CC BY
32
УДК 629.7.062.2
О ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ ТВЁРДОТОПЛИВНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА
В СОСТАВЕ ПРИВОДОВ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
С. А. Ермаков, В.И. Лалабеков, С. Л. Самсонович, В. А. Чащин
Предложено техническое решение, обеспечивающее с учётом функциональных и аппаратных возможностей бортовой системы управления возможность компоновки в габаритах ракеты твёрдотопливного газогенератора при выполнении требования по допустимому отношению длины к диаметру заряда для реализации длительной работы в составе привода.
Ключевые слова: газовый и газогидравлический привод, твёрдотопливный газогенератор, рулевая машина, аксиально-поршневой мотор-насосный агрегат, газовый переключатель, сигнализатор давления, ресивер.
Ограничение возможности применения газового или газогидравлического привода с использованием твёрдотопливного газогенератора (ТГ) в качестве первичного источника газовой энергии для решения задач управления полётом ЛА в течение продолжительного времени обусловлено проблемами, связанными с созданием ТГ и возможности его компоновки в составе изделия для времени непрерывной работы к 5 мин.
Принципиальная схема газового привода, работающего на продуктах разложения твёрдого топлива ТГ, представлена на рис.1 [1, 2].
Порядок работы привода заключается в следующем. На энергетический вход привода подаётся давление питания Рг , формируемого ТГ. При подаче от системы управления на вход привода командного сигнала ивх Ф 0 на выходе ПСУ появляется сигнал ошибки А и = ивх - иос Ф 0, который формирует после усиления ток управления 1у ф 0 на входе в
ЭМП. В результате воздействия тока управления на электромагнитную систему ЭМП происходит отклонение якоря ЭМП, относительно среднего положения, и связанной с ним струйной трубки на угол, пропорциональный амплитуде командного сигнала. Несимметричное положение струйной трубки относительно приёмных окон ГРУ, обусловливает наличие разного количества сжатого газа в полостях ГД, в результате чего образуются перепад давления на поршне и усилие на штоке ¥ = Ап, АР Ф 0. Под действием образовавшегося усилия происходит движение системы «ГД-МПП-ОУ» и одновременное перемещение движка ПОС, увеличивающего сигнал отрицательной обратной связи и уменьшающего сигнал ошибки Аи = и вх - и ос.
Движение штока будет происходить до момента, пока ошибка не станет равной нулю (при равенстве нулю всех промежуточных параметров). Подвижная система привода остановится в положении, пропорциональном ивх . Так будет происходить в отсутствии действия нагрузки на штоке. При наличии на штоке нагрузки механическая система «ГД-МПП-ОУ» не дойдёт или перейдёт согласованное с ивх положение в зависимости от знака действующей нагрузки (встречной или сопутствующей).
а б
Рис. 1. Принципиальная схема привода на горячем газе: ПСУ-преобразующее и суммирующее устройство, УМ-усилитель
мощности, ЭМП - электромеханический преобразователь, ГРУ - газораспределительное устройство типа «струйная трубка», ГД - газовый двигатель, ПОС - потенциометр отрицательной обратной связи, ТГ - твёрдотопливный газогенератор, МПП - механизм передачи и преобразования движения, ОУ- орган управления ЛА (а); Газогидравлический привод с ТГ и АПМНА: 1 - ТГ, 2 - аксиально-поршневой мотор-насосный агрегат (АПМНА), 3 - рулевая машина, 4 - клапан-регулятор давления, 5 - пополнительный бак-вытеснитель (б)
При совместной работе ТГ и АПМНА (рис. 1,б) для эффективной работы энергоблока, в напорной магистрали привода используется переливной клапан с компенсацией гидродинамической силы. В приводе независимо от потребляемого расхода сохраняется в магистрали нагнетания постоянное давление, а через коэффициент редукции, равный отношению удельных объёмов за оборот газового двигателя к насосу, - и давление газа в ТГ.
Инвариантность давления от расхода обеспечивается гидродинамической разгрузкой клапана за счёт соответствующей конфигурации запор-но-регулирующего органа переливного клапана при изменении расхода в широком диапазоне значений за счёт специального профилирования каналов слива.
В рассматриваемом ГГРП, независимо от разбросов оборотов, неизменность действия нагрузки на насос обеспечивается работа ТГ в режиме постоянного давления в гидросистеме и ТГ, что приводит к экономии массы заряда на 25...30 % в сравнении с ТГ, работающим на сопло в приводе на горячем газе.
Конструктивная схема и состав ТГ с использованием заряда цилиндрической формы представлены на рис. 2.
При разработке ТГ для обеспечения технологичности, прочности скрепления заряда с камерой и надёжной его работы в условиях действия перегрузок принимают отношение между длиной Ь и диаметром й прочно скреплённого заряда с камерой в диапазоне Ь/й < 12...15. Указанное соотношение конструктивных параметров характерно для ТГ, используемых в газовых и газогидравлических приводах реальных изделий со временем работы, как правило, к 5 мин [3].
Рис. 2. Твердотопливный газогенератор: 1 - камера сгорания; 2 - заряд; 3 - крышка; 4, 5 - фильтры грубой и тонкой очистки; 6 - газоход; 7 - воспламенитель; 8 - инициатор; L - длина заряда;
d - диаметр заряда
Расчёт допустимого отношения L/ d < 12...15 базируется на использовании степенного закона зависимости скорости горения топлива от давления:
u= щРv ,
где u - скорость горения; ui_ = 0,01, ui+ = 0,015 - коэффициент чувствительности скорости горения к начальной температуре заряда 13; Р - давление газа; v =0,62 - показатель степени в законе горения топлива.
Минимальное значение секундного расхода газа для минимальной температуры эксплуатации заряда ¿з_ определяется из соотношения
m min = u1_ 'у' S ' Pmin,
_3 3
где y = 1,55 ' 10 кг/см - удельный вес топлива для большинства марок;
S - поверхность горения топлива.
Поверхность горения £ и диаметр заряда С определяются его работой при минимальной температуре эксплуатации tз_ :
S
m
Pf
mm
d = 2-
ms
u1- -p-g-Pmm
Длина заряда определяется его работой при максимальной температуре эксплуатации исходя из необходимости обеспечения заданного времени непрерывной работы t = 900 с. Так как газовый приход с увеличением температуры заряда увеличивается, то при неизменном критическом сечении струйной трубки о следует определить максимальное давление на входе в РМ по уравнениям Бори - баланса расхода для двух температурных режимов эксплуатации:
u--r - s-pl = a-о-pmin;
u -g-s-pv = a-о-p .
1+ ' max max
Решив систему уравнений, максимальное давление определяем из соотношения:
с \
Pm
P
u
1+
V u1- J
1-v
Длина заряда после подстановки Pmax определяется по уравнению:
v
L = umax - tPn = u1+ - Pmax - tPn = u1+ -
v u1-
\
1-v Pv t
1 min 1РП
Выражение для допустимого отношения длины к диаметру заряда имеет вид
L d
u - Pv
и1+ 1 min
u
1+
1-v
V ui- J
1ТГ
2-
V
= 0.886-
g
u
1-v
1+
1— P1-5v-tTr £ 12...15.
1+v min ТГ 1-v
m.
m
min
v
min
u
0.5 -v
1-
Допустимое время для обеспечения непрерывной работы ТГ без последовательного подключения ТГ
12... 15
tTr £ '
0,886-
g
u
1-v 1+
m„
0,5-v
u
1+v 1-v
-P.
1,5 v
V
Полученное неравенство позволяет найти допустимое время работы ТГ при известных внутри баллистических параметрах.
Например, в рассматриваемом ниже примере для параметров ТГ:
Щ_= 0,01, и1+ = 0,015 , Штт = 40 ■ 10-3 ктс1, Ртп1 = 87 кг/см2,
2 _3 з
Ртт2 = 30 кг/см, у = 1,55 ■ 10 кг/см, У = 0,62 при требуемом времени полёта ЛА т = 900 с время работы ТГ составит:
4Г =-15—1-= 193,808 с
0 886 /155 0,0151-0,62 1^0,62
0,886 У --0,5 0,62 (1+0,62) ^ 87
0,01 1-0,62
4г =--= 436,465 с.
0 886 I155 0,0151_0,62 301,5 0,62 0,886 ^ V--0,5 0,62 (1+0,62) ^ 30
0,01 1-0,62
Для обеспечения времени управления приводом в течение всего полёта потребуется последовательная работа не менее
87 т 900 ТГ 30 т 900 ТГ п =-=-= 4.64 » 5 ТГ и п =-=-= 2.06 » 2 ТГ соответ-
^Г1 193.8 ?ТГ2 436.5
22 ственно для Рт1п1 = 87 кг/см , Ртп2 = 30 кг/см .
Задачей настоящей статьи является отыскание конструктивного решения с учётом функциональных и аппаратных возможностей бортовой системы управления, обеспечивающих в габаритах ракеты возможность компоновки ТГ при выполнении требования к допустимому отношению длины к диаметру заряда для реализации длительной работы в составе привода.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать в составе привода блок ТГ, состоящий из необходимого количества последовательно включаемых ТГ с помощью газовых переключателей и средств системы управления. Одним из вариантов схемного решения для трех ТГ является принципиальная схема, представленная на рис.3.
Схема включает в себя блок, состоящий из трех ТГ - 1, которые соединены газоходами 2 через ресивер (проточную камеру) 3 с выходным газоходом 4. В газоходах 2 каждого ТГ до ресивера 3 установлен клапан переключения 5 твёрдотопливного газогенератора. В газоходах 2 до клапана переключения 5 также установлены сигнализаторы давления 7, чувствительная часть которых настроена на срабатывание при уменьшении давления в ТГ - 1...3 ниже давления настройки. При снижении в ТГ ниже давле-
97
ния настройки происходит замыкание рабочих контактов сигнализатора давления 7, расположенных в электрической цепи блока управления включением ТГ 8, и включение устройства запуска ТГ 9. Рабочая полость каждого газового переключателя соединена с камерой ТГ газоходом 6.
Рис. 3. Принципиальная схема ТГ: 1 - блок ТГ; 2 - газоход; 3 - ресивер; 4 - выходной газоход; 5 - газовый переключатель (ГП); 6 - газоход связи ТГ с ГП; 7 - сигнализатор давления; 8 - блок управления включением ТГ; 9 - устройство запуска ТГ; 10 - газовый привод
Схема, поясняющая работу газового переключателя 5 в рабочем открытом и закрытом состояниях ТГ, когда Рг > Рн и Рр < Рн , представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема состояния газового переключателя в процессе работы ТГ: а - Рг ■ АП > сПР ■ Xо; б -Рг ■ Ап < Спр ■ Х о:
1 - корпус ГП; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - рабочий канал; 5 - газоход ТГ; 6 - дренажный канал; 7 - пружина; 8 - нижний упор; 9 - верхний упор; 10 - газоход
98
Газовый переключатель ТГ состоит из камеры 1, в которую установлен подпружиненный поршень 2 со штоком 3. В средней части штока выполнено рабочий канал 4 с сечением, равным проходному сечению газохода 5. В нижней части штока выполнено дренажный канал 6 для стравливания газа из ТГ. Верхнее и нижнее положения поршня и штока ограничено упорами 8, 9. Поршневой объём ГП связан с газоходом ТГ5 через газоход 10. Пружина 7 клапана имеет жёсткость Сдр , обеспечивающую при действии давления газа из камеры ТГ на площадь поршня при р > Рн положение рабочего канала 4 в штоке, совпадающее с проходным сечением газохода 5 (рис. 5,б). После окончания работы ТГ и падения давления ниже давления настройки клапана (РГ < Рн ) давление возвращает поршень со штоком в положение, при котором проходное сечение газохода 5 перекрывается затворной частью штока 3 (рис. 5,а). В результате перекрытия газохода 5 камера ТГ отсекается от коллектора, а дренажное отверстие 6 клапана, выполненное в штоке 3, совмещаясь с проходным сечением газохода 5, соединяет газовую полость ТГ с выхлопным каналом 8. Через канал 8 происходит стравливание остаточного давления из камеры ТГ в процессе догорания топлива в окружающую среду.
Рис. 5. Subsystem последовательного подключения ТГ к ресиверу с использованием двух сигнализаторов давления (СД)
Принцип работы блока ТГ (см. рис. 2) заключается в следующем. По команде от системы управления 8 импульс тока поступает на устройство запуска 9 ТГ1. Образовавшееся в процессе запуска давление на уровне давления срабатывания клапана переключения 5 перемещает поршень со штоком в положения открытия газохода 2. Газ через газоход 4 поступает на вход газовых рулевых машин 10. После окончания работы ТГ1 давление в камере падает ниже давления срабатывания сигнализатора давления 7,
99
что приводит к перекрытию газохода клапаном переключения 5, а в системе управления 8 - к замыканию контактов сигнализатора, установленных в электрической цепи подачи импульса от источника тока на устройство запуска 9 ТГ2. Далее последовательность действия газовой автоматики блока ТГ и системы управления повторяются для ТГ3 до реализации полного времени работы привода. В силу отсутствия необходимости подключения очередного ТГ сигнализатор давления не устанавливается в газоход ТГ3.
Для проверки работоспособности предлагаемого технического решения задачи и осуществления длительной работы ТГ путём применения конструктивных элементов и средств аппаратной автоматики системы управления используются базовые соотношения, описывающие работу ТГ, и математическое моделирование процессов с помощью типовых блоков среды инженерных приложений БМиНпк программы Маг1аЪ для реализации логических операций переключения ТГ.
Процессы в каждом ТГ описываются уравнениями сохранения массы - баланса секундного массового прихода и расхода газа и состояния газа в камере сгорания твёрдого топлива в соответствии с выражениями [4]
йт1 . . с А и Р1+п с —0 йР
—L = т1 — тпягх = щ -у-& ■ Р — А ■ Р1 о---« ■ 5 =—0---,
Ж 1 расх 1 ' 11 1 Я ■ Т 1 Я ■ Т Ж
где т 1 - массовый приход газа ТГ; т расх - массовый расход в газовую полость заряда ТГ, затрачиваемый на заполнение увеличивающегося объёма от выгорания топлива и течение газа через сопло струйной трубки газового распределителя РМ; иц- коэффициент чувствительности скорости горения к окружающей температуре; Р - давление газа; V - показатель степени в законе горения топлива; у - удельный вес топлива; 5 - площадь горения; А - коэффициент истечения газа через сечение клапана; о - площадь проходного сечения струйной трубки; Я - удельная газовая постоянная; Т- температура газа; —0 - начальный объем камеры сгорания ТГ.
Аналогичные уравнения описывают работу второго и третьего ТГ2,
ТГ3.
Так как в схеме блока ТГ присутствует ресивер, то дифференциальные уравнения, описывающие работу всех ТГ, следует дополнить уравнением баланса массового секундного прихода и расхода газа в ресивер:
т + т&2 + тз — тр = щ -у-& ■ + «1 -у-&2 ■ Р2 + и1 -у-5з ■ Р$ — А-Рр ■о=-—р- ■ ,
Я ■ Т йг
где Vр - объём ресивера; Рр - давление в ресивере перед проходным сечением струйной трубки О = Ор = Отг .
Практика математического моделирования динамики движения изделий определённого класса показывает, что максимальные возмущающие воздействия характерны на участках старта и конечном участке полёта при длительном (~900 с) времени работы привода. На отмеченных участках
100
движения максимальная мощность от привода требуется в начальные 200 с работы и на конечном двухсотсекундном интервале движения изделия. На пятисотсекундном интервале между начальным и конечным участками работы полёт изделия проходит при слабовозмущённом движении и привод удерживает орган управления практически без его движения при действии момента нагрузки М на уровне ~ М = 0,2 • Мтах.
С учётом отмеченной особенности загрузки привода рассмотрим возможность в блоке ТГ использования на интервале полёта изделия от 200 до 700 с. ТГ меньшей мощности при его работе с более низким давлением в камере.
Предполагаемая временная диаграмма последовательности работы трёх ТГ заложена в качестве исходных данные математической модели решения дифференциальных уравнений, описывающих работу ТГ, в режиме последовательного подключения к работе ТГ1 газогенераторов ТГ2 и ТГ3, представленной на рис. 5,а. Следует отметить, что ТГ1 и ТГ3 выбраны одинаковыми по своим внутрибаллистическим параметрам с давлением 87 кг/см2 и временем работы 200 с, а ТГ3 - с давлением 30 кг/см2 и временем работы 500 с. Кроме указанных данных и временной диаграммы в исходных данных использованы следующие параметры:
2 2 2 а1 = а2 = а3 = ар = 0,023 см2 , Я1 = £3 = 60 см2, £2 = 40 см2, и1 = 0,012,
А = 8,85 • 10-3 с-1, Рср1 = 80 кг/см2, Рср2 = 28 кг/см2, У0 = 700 см3,
УР = 600 см3, у = 1,55 • 10-3 кг/см3, Я = 4000 кг-см/(кг-К), Т = 1200 К.
Представленная на рис. 5 общая схема математической модели последовательной работы ТГ состоит из трёх блоков ТГ, двух логических блоков, воспроизводящих работу сигнализаторов давления, установленных в ТГ1 и ТГ2 и ресивера с суммарным проходным сечением струйных трубок РМ.
Результаты моделирования процессов последовательного подключения трёх ТГ к ресиверу со струйной трубкой представлены нарис. 6, 7 и 8.
: : I »«>1
/.......... Л.. ___________:' ________1-Я -
/ ■■ т пЛ £.........
ТГЗ :
:
:
тгг * ...........г...........
:
------------ ............'............ ........... ........... ............ ...........•» ...........'............
О 10« 300 300 400 500 ООО Г00 8 00 «00
I в
Рис. 6. График суммарный Р($ последовательной работы трёх ТГ
101
Рис. 7. Участок Р($ в момент отключения ТГ1 и включения ТГ2 на 200 с
Рис. 8. Участок Р(1) в момент отключения ТГ2 и включения ТГ3 на 700 с
Выводы
1. Предложено техническое решение, обеспечивающее с учётом функциональных и аппаратных средств бортовой системы управления возможность компоновки в габаритах ракеты ТГ при выполнении требования по допустимому отношению длины к диаметру заряда для реализации длительной работы в составе привода.
2. Предложено конструктивное исполнение клапана переключения ТГ, отсекающего ТГ от входа в газовую магистраль привода на горячем газе и подключающего ТГ к магистрали сброса газа на участке окончания работы заряда и падения давления.
3. Средствами математического моделирования подтверждена возможность реализации длительного времени работы привода на горячем газе при последовательном подключении ТГ командами, поступающими от сигнализаторов давления, срабатывание которых на участках падения давления в ТГ обеспечивает замыкание контактов в электрической цепи запуска очередного ТГ и его включение.
102
Список литературы
1. Чащин В.А. Пневмоавтоматика и пневмопривод летательного аппарата, М.: МАИ-ПРИНТ, 2009, 204 с.
2. Лалабеков В. И., Самсонович С. Л. Выбор расходно-перепадной характеристики гидравлического клапана-регулятора давления газогидравлического привода летательного аппарата // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 4. С. 207-217.
3. Шишков А.А., Румянцев Б.В. Газогенераторы ракетных систем. М.: Машиностроение, 1981.
4. Лалабеков В.И., Прилипов А.В. Газогидравлические приводы органов управления летательных аппаратов. Основы разработки. М.: ФГУП "НТЦ" Информтехника", 2012. 279 с.
Ермаков Сергей Александрович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Лалабеков Валентин Иванович, д-р техн. наук, проф., lalabe-kov. [email protected], Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Самсонович Семен Львович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Чащин Владислав Алексеевич, канд. техн. наук, доц., tva@,otdel1.org, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
ON THE POSSIBILITY OF INCREASING WORKING TIME SOLID PROPELLANT GAS GENERATORIN THE COMPOSITION OF THE ACTUATORS OF THE AIRCRAFT
S. A. Ermakov, V.I. Lalabekov, S.L. Samsonovich, V.A. ChasMn
The proposed technical solution providing subject to functional and hardware features on-Board system control the possibility o f layout the dimensions o f the rocket TG i f the requirements on the permissible ratio of length to diameter of the charge to implement a long operation in the drive.
Key words: gas and gas-hydraulic actuated, solid-gas generator, steering gear, axial piston motor-pump unit, gas switch, pressure switch, receiver.
Ermakov Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Lalabekov Valentin Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, lalabekov. valentin@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Samsonovich Semen Lvovich, doctor of technical sciences, professor, samsono-vich40@ mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Chaschin Vladislav Alexeevich, candidate of technical sciences, professor, tvaaotdelI. org, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 629.7.058.4
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ БОРТОВОГО ПРИБОРА
В.В. Шеваль
Показаны особенности систем автоматического сопровождения динамичных объектов бортовыми оптическими приборами по сравнению с системами стабилизации пространственного положения таких приборов. Проанализированы возможные структуры систем управления направлением поля зрения бортового оптического прибора и систем управления пространственным положением квадрокоптера. Предложена перспективная структура комплексной системы управления на основе локальных систем управления оптического прибора и квадрокоптера, соответствующая структурам двухканальных следящих систем.
Ключевые слова: автоматическое сопровождение, структура, объединение следящих приводов, многомерные системы управления, квадрокоптер.
В настоящее время широкое распространение получили авиационные комплексы (АК) на основе оптических приборов различного назначения, размещенных на борту мультикоптеров, например, квадрокоптеров. Квадрокоптеры (КК) обладают рядом преимуществ - надежность и простота конструкции, большая стабильность, компактность и маневренность, малая взлетная масса при существенной массе полезной нагрузки. Среди различных областей использования бортовых оптических приборов (БОП), размещенных в кардановом подвесе для придания им дополнительных степеней свободы относительно самого КК, можно отметить следующие: получение фото- и видеоизображений (применяется при обзорном наблюдении, в строительстве, архитектуре, в областях, связанных с кинематографом и средствами массовой информации, в специальных задачах), обеспечение проведения инерциальных навигационных измерений, реализация неавтономных методов решения задач навигации на основе использования внешних ориентиров. При этом движение КК осуществляется по заранее известной траектории с обеспечением угловой стабилизации КК.
