режимах работы, что является сложной научно-технической задачей.
Изучению динамических характеристик в системе подачи ДЛА посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований, выработано множество рекомендаций, сводящихся обычно, как и при стационарном режиме, к увеличению запаса прочности, что снижает эффективность работы двигателя.
Таким образом, выбор в качестве объекта исследования системы подач ДЛА и испытательных стендов для отработки жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является актуальным.
Выбор предмета исследования. При функционировании ДЛА проявляется большое количество значимых факторов различной природы. Они изменяются в широких диапазонах, из-за чего, например, трудно прогнозировать устойчивость процесса при испытаниях. Поэтому успеха можно достичь только при наличии достоверных математических моделей, позволяющих прогнозировать и идентифицировать динамические параметры как самого двигателя, так и испытательного стенда, тем самым ускорить процесс отработки и свести к минимуму влияние стенда на конечный результат испытаний.
До недавнего времени стендовая отработка сопровождалась большим объемом испытаний с последующей обработкой результатов для
составления аналитических моделей. И, таким образом, большинство из существующих к настоящему времени анатитических моделей, по существу, являются функциями согласования расчетных и экспериментальных данных. Но существующие аналитические модели способны лишь интерполировать результаты стендовой отработки и мало пригодны для задач экстраполяции.
Поэтому разработка имитационной модели технической системы, состоящей из разнородных структурных элементов (гидравлических, пневматических и механических и т.д.), а также разработка методики ее применения для идентификации динамических характеристик ДЛА и испытательных стендов, способной прогнозировать ситуации, не встретившиеся в программе испытаний, имеет существенное значение для создания высоконадежных, совершенных в весовом и энергетическом отношении ДЛА.
Кроме того, модель, основанная на решении обыкновенных дифференциальных уравнений, позволит проводить исследования переходных и пусковых процессов при более простых условиях однозначности, что даст возможность использовать ее уже на начальной стадии проектирования двигателя, проводя комплексную оптимизацию элементов его пневмогйдравлической системы (ПГС). Отдельные блоки математической модели можно использовать для описания других сложных пневмогидравлических систем (манипуляторов, роботов, станков с ЧПУ и т.д.).
Таким образом, актуальным является выбор в качестве предмета исследования описываемых системами обыкновенных дифференциальных уравнений математических моделей технических систем, состоящих из гидравлических, механических и пневматических струк-турных элементов.
Цель работы - разработка имитационной модели для решения задач прогнозирования на этапе проектирования и идентификации в процессе отработки на испытательных стендах динамических характеристик пневмогидравлических систем ДЛА как технических систем, состоящих из разнородных структурных элементов: гидравлических, пневматических и механических. При этом решались следующие задачи:
выявление в результате патентно-информационного поиска возможных способов идентификации параметров имитационных моделей систем топливоподачи ДЛА и испытательных стендов, а также определение областей их применения;
выбор и обоснование характерных расчетных схем, определяющих взаимодействие элементов пневмогидравлической системы как друг с другом, так и с внешней средой;
разработка математических моделей отдельных элементов ІІГС, состоящих из разнородных структурных элементов (пневматических, гидравлических, механических), с учетом возможностей распространенных компьютеров;
компьютерное моделирование динамических процессов в технических системах с гидравлическими, пневматическими и механическими структурными элементами;
идентификация параметров имитационных моделей по экспери-ментальным данным и тестовым примерам;
адаптация программ для использования в учебном процессе вуза.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются
на использовании методов математического моделирования систем с сосредоточенными параметрами обыкновенными дифференциальными уравнениями, в основу которых положены классические законы сохранения и уравнения математической физики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена тестовыми расчетами конструктивных схем устройств с гидравлическими, пневматическими и механическими структурными элементами, для которых имеются численные решения и экспериментальные данные; повторением расчетов с повышенной точностью, согласованием численных и известных асимптотических решений, сравнением с данными экспериментальных исследований.
Для проверки теоретических положений проводился анализ литературы с данными натурных экспериментов, по результатам которых осуществлялась идентификация разработанных имитационных моделей.
Математические модели, предложенные в работе, основаны на достоверных физических моделях, фундаментальных положениях механики, газо- и гидродинамики, большой совокупности результатов известных теоретических и экспериментальных исследований. Компьютерные программы отлажены на корректных контрольных примерах.
На защиту выносятся результаты исследования методом имитационного моделирования переходных процессов в гидравлических магистралях ракетных двигателей, в том числе:
разработанные математические модели отдельных элементов ПГС, состоящих из разнородных структурных элементов (пневматических, гидравлических, механических), с учетом возможностей распространенных компьютеров;
результаты компьютерного моделирования динамических процессов в технических системах с гипоа.ЕЛИческими пневматическими !'. механическими структурными элементами;
результаты идентификации параметров имитационных моделей по экспериментальным панным и тестовым примерам
Научная новизна, полученных результатов определяется впервые проведенными численными исследованиями переходных процессов в
PQiCWMHr4r4nraiJUi-TV ra'j/^OQrtrvnHPUVl-i'v и wwnb*ArTur*oonr»nLjf»uiTT.TV rnrrnan-
лических магистралях ракетных двигателей, в ходе которых разработаны математические модепи; проведены компьютерное моделирование и идентификация параметров имитационных моделей системы то-пливоподачи ракетксго двигателя, на примере стенда для испытаний камеры сгорания, как технических систем с механическими, гидравлическими и пневматическими структурными элементами
В работе приведено научное обоснование имитационных моделей переходных процессов в гидравлических магистралях ракетных двигателей, обеспечивающих решение актуальной задачи создания технических устройств, состоящих из разнородных (механических, гидравлических и пневматических) структурных элементов.
Практическая ценность. Созданные имитационные модели позволяют решать задачи прогнозирования на этапе проектирования и идентификации динамических характеристик в процессе отработки разрабатываемых систем топливоподачи.
Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР ГР 01950002046 «Моделирование механических систем с упругими и вязкими связями в условиях микрогравитации» (1994 - 1995 гг.) и 3/Н 92 «Разработка базовых имитационных моделей технических систем» (с 1996 по настоящее время), проводимых в ИжГТУ.
Результаты работы использованы в лекциях и лабораторном практикуме учебного курса «Теория и конструкция аппаратов» (раздел «Гидравлика летательных аппаратов»). Прикладные программы для имитационного моделирования систем топливоподачи используются в курсовом и дипломном проектировании.
Результаты работы могут быть использованы в практике работы предприятий, занимающихся разработкой и отработкой пневмогид-равлических систем с активными элементами.
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на III, IV и V научных конференциях ученых России Белоруссии и Украины «Прикладные проблемы механики жидкости и газа» (г. Севастополь) 1994 - 96 гг.; международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск), 1995 г.; молодежных научно-технических конферен-
циях «Гагаринские чтения» (г. Москва) 1994 - 95 гг.; научно-технических конференциях ИжГТУ (г. Ижевск) 1994 - 96 гг. [8].
Публикации. Результаты работы отражены в 16 научных публикациях: 3 статьях, 4 научно-технических отчетах по госбюджетным НИР, 8 тезисах докладов на научных конференциях и методических указаниях к лабораторной работе по разделу «Гидравлика летательных аппаратов» курса «Теория и конструкция аппаратов (ТиКА)».
Структура н объем работы.
Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 140 страницах машинописного текста. В работу включены 49 рис., 13 табл., список литературы из 136 наименований и 4 страницы приложений (макеты плакатов).
