Введение к работе
Объектом исследования являются импульсные ракетные двигатели, работающие на сжатом воздухе или газе (без химических реакций), в составе которых есть механические, газодинамические и электромагнитные структурные элементы.
Предметом исследования являются описанные в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений математические модели газовых ракетных двигателей с электромагнитным управлением, прогнозирование динамических характеристик газовых ракетных двигателей на этапе проектирования и идентификация в процессе отработки.
Актуальность темы. Импульсные газовые ракетные двигатели широко используются в качестве маневровых, управляющих, корректирующих, вспомогательных на летательных и космических аппаратах различного назначения. Их высокая надежность, весовое и энергетическое совершенство могут быть реализованы только в результате тщательной стендовой отработки, в ходе которой оптимизируются параметры и характеристики структурных элементов в зависимости от предъявляемых требований.
Отработка таких двигателей является сложной технической задачей, требует комплексного подхода для оценки динамических характеристик как внешнего, так и внутреннего силового взаимодействия управляющих и исполнительных элементов устройств.
Существенным является большое количество значимых факторов различной природы, проявляющих себя при функционировании таких зистем. поэтому успеха можно достичь только при наличии достоверных математических моделей, позволяющих прогнозировать и идентифицировать динамические параметры и силовые характеристики газо-зых ракетных двигателей при наименьших затратах на отработку.
Особенно сложной задачей является определение функциональных характеристик газовых ракетных двигателей, работающих в импульсном режиме, поскольку в этом случае необходима оптимизация перепаточных функций испытательных стендов в зависимости от параметров и режимов функционирования отрабатываемого двигателя.
Наличие в испытательном стенде упругих и демпфирующих элементов вносит искажения в замеряемые датчиками силовые параметры закетного двигателя, особенно это касается переднего и заднего Dpohtob импульсного сигнала.
Использование математических моделей газового ракетного двигателя, силоизмерительного стенда и их совокупности позволяет выделить из выходной информации силовую характеристику двигателя.
Поэтому разработка математических моделей технических систем, состоящих из разнородных (механических, газодинамических и электромагнитных) структурных элементов, и методика их применения для идентификации динамических характеристик импульсных газовых ракетных двигателей является актуальной задачей, имеющей существенное значение для создания высоконадежных, совершенных в весовом и энергетическом отношении маневровых, управляющих, корректирующих и т.п. ракетных двигателей летательных и космических аппаратов.
Цель работы - решение задач прогнозирования на этапе проектирования и идентификации в процессе отработки динамических характеристик импульсных газовых ракетных двигателей с электромагнитным управлением методом имитационного компьютерного моделирования технических систем, состоящих из разнородных структурных элементов - механических, газодинамических, электромагнитных, что в совокупности представляет силоизмерительный стенд с установленным на нем отрабатываемым двигателем.
Решались следующие задачи:
выбор и обоснование путем теоретических и экспериментальных исследований расчетных схем, определяющих взаимодействие элементов газового ракетного двигателя как друг с другом, так и с сило-измерительным стендом;
разработка имитационных математических моделей газового ракетного двигателя и силоизмерительных стендов;
идентификация параметров имитационных моделей газомеханических устройств с электромагнитным управлением по результатам экспериментальной отработки импульсных газовых . ракетных двигателей на силоизмерительных стендах;
разработка методики идентификации динамических характеристик импульсных газовых ракетных двигателей и силоизмерительных стендов для их отработки.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании методов математического моделирования систем с сосредоточенными параметрами системами обыкновенных дифференциальных уравнений, в основу которых положены классические законы сохранения и уравнения математической физики.
Для проверки теоретических положений были спроектированы и изготовлены экспериментальные стенды. Использовалась математическая теория эксперимента, обработка полученных результатов проводилась с привлечением аппарата математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена тестовыми расчетами конструктивных схем механических, газодинамических и электромагнитных устройств, для которых тлеются численные решения и экспериментальные данные, повторением расчетов с более точной реализацией граничных условий, согласованием численных и известных асимптотических решений, сравнением с данными экспериментальных исследований.
Математические модели, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях механики и газовой динамики, известных теоретических исследованиях и экспериментальных результатах. Компьютерные программы отлажены на корректных тестовых примерах.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты исследования методом имитационного моделирования импульсных газовых ракетных двигателей с электромагнитным управлением, в том числе:
теоретические и экспериментальные исследования расчетных схем, определяющих взаимодействие элементов газового ракетного двигателя друг с другом и с испытательным стендом;
методика построения математических моделей и компьютерного моделирования технических систем с механическими, газодинамическими и электромагнитными структурными элементами;
методика идентификации динамических характеристик импульсных газовых ракетных двигателей и силойзмерительных стендов.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными численными исследованиями импульсных газовых ракетных двигателей с электромагнитным управлением, в ходе которых:
разработаны математические модели, проведено компьютерное моделирование и идентификация параметров имитационных моделей газового ракетного двигателя и силоизмерительных стендов для их отработки как технических систем с механическими, газодинамическими и электромагнитными структурными элементами;
разработана методика идентификации динамических характеристик импульсных газовых ракетных двигателей и силоизмерительных стендов для их отработки.
В работе приведено научное обоснование имитационных моделей газовых ракетных двигателей с электромагнитным управлением и силоизмерительных стендов для их отработки, обеспечивающих решение актуальной задачи создания технических устройств, состоящих из разнородных (механических, газодинамических и электромагнитных) структурных элементов.
Практическая ценность. Созданные имитационные модели позволяют решать задачи прогнозирования на этапе проектирования и идентификации в процессе отработки динамических характеристик импульсных газовых ракетных двигателей с электромагнитным управлением и силоизмерительных стендов для их отработки.
Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР ГР 01910038388 "Создание методик определения силовых характеристик двигателей летательных аппаратов по результатам стендовых испытаний" (1991 - 1993 гг.) и ГР 01950002046 "Моделирование механических систем с упругими и вязкими связями в условиях микрогравитации" (1994 - 1995гг.). проводимых в ИжГТУ.
Результаты работы использованы в лекциях и лабораторном практикуме учебного курса "Теория и конструкция аппаратов" (разделы "Движение тел с упругими и вязкими связями" и "Пневмомеханические системы аппаратов"). Прикладные программы для имитационного моделирования газомеханических систем с электромагнитным управлением используются в курсовом и дипломном проектировании.
Реализация работы в промышленности. Полученные в работе результаты использованы при отработке импульсных газомеханических систем с электромагнитным управлением на Теплотехнической станции ПО "Боткинский завод" и в Отраслевой лаборатории НИЛ ИжГТУ.
При непосредственном участии автора разработаны и внедрены три стенда для отработки импульсных газовых ракетных двигателей.
Результаты работы могут быть использованы в практике работы предприятий, занимающихся разработкой и отработкой газомеханических систем с электромагнитным управлением.
Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзной научной конференции "Проблемы механики летательных аппаратов" (Томск, ТГУ, 1986);
18 Королевских чтениях (Москва, МФТИ, 1987); I конференции молодых ученых. (Ижевск, ФТИ, 1988); VII Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических устройств" (Москва. МВТУ. 1989); III и IV конференциях ученых Украины, России и Белоруссии "Прикладные проблемы механики дадкости и газа" (Севастополь, СГТУ, 1994, 1995); международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1995); научно-технических конференциях (Ижевск, ИМИ (ИжГТУ), 1986 - 1996).
Публикации. Результаты работы отражены в 15 научных публикациях: 2 статьи и 8 тезисов в центральных изданиях, авторское свидетельство, 3 научно-технических отчета по госбюджетным НИР и библиографический обзор.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 140 с. машинописного текста. В работу включены 79 рис., 2 табл., список литературы из 117 наименований и приложения (Акты об использовании результатов работы).
