Файл: Волков Е.Б. Основы теории надежности ракетных двигателей.pdf

зультатам расчета для рассматриваемого примера составлена табл. 8.3, ко­

торая позволяет решить обе поставленные задачи оптимального резервиро­

Пусть требуемая надежность системы рассматриваемой в примере Ртр>0,47.

350

Если решается 2-я задача (максимум надежности при ограничении по стоимости), то процесс необходимо закончить на таком шаге М, когда вы­ полняется условие

Стр<С (М +1).

Если, например, стоимость системы не должна превышать СТр = 60 еди­ ниц, то процесс надо! закончить на шаге № II. Характеристики оптимальной системы будут: Р = 0,356, inl =3, m2= 3, т 3= 1 , /7Ц = 1, тъ = 3.

8. 2. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ДВИГАТЕЛ ЬНЫХ УСТАНОВОК

8. 2. 1. Методы резервирования

Существуют различные сложные системы, которые состоят из большого количества идентичных как по устройству, так и по вы­ полняемым функциям подсистем. К подобным системам можно отнести двигательные установки мощных ракет-носителей, напри­ мер, «Сатурн-V» [52].

Такая двигательная установка состоит из п одинаковых бло­ ков, причем блоком является автономный двигатель, имеющий свою систему подачи и регулирования и работающий независи­ мо от других двигателей.

Тяга двигательной установки ракеты-носителя, особенно пер­ вой ступени, в зависимости от решаемых задач может находить­ ся в пределах 10 000—80 000 кН и даже более. Так, тяга первой ступени ракеты-носителя «Сатурн-V» составляет примерно 34000 кН. Поскольку, двигательную установку, состоящую из од­ ного блока, с такой тягой по причинам экономического и техни­ ческого характера создать крайне трудно, то тяга одного блока в настоящее время ограничена по величине. Например, двигатель F-1 имеет тягу 6800 кН.

Рассмотрим двигательную установку с тягой /?д.у, скомпоно­ ванную из п отдельных блоков с меньшими тягами Ra, где

И =zRr.y/Ro.

Если все блоки (двигатели) работают независимо и облада­ ют одинаковой надежностью, то вероятность исправной работы такой двигательной установки определяется зависимостью

где Pq — вероятность исправной работы отдельного двигателя.

Нетрудно убедиться в том, что даже при высокой надежности отдельных блоков и при большом их количестве надежность дви­ гательной установки будет чрезвычайно низкая.

Пример. Пусть необходимо создать двигательную установку носителя с

тягой /?д.у= 100000 кН из двигателей с тягой У?а=5000 кН, обладающих очень высокой надежностью (Рб=0,990).

351

В этом случае количество блоков определится из соотношения

Рй оООО

Обеспечить требуемую надежность многоблочной двигатель­ ной установки позволяет метод общего резервирования с дробной кратностью, с постоянно включенным или с «холодным» резер­ вом.

При постоянно включенном резерве все блоки, как основные так и резервные, работают с момента старта ракеты. При хо­ лодном резервировании резервные блоки находятся в нерабочем состоянии до тех пор, пока не откажут основные. Когда отказы­ вает один из основных блоков, он выключается и в работу вклю­ чается один из резервных. Холодное резервирование обладает недостатками:

—увеличивается пассивная масса носителя за счет массы ре­ зервных блоков, которые в полете могут не использоваться;

—ухудшаются динамические характеристики ракеты из-за резкого изменения перегрузок в моменты выключения отказав­ ших блоков п включения резервных;

—усложняется система выключения и запуска двигателей в условиях полета.

Так как из-за указанных недостатков применение холодного резервирования для повышения надежности мощных ракет-носи­ телей следует считать нецелесообразным, то в дальнейшем рас­ сматривается только лишь общее резервирование с постоянно включенным резервом и дробной кратностью.

Общее резервирование с постоянно включенным резервом мо­ жет быть двух видов: с постоянным и с переменным коэффици­ ентами форсирования тяги

Кф= RoI-Rg,

где Яг, — тяга на номинальном режиме работы. Рассмотрим два случая.

1. Резервирование с К ф = 1=const

Все как основные, так и резервные двигатели работают на номинальном режиме, и тяга их в процессе выключения отказав­ ших блоков не изменяется. При отказе от одного до т включи­ тельно блоков в остальных блоках тяга не изменяется, а суммар­ ная тяга двигательной установки будет уменьшаться по ступен чатому закону:

где /= 0 , 1, 2,..., т — количество отказавших блоков. Недостатком данного метода резервирования является зна­

чительное уменьшение тяги двигательной установки при отказе

352

блоков ii, как следствие, снижение коэффициента тяговооруженпости ракеты.

Очевидно, что в этом случае для обеспечения выполнения за­ дачи, если даже уменьшение коэффициента тяговооруженности находится в допустимых пределах, необходимо увеличивать вре­ мя работы двигательной установки.

Разновидностью метода резервирования при /Сф= 1 является использование естественного резерва блоков в установленные моменты времени [68].

В процессе полета из-за израсходования компонентов топли­ ва и уменьшения массы носителя увеличивается коэффициент

{8.22) (тяга блока считается постоянной) с некоторого момента Т] наступает условие Ajlii= jli(тГ]) —• цо, позволяющее выключить один блок. При выключении блока коэффициент тяговооружен­ ности уменьшится, а затем начинает расти пока не наступит сле­ дующее условие Др,2=р.(т2) — ро, позволяющее выключить вто­ рой двигатель и т. д. Процесс образования резервных двигате­ лей в полете показан на рис. 8. 3.

Количество резервных блоков, которые могут образоваться в процессе полета, приблизительно можно определить следующим образом.

В предположении, что допустимое значение коэффициента тяговооруженности при отключении последовательно от 1 до т двигателей должно быть не меньше начального р0, можно запи­ сать условие

353