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

Для оценки эффективности введения в схему двигателя ре­ гулятора, поддерживающего давление в камере сгорания (т. е. тягу) двигателя, можно составить уравнение по аналогии с урав­ нением (1.4).

Дополнительные агрегаты системы регулирования не только увеличивают массу двигателя, но и могут привести к пониже­ нию его надежности. Действительно, надежность двигателя как системы, состоящей из п элементов, определяется соотношением для вероятности безотказной работы [17]:

(1.5)

і=і

где Рі — вероятность безотказной работы г-го агрегата. При этом предполагается, что отказы отдельных агрегатов двигателя яв­ ляются независимыми и случайными, а отказ любого агрегата приводит к отказу всего двигателя.

Если введение в схему двигателя системы регулирования не сказывается на надежности остальных агрегатов двигателя, то вероятность безотказной работы двигателя с системой регули­ рования будет определяться соотношением

снижению надежности двигателя. В действительности, введение системы регулирования может привести к некоторому повыше­ нию надежности отдельных агрегатов (камеры сгорания, газо­ генератора, турбонасосного агрегата) в силу сужения диапазона изменения параметров работы двигателя. Если имеются дан­ ные о влиянии системы регулирования на надежность других агрегатов двигателя, то, пользуясь соотношением (1.6), можно оценить эффективность системы регулирования с точки зрения повышения надежности двигателя.

От ракетных двигателей требуют, чтобы они имели достаточ­ но высокий уровень надежности Ядв, для обеспечения которого необходима высокая надежность всех агрегатов, в том числе и агрегатов системы' регулирования. В частности, надежность ңе-

37

посредственно связана с вопросом обеспечения устойчивой ра­ боты системы регулирования.

Указанные выше требования к системе регулирования двига­ теля в ряде случаев оказываются противоречивыми. Например* в явном противоречии обычно находятся требования обеспече­ ния устойчивости и точности системы регулирования. Повыше­ ние точности системы путем увеличения коэффициента усиления (или уменьшения статизма) регулятора (см. § 8.2), как прави­ ло, уменьшает запас устойчивости или просто приводит систему

кпотере устойчивости.

Втаком же противоречии находятся требования уменьшения веса и увеличения надежности агрегатов регулирования и т. д. Наиболее правильным было бы разрешение этих противоречий путем сравнения различных возможных схем по окончательному параметру, определяющему эффективность ракеты — по конечной скорости в момент выключения двигателей, подсчитываемой по формулам, аналогичным соотношению (1.4). При этом каждая из сравниваемых схем должна обеспечивать заданный уровень надежности системы, в том числе и по запасу устойчивости.

Одним из сравниваемых вариантов может быть схема двига­ теля вообще без соответствующего регулятора. Например, регу­ лятор соотношения компонентов газогенератора необходим в двигателях, у которых возможны большие отклонения темпера­ туры газа в газогенераторе при глубоком регулировании или по другим причинам. Для двигателя с малым диапазоном измене­ ния температуры генераторного газа такой регулятор может не только не повышать, но даже понижать надежность [см. форму­ лу (1.6)] и в то же время — увеличивать вес двигателя. Анало­ гичное положение может быть с регулятором соотношения ком­ понентов в двигателе при наличии в составе ракеты системы СОБ.

Взаключение следует заметить, что комплексный анализ при выборе схемы регулирования двигателя не всегда возможен изза отсутствия соответствующих данных, в частности, — по на­ дежности агрегатов регулирования и по влиянию введения сис­ темы регулирования на надежность других агрегатов двигателя. В этом случае приходится в первую очередь ориентироваться на имеющийся опыт и при выборе схемы отдавать предпочтение уже опробованным, отработанным вариантам регуляторов.

1.5. ОСОБЕННОСТИ ЖРД КАК ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Жидкостный ракетный двигатель резко отличается от других типов тепловых двигателей высокой энергонапряженностыо процессов в его основных элементах. Так, Ж РД с тягой 0,6 МН развивает мощность, рассчитанную по кинетической энергии выте­ кающей из сопла массы газа, равную 1,2 • 10б л. с. [17]. В настоя­

38

щее время существуют двигатели, имеющие на порядок большую тягу и соответственно мощность [17].

Другие типы реактивных двигателей (ТРД, ТВД и др.), а также двигатели внутреннего сгорания имеют существенно мень­ шую мощность — не выше нескольких тысяч лошадиных сил. Мощность, подобную мощности ЖРД, развивают только энер­ гетические агрегаты крупных тепловых или гидравлических элек­ тростанций. Однако размеры и масса этих установок не идут ни в какое сравнение с- соответствующими параметрами ЖРД.

двигателей внутреннего сгорания на несколько порядков ниже, чем у ЖРД-

Огромная мощность, сконцентрированная в одном двигателе, накладывает свой отпечаток на протекание процессов в его эле­ ментах и, особенно, на протекание неустановившихся процессов, т. е. на колебания и переходные процессы.

Постоянные времени (см. гл. II) агрегатов двигателя и дви­ гателя в целом, характеризующие их динамические свойства, очень малы из-за’ высокой энергона-пряженности — не превыша­ ют по величине тысячных или сотых долей секунды и только в

гателя отличается большой сложностью, так как двигатель ра­ ботает на двух жидких компонентах, подаваемых по крайней мере в две камеры сгорания — в газогенератор и основную ка­ меру сгорания двигателя. Из-за сложной ПГС элементы двига­ теля связаны между собой большим числом связей, часть из них — перекрестные. Количество звеньев и соответственно свя­ зей между ними зависит от схемы двигателя (см. '§ 1.6).

Отдельные агрегаты двигателя имеют относительно близкие характерные постоянные времени, и в то же время из-за особен­ ностей ПГС процессы в них существенно зависят один от друго­ го. Благодаря этому в большинстве случаев при анализе осо­ бенностей динамических характеристик двигателя трудно вы­ делить основное, определяющее, звено или контур, которое бы оказывало настолько преобладающее влияние,' что остальными элементами или контурами можно было бы пренебречь. Вслед­ ствие этого при расчетах приходится учитывать как статиче­ ские, так и динамические свойства практически всех основных

в некоторых случаях — к регуляторам непрямого действия.

39

статочно' громоздкими в связи с тем, что при решении ка­ залось бы узких вопросов динамики и регулирования двигателя требуется глубокое проникновение в детали рабочего процесса всех агрегатов двигателей.

К сожалению, многие элементарные процессы в агрегатах Ж РД еще недостаточно исследованы даже для стационарного режима работы двигателя (рабочий процесс в камере сгорания и газогенераторе, кавитация в насосах и т. д.). Естественно, что при анализе характера протекания этих процессов в динамике встречаются большие трудности и приходится ограничиваться приближенным, а в ряде случаев и чисто качественным рассмот­ рением.

При анализе особенностей любого изделия как объекта регу­ лирования принято разбивать его на отдельные звенья, причем в теории автоматического регулирования подробно исследованы особенности динамических характеристик многих типичных звеньев [12]. Ж РД также состоит из нескольких типичных звень­ ев: 'проточных газовых трактов с горением (камера сгорания, газогенератор), турбонасосного агрегата, гидравлических маги­ стралей и гидравлических регуляторов.

Динамические звенья Ж РД в большинстве своем отличаются от типичных звеньев, рассматриваемых в теории автоматическо­ го регулирования.

На динамику проточных газовых трактов с горением сущест­ венное влияние оказывают энтропийные (температурные) вол­ ны, возникающие при сгорании топлива вследствие зависимости температуры продуктов сгорания от соотношения компонентов, подаваемых в тракт (емкость). Благодаря этому газовые емко­ сти приходится рассматривать как звенья с распределенными параметрами (по крайней мере, в отношении энтропийных волн), сильно отличающиеся от обычных емкостных (апериодических) звеньев как по своему математическому описанию, так и по ди­ намическим свойствам.

В первом приближении турбонасосный агрегат описывается уравнением апериодического звена первого порядка. Однако, если учесть некоторые специфические особенности ТНА, суще­ ственные для решения ряда задач динамики двигателя, то урав­ нения динамики ТНА существенно усложняются. К таким осо­ бенностям относятся кавитационные явления на входе в насосы, инерция жидкости в проточных частях насосов, крутильные ко­ лебания вала ТНА.

При выводе уравнений динамики гидравлических трактов двигателя необходимо учитывать инерцию жидкости, а в ряде случаев и ее сжимаемость, или рассматривать тракт как звено с распределенными параметрами, т. е. учитывать акустические эффекты. При этом в состав жидкостных трактов входят также проточные части насосов, благодаря чему насосы с их характе­

40