Анализ методики резервирования элементов и систем ракетных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

аналитический, научно-технический и производственный журнал. 2002. № 4 (16).

3. Моисеев В. А., Тарасов В. А., Колмыков В. А., Филимонов А. С. Технология производства жидкостных ракетных двигателей. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.

4. Воробей В. В., Логинов В. Е. Технология производства жидкостных ракетных двигателей. М. : Изд-во МАИ, 2001.

5. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М. : Машиностроение, 1986.

References

1. Gahun G. G., Baulin V. I., Volodin V. A., Kurpatenkov V. D., Kraev M. V., Trofimov V. F.

Construction and design liquid rocket engines. M. : Mashinostroenie publ., 1989.

2. Vdovenco V. G., Kolmakov L. V. Technologies vacuum of production rocket-space craft // Manufacturing engineering : survey and analytical, scientific technical and production journal. 2002. № 4 (16).

3. Moiseev V. A., Tarasov V. A., Kolmikov V. A., Filimonov A. S. Production technology liquid rocket engines. M. : Baumans MGTU publ., 2008.

4. Vorobey V. V., Loginov V. E. Production technology liquid rocket engines. M. : MAI publ., 2001.

5. Ovsyannikov B. V., Borovsky B. I. Theory and calculation of units power liquid rocket engines. M. : Mashinostroenie publ., 1986.

© CaMomKHHa n. to., 2016

УДК 621.45

АНАЛИЗ МЕТОДИКИ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В. М. Самошкин, И. М. Петров

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Проведен анализ методики резервирования элементов и систем ракетных двигателей. Рассмотрены методы резервирования. Определены наиболее эффективные способы резервирования элементов ракетных двигателей.

Ключевые слова: ракетный двигатель, надежность, резервирование, резервные элементы, вероятность отказа, вероятность безотказной работы.

ANALYSIS OF A TECHNIQUE TO RESERVE ELEMENTS AND SYSTEMS OF ROCKET ENGINES

V. M. Samoshkin, I. M. Petrov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The paper analyses the techniques to reserve elements and systems of rocket engines. Reservation methods are considered. The methods of the most effective reservations of elements of rocket engines are determined.

Keywords: rocket engine, reliability, reservation, reserve elements, probability of refusal, probability of no-failure operation.

Современные ракетные двигатели состоят из ряда систем и агрегатов, в свою очередь состоящих из большого количества элементов. Особенности ракетных двигателей как объектов оценивания надежности определяются задачами и условиями применения, особенностями их конструкции и характером протекающих в них рабочих процессов. Важной задачей при создании ракетных двигателей является выбор оптимального значения показателя надежности. Ракетные двигатели в процессе своего жизненного цикла проходят несколько этапов: проектирование, отработку, серийное производство и эксплуатацию. На-

дежность закладывается при проектировании, обеспечивается в производстве и поддерживается при эксплуатации.

Низкая надежность ракетных двигателей приводит к увеличению эксплуатационных расходов, гибели дорогостоящих конструкций, нанесению морального ущерба, т. е. к понижению боевой эффективности. Таким образом, важность решаемых задач и большая стоимость таких объектов требуют их высокой надежности [1].

Одним из эффективных способов повышения надежности, позволяющим создавать системы, надеж-

<Тешетневс^ие чтения. 2016

ность которых может быть выше надежности входящих в них элементов, является резервирование.

Резервированием называется метод повышения надежности путем включения резервных элементов при разработке систем или в процессе их эксплуатации [2].

Резервирование как способ повышения надежности целесообразен, когда надежность в результате количественной оценки оказывается ниже заданной и слабейшие звенья в функциональной схеме невозможно заменить более надежными. Существует два метода резервирования: общее и раздельное.

Общее резервирование применяется для повышения надежности ДУ, представляющих собой связку автономных блоков. В данном случае предусматривается кроме основных блоков один или несколько резервных, находящихся в рабочем или нерабочем состоянии [3].

Раздельное резервирование может применяться для повышения надежности блоков двигательной установки. В этом случае ДУ кроме основных элементов имеет резервные, которые соответствующим образом включаются в функциональную схему. При отказе основного элемента будет работать резервный, и ДУ сохраняет надежность. Из конструктивных соображений такими элементами ДУ могут быть: топливные клапаны, элементы автоматики управления, пиростартеры турбин, пусковые устройства, резервирование которых не приводит к значительным усложнениям схемы и практически осуществимо. Резервирование камер двигателя, турбонасосных агрегатов связано с большими трудностями конструктивного характера и практического применения не имеет. Очевидно, что раздельное резервирование можно применять только тогда, когда включение резервных элементов не изменяет режима работы и выходных параметров и не нарушает работоспособности всей системы.

По способу включения резерва как общее, так и раздельное резервирование может быть с постоянно включенным резервом (нагруженное) и с замещением (ненагруженное).

При нагруженном резервировании резервные элементы функционируют наравне с основными и постоянно включены в работу [4]. При таком способе резервировании вероятность отказа системы, состоящей из п элементов, по теореме умножения вероятностей будет представлена в виде

Qc к*)=а к*а к*)..ап к*)=Па- к*),

1=1

где Qi к) - вероятность отказа 1-го элемента.

Вероятность безотказной работы системы при нагруженном резервировании

р к* )=1 - Qc к* )=1 -Па к* )=1 -П [1 - р к*)].

г=1 г=1

При ненагруженном резервировании резервные элементы вводятся в работу переключателем только после отказа основных элементов [5]. При таком способе резервировании вероятность отказа системы,

состоящей из п элементов, по теореме умножения вероятностей будет представлена в виде

1 п

а к*)-1 Па. к*),

п. .=1

а вероятность безотказной работы -

Рс к*Ь1П [1 - р. к*)].

.=1

Как видно из вышеуказанных формул, вероятность отказа при резервировании замещением в п. меньше, чем при постоянном резервировании.

В практике создания ракетных двигателей наиболее эффективным считается использование ненагру-женного резервирования. Так как при таком способе повышения надежности резервные элементы не подвергаются нагрузке, их показатели надежности не изменяются и они не могут отказать за время нахождения в резерве, т. е. интенсивность отказов резервных элементов до включения их в работу равна нулю. Это включение может производиться вручную или автоматически.

Несмотря на очевидные преимущества резервирования с позиции надежности, в изделиях, имеющих ограничения по массе (например, в ракетных двигателях), оно часто становится неприемлемым, так как структурное резервирование увеличивает массу изделия. Как правило, в таких изделиях резервируют особо ответственные, но небольшие по габаритным размерам и массе элементы: элементы автоматики, воспламенители, пиропатроны и другие, резервирование которых не приводит к значительным усложнениям конструкции, увеличению массы и реально осуществимо.

Таким образом, если для достижения высокой надежности элементов и систем ракетных двигателей конструктивных, технологических и эксплуатационных мероприятий оказывается недостаточно, то требуется применение резервирования. Это особенно относится к сложным системам, у которых повышение надежности отдельных элементов не позволяет добиться требуемой надежности систем в целом. Резервирование же позволяет уменьшить вероятность отказов на несколько порядков.

Библиографические ссылки

1. Волков Е. Б., Головков Л. Г., Сырицын Т. А. Жидкостные ракетные двигатели. Основы теории агрегатов ЖРД и двигательных установок. М. : Воениз-дат, 1970.

2. Волков Е. Б., Судаков Р. С., Сырицын Т. А. Основы теории надежности ракетных двигателей. М. : Машиностроение, 1974.

3. Коломенцев А. И., Краев М. В., Назаров В. П. и др. Испытание и обеспечение надежности : учебник / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т ; Моск. авиац. ин-т. Красноярск, 2008.

4. Краев М. В., Назаров В. П., Яцуненко В. Г. Основы теории и расчета надежности ракетных двигателей : учеб. пособие для студентов спец. 160302 «Ракетные двигатели» / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. -Красноярск, 2008.

5. Яцуненко В. Г., Назаров В. П., Коломейцев А. И. Стендовые испытания жидкостных ракетных двигателей : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016.

References

1. Volkov E. B., Golovkov L. G., Siricin T. A. Liquid rocket engine. Bases of the theory of units LRE and propulsion systems. Moskow : Voenizdat publ., 1970.

2. Volkov E. B., Sudakov R. S., Siricin T. A. Bases of the theory of reliability of rocket engines. Moskow : Mashinostroenie, 1974.

3. Kolomencev A. I., Kraev M. V., Nazarov V. P. Tests and ensuring reliability. Textbook Siberian state aerospace university ; Moskow aviation institute. Krasnoyarsk, 2008.

4. Kraev M. V., Nazarov V. P., Yacunenco V. G., Bases of the theory and calculation reliability of rockets engines. Textbook for students specialty 16302 "Rockets engines" / Siberian state aerospace university. Krasnoyarsk, 2008.

5. Yacunenco V. G., Nazarov V. P., Kolomencev A. I. Tests bench liquid rockets engines: textbook / Siberian state aerospace university. Krasnoyarsk, 2016.

© Самошкин В. M., Петров И. М., 2016

УДК 629.7(075.8)

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СОСТАВА СМЕСИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Д. Р. Тележенко, Д. А. Жуйков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Представлен алгоритм и разработанная блок-схема, позволяющие произвести расчет состава смеси продуктов сгорания камеры ЖРД.

Ключевые слова: алгоритм, камера ЖРД, дихотомия, продукты сгорания.

ALGORITHM FOR CALCULATING THE COMPOSITION OF THE MIXTURE COMBUSTION

D. R. Telezhenko, D. A. Zhuikov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The paper shows an algorithm and a developed flow chart allowing to calculate the composition of the mixture of LRE combustion chamber products.

Keywords: algorithm, LRE chamber, dichotomy, combustion products.

Обеспечение и повышение эксплуатационных характеристик летательных аппаратов в целом предопределяют необходимость дальнейшего совершенствования теории и методик расчета процессов, протекающих в агрегатах и узлах двигательной установки [1]. Анализ существующих научно-технических источников показывает, что в последние десятилетия существует устойчивый научно-практический интерес к моделированию и разработке расчетных методик процессов горения в широком диапазоне практического назначения [2].

В данной работе разработан алгоритм, позволяющий произвести расчет смеси газов, образующейся в результате смешения компонентов и непосредственного сгорания топлива [3]. Ключевые выражения, описывающие работу алгоритма:

- закон Дальтона

Pd =Х P, (1)

где Pi - парциальное давление отдельного газа;

- разность давлений

АР = Рв - Р, (2)

где Р - действительное давление смеси газов в сече-

нии;

- энтальпия

j, (3)

цР

где - энтальпия 1-го газа;

- полная энтальпия топлива

Т = , (4)

т 1 + КД

где Кд - массовое действительное соотношение компонентов;

- разность энтальпий

А/ = 1т - / . (5)