Файл: Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей.pdf

гателем из баков, опорожнение баков горючего и окислителя будет протекать неодинаково.

Система управления по сигналам соответствующих датчиков скорректирует режим работы двигателя, однако это произойдет с существенным запаздыванием, так как ракета как объект ав­ томатического регулирования и ее системы управления имеют постоянные времени на порядки больше, чем постоянная време­ ни двигателя.

Кроме того, для обеспечения коррекции режима работы дви­ гателя с помощью системы управления необходимо расширить диапазон регулирования системы управления, чтобы она одно­ временно смогла управлять ракетой, компенсировать возмуще­ ния, действующие на ракету, и еще — компенсировать отклоне­ ния режима работы двигателя под действием внешних и внут­ ренних факторов.

Создание системы управления с большим диапазоном регу­ лирования встречает определенные трудности и в большинстве случаев оказывается нерациональным. Поэтому основная на­ грузка по компенсации влияния внешних и внутренних возмуще­ ний, действующих на ЖРД, ложится на внутридвигательные системы.

Для частичной компенсации технологических отклонений ис­ пользуют второй способ поддержания режима работы двигате­ ля: с помощью системы настройки, состоящей из нескольких шайб в гидравлических трактах двигателя с гидравлическим сопротивлением, подбираемым по результатам проливок отдель­ ных агрегатов или по данным контрольно-технологических ис­ пытаний двигателя. Система настройки позволяет сузить до­ пуски на отклонения режима работы двигателя от номинальных значений.

Однако система настройки позволяет компенсировать (и то, только частично) влияние внутренних факторов на режим рабо­ ты двигателя; внешние факторы она не компенсирует.

Следует отметить, что для достаточно точной настройки не­ обходимы контрольно-технологические испытания двигателя или подробное экспериментальное определение характеристики аг­ регатов, что не всегда возможно и требует создания сложных и дорогих экспериментальных установок.

отклонений режима работы двигателя из-за внешних и внутрен­ них факторов, так как более точно поддерживает режим его работы. В этом заключается основная цель введения ее в схему двигателя, хотя при этом схема двигателя усложняется и увели­ чивается его масса.

Наличие внутридвигательной системы регулирования не ис­ ключает использования двух других способов стабилизации ре­ жима работы двигателя. Наоборот, каждая из систем помогает

32

другим в решении общей задачи стабилизации режима работы двигателя. В частности, система настройки, компенсируя часть отклонений параметров двигателя, облегчает работу ракетных и внутридвигательной систем регулирования. Внутридвигатель­ ная система регулирования, обеспечивая точное поддержание параметров, увеличивает надежность работы двигателя и обес­ печивает лучшие условия работы ракетных систем управления.

Основное требование к системе регулирования двигателя вытекает из назначения этой системы — обеспечить достаточно высокую точность поддержания заданного режима работы дви­ гателя, т. е. поддержания тяги (или давления в камере сгора­ ния), а в ряде случаев и соотношения компонентов топлива. Потребная точность поддержания параметров двигателя зави­ сит в первую очередь от требования со стороны системы управ­ ления ракетой, так как из соображений надежности самого дви­ гателя допустимый диапазон изменения его параметров обычно бывает достаточно широким.

Например, система управления ракеты требует [57] точности порядка 2—3%. Требования по точности соотношения расходов компонентов топлива в двигателе k\ зависят от наличия в соста­ ве ракеты системы регулирования одновременным опорожнени­ ем баков (СОБ). Если имеется система СОБ, то требуется точ­ ность поддержания соотношения компонентов 3—4%, при отсут­ ствии системы СОБ — 1,5—2%.

Для регуляторов, введенных в схему двигателя исключитель­ но из соображений повышения его надежности (например, ста­ билизатор соотношения компонентов в газогенераторе), требо­ вания по точности поддержания регулируемого параметра

Введение в схему двигателя системы регулирования порож­ дает новый вопрос — обеспечение устойчивой работы двигателя вместе с регуляторами. Как расчет (см. § 8.2), так и опыт до­ водки двигателей показывают, что в системе «двигатель — регу­ лятор» возможно возникновение колебаний.

Отклонение характеристик отдельных агрегатов приводит к разбросу не только основных статических характеристик двига­ теля, но и к разбросу его динамических характеристик, которые определяют устойчивость системы «двигатель — регулятор» (см. § 9.6). По тем же причинам имеют разброс статические и дина­ мические характеристики регулятора.

Вследствие разброса характеристик всех агрегатов в ряде случаев наблюдается невоспрѳизводимость колебательных ре­ жимов работы двигателя. Одни экземпляры двигателя работают устойчиво, в других же экземплярах, изготовленных по одина­ ковым чертежам, возникают колебания в системе «двигатель — регулятор».

Большая вероятность устойчивой работы системы «двига­ тель— регулятор» может быть достигнута выбором параметров регулятора с определенным запасом по устойчивости, чтобы слу­ чайные отклонения характеристик отдельных агрегатов не при­

по регулируемому параметру, в котором система регулирования способна изменять режим работы двигателя. Определенный диапазон регулирования необходим, во-первых, для управления ракетой с помощью двигателя как исполнительного органа, вовторых, для компенсации системой регулирования отклонений параметров двигателя, связанных с влиянием внешних и внут­ ренних факторов. Диапазон регулирования должен быть доста­ точно широким, чтобы обеспечить одновременное выполнение обеих задач при любых возможных случайных сочетаниях от­ клонении параметров ракеты, двигателя и внешней среды.

Двигатель как исполнительный орган системы управления ракетой должен обладать достаточной эффективностью, т. с. иметь необходимый уровень ответной реакции на управляющее воздействие системы. Величину, характеризующую эффектив­ ность двигателя как исполнительного органа, выбирают при разработке системы управления; обычно ее представляют в ви­ де коэффициента усиления двигателя, т. е. как отношение от­ клонения регулируемого параметра к величине управляющего воздействия.

В системе наведения (РКС) или системе угловой стабилиза­ ции при использовании принципа управления путем рассогласо­ вания тяги отдельных двигателей (см. § 1.2) регулируемым па­ раметром является давление в камере сгорания. Эффективность двигателя как исполнительного органа по этим каналам систе­ мы управления определяется коэффициентом усиления по дав­ лению в камере сгорания kK:

Па/ ГРад’

8<Рркс

где Ьрк — отклонение давления в камере сгорания; 'Рр к с — угол поворота привода РКС. Аналогичная характеристика для системы СОБ

где 8£j — отклонение массового соотношения компонентов; 8срСОБ — угол поворота привода системы СОБ.

34

В некоторых случаях к двигателю как исполнительному ор­ гану системы управления ракетой предъявляются дополнитель­ ные требования по его динамическим характеристикам (по ка­ честву переходного процесса), в частности, по времени перехода с одного режима на другой, или по его частотным характеристи­ кам — по полосе пропускания частот сигнала от системы управ­ ления, по допустимому фазовому сдвигу и т. д. Динамические характеристики двигателя существенно зависят от схемы и па­ раметров системы регулирования двигателя (см. § 8.3), и поэто­ му требования к динамике двигателя одновременно являются и требованиями к его системе регулирования. Изменение схемы или параметров регуляторов (постоянных времени, статизма) позволяет в определенных пределах изменять динамические ха­ рактеристики двигателя.

Если в схеме двигателя имеется несколько регуляторов, под­ держивающих разные параметры (например, давление в камере сгорания р1(, соотношение компонентов в двигателе k\ и соотно­ шение компонентов в газогенераторе k^), то неизбежно их вза­ имное влияние. Для каждого из регуляторов работа других ре­ гулирующих органов является дополнительным возмущающим фактором, приводящим к отклонению регулируемого параметра. Поэтому при выборе схемы регулирования желательно стре­ миться к схеме с минимальным взаимным влиянием одного ре­ гулятора на другой.

Как уже отмечалось, введение в схему двигателя системы регулирования приводит к усложнению и утяжелению двигате­ ля. Хотя при разработке системы регулирования всегда стре­ мятся сократить вес (массу) агрегатов, утяжеление двигателя при этом неизбежно.

При оценке утяжеления двигателя необходимо учитывать не только вес самих агрегатов системы регулирования, но и вес дополнительных, связанных только с этой системой элементов обвязки двигателя: импульсных трубок, дополнительных участ­ ков основных трубопроводов, деталей крепежа и т. д. Одновре­ менно ко всему этому следует прибавить приращение веса дру­ гих агрегатов двигателя — насосов, турбины и т. д. Вес этих агрегатов увеличится из-за необходимости увеличения давления подачи компонентов на величину падения давления в агрегатах системы регулирования.

Кроме того, в двигателях без дожигания генераторного газа после турбины по той же причине * увеличиваются потери удельного импульса тяги, связанные с выбросом генераторного газа, которые также необходимо учесть:

Вопрос о целесообразности введения дополнительного регу­ лятора можно решить только после рассмотрения всего комплекI_________

* Т. е. из-за увеличения потребной мощности турбины в связи с ростом

потребного напора, развиваемого насосами.

са вопросов, связанных с внутридвигательной системой регули­ рования. Наиболее просто решается вопрос, если система регу­ лирования предназначена для улучшения основных характери­ стик ракеты.

Например, для оценки целесообразности введения в схему двигателя системы регулирования соотношения компонентов необходимо оценить возможный выигрыш в дальности полета ракеты [48]. При наличии в схеме двигателя регулятора соотно­ шения компонентов (если нет ракетной системы СОБ) умень­ шается потребный гарантийный запас топлива в баках ракеты, увеличивается эффективный удельный импульс тяги двигателя благодаря более точному выдерживанию соотношения компо­ нентов вблизи оптимального его значения. Одновременно увели­ чивается вес двигателя, а для Ж РД без дожигания — увеличи­ ваются потери удельного импульса тяги, связанные с выбросом генераторного газа.

Для оценки эффективности введения регулятора соотноше­ ния компонентов можно воспользоваться линеаризованной связью между всеми изменяющимися параметрами [48]:

кеты по конечному весу *, весу топлива и удельному импульсу тяги двигателя.

Использование упрощенной линеаризованной зависимости (1.4) вполне оправдано, так как все отклонения (вариации) па­ раметров 6GC.P, бGrap, бРуд— величины относительно небольшие (несколько процентов).

Уменьшение гарантийного запаса топлива 6Grap зависит от точности работы системы регулирования соотношения компо­ нентов k\. Этот выигрыш растет с увеличением точности поддер­ жания k\. Естественно, что гарантийные запасы (хотя и мень­ шие) остаются и при идеальной системе регулирования k\, так как с ошибкой в величине ki связана только одна из составляю­ щих гарантийного запаса топлива [48].

* Конечный вес — вес ракеты ® момент -выключения двигателей. В ко­ нечный вес входят гарантийные остатки топлива в баках.

36