КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОВАНИЕМ ТОПЛИВА РАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С МНОГОКРАТНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ И КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОВАНИЕМ ТОПЛИВА Российский патент 2013 года по МПК B64G1/24 F02K9/56 

Предлагаемые способ управления расходованием компонентов топлива и система для его реализации могут быть использованы в ракетной технике и предназначены для управления расходованием компонентов двухкомпонентного жидкого топлива в процессе полета разгонного блока с многократным включением маршевого жидкостного ракетного двигателя.

Из литературы известен способ управления расходованием компонентов топлива ракетной двигательной установки с многократным включением, заключающийся в поддержании заданного соотношения секундных расходов компонентов топлива из баков с использованием непрерывной информации с датчиков объемных секундных расходов компонентов топлива, установленных в магистралях подачи компонентов топлива (см., например, книгу: М.В. Добровольский «Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования», М., изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г., стр.318-324).

Известна система управления расходованием двухкомпонентного топлива непрерывного типа, реализующая указанный выше способ управления, содержащая датчики секундных расходов компонентов топлива, установленные в магистралях подачи, счетно-решающее устройство, обрабатывающее сигналы с датчиков секундных расходов и формирующее управляющие воздействия на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива, и упомянутый дроссель (см. тот же источник). Результатом работы системы является обеспечение номинального соотношения массовых секундных расходов компонентов топлива (параметра K_m).

Рассмотренные способ и система управления расходованием компонентнов топлива непрерывного типа имеют ряд недостатков. Поскольку датчики расходов определяют объемные секундные расходы компонентов топлива, то для оценки параметра K_m должна производиться температурная коррекция показаний таких датчиков. Поддержание номинального массового соотношения секундных расходов компонентов топлива не позволяет парировать погрешность заправки баков компонентами топлива (отличие реально заправленных доз компонентов топлива от номинальных значений), то есть приводит к увеличению невырабатываемых остатков компонентов топлива в баках на величину этой погрешности. Кроме того, существенная нелинейность зависимостей секундных расходов компонентов топлива от управляющих воздействий на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива требует ввести в алгоритм управления расходованием компонентов топлива ряд констант, при определении которых возникают дополнительные погрешности вычисления управляющих воздействий на дроссель. Определение фактических значений этих констант для конкретного экземпляра двигателя по результатам его испытаний является сложной задачей. Значения таких констант существенно отличаются для различных экземпляров двигателя и претерпевают существенное изменение при изменении режимов работы двигателя.

Из технической литературы известны также способ и система опорожнения баков, основанные на дискретном измерении уровней компонентов топлива в баках. Датчики уровня компонентов топлива выдают сигнал о прохождении заданных уровней компонентов топлива в счетно-решающий прибор, который вычисляет соотношение секундных расходов компонентов топлива, необходимое для одновременного опорожнения баков, вычисляет и выдает соответствующие управляющие сигналы на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива, который изменяет секундный расход одного из компонентов топлива (см., например, книгу: М.В. Добровольский «Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования», М, изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г., стр.322-323).

Такие системы позволяют парировать погрешности заправки баков компонентами топлива, не требуют настройки по результатам испытаний маршевого жидкостного ракетного двигателя и позволяют получить прогноз момента одновременного опорожнения баков. К недостаткам систем с непосредственным измерением уровня компонентов топлива в баках можно отнести наличие интервала времени, в течение которого невозможно регулирование соотношения секундных расходов компонентов топлива. Этот интервал может составлять от 10% до 20% полного времени работы системы. Системы опорожнения баков, основанные на дискретном измерении уровней компонентов топлива в баках, не позволяют определить текущее значение параметра K_m (соотношение массовых секундных расходов компонентов топлива), что вносит погрешность в прогнозирование момента одновременного опорожнения баков. Наличие слоя паровых включений у поверхности криогенного компонента топлива, особенно водорода, приводит к повышенным погрешностям регулирования и прогнозирования.

Решение задач управления расходования топлива на криогенном разгонном блоке должно выполняться с учетом особенностей его функционирования. В частности, особенностью кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей является существенная зависимость удельного импульса (основного параметра эффективности) от соотношения массовых секундных расходов компонентов топлива - параметра K_m. В этом случае изменение параметра K_m, потребное для обеспечения одновременной выработки компонентов топлива, может вызывать заметное снижение удельного импульса двигателя, что приведет к потерям в энергетических характеристиках разгонного блока.

Задачей предлагаемых изобретений является создание комбинированного способа управления расходованием топлива ракетной двигательной установки с многократным включением и комбинированной системы управления расходованием топлива с достижением технического результата - обеспечение оптимальных параметров маршевого ракетного двигателя, использующего жидкие компоненты топлива, и минимальных остатков компонентов топлива в баках. Следствием решения поставленной задачи является уменьшение конечной массы собственно двигательной установки и соответствующее увеличение массы полезной нагрузки разгонного блока, а также повышение надежности ракетной двигательной установкой вследствие частичного дублирования средств управления.

Предлагаемый комбинированный способ управления расходованием топлива предполагает объединение непрерывного и дискретного принципов измерения секундного расхода компонентов топлива в единой системе. Это позволяет соединить преимущества рассмотренных выше способов и избавиться от их недостатков, а также получить положительный результат, превышающий простой суммарный эффект.

Эта задача решается тем, что в комбинированном способе управления расходованием компонентов топлива ракетной двигательной установки с многократным включением, заключающемся в поддержании заданного соотношения секундных расходов компонентов топлива из баков на основании непрерывной информации с установленных в магистралях подачи датчиков объемных секундных расходов компонентов топлива, в соответствии с изобретением дополнительно получают прямую информацию о запасах компонентов топлива в баках, выданную дискретными датчиками уровня, обрабатывают эту информацию в соответствии с алгоритмом управления расходованием компонентов топлива, определяя дискретные производные запасов компонентов топлива в баках по времени по измерениям двух смежных измерительных точек дискретных датчиков уровня и, прогнозируя на основании этих данных моменты опорожнения баков, задают соотношение секундных расходов компонентов топлива из баков таким образом, чтобы обеспечить одновременное опорожнение баков.

Эта задача решается также и тем, что комбинированная система управления расходованием компонентов топлива, содержащая датчики секундных расходов компонентов топлива, установленные в магистралях подачи, вычислительное устройство, обрабатывающее сигналы с датчиков секундных расходов и формирующее команды на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива, и упомянутый дроссель с блоком управления, в соответствии с изобретением дополнительно содержит дискретные датчики уровней компонентов топлива, установленные в баках, усилительно-преобразовательное устройство сигналов с дискретных датчиков, формирующее сигналы о прохождении уровнями компонентов топлива чувствительных элементов соответствующих датчиков, усилительно-преобразовательное устройство сигналов датчиков секундных расходов компонентов топлива, преобразующее сигналы с датчиков в цифровые коды, соответствующие измеренной величине объемных секундных расходов компонентов топлива, датчики температур обоих компонентов топлива с усилительно-преобразовательным устройством, формирующим температурную поправку к показаниям датчиков секундного расхода, вычислительное устройство, осуществляющее обработку информации с перечисленных усилительно-преобразовательных устройств, и формирующее через блок управления сигнал на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива.

Далее предлагаемый способ и система поясняются более подробно с использованием графического материала.

На фиг.1 показана блок-схема предлагаемой комбинированной системы управления расходованием топлива, которая имеет два контура управления. Малый контур управления обеспечивает поддержание заданного соотношения секундных расходов компонентов топлива из баков на основе непрерывной информации. Требуемое соотношение секундных расходов компонентов формируют в другом, внешнем контуре управления, на основе дискретной информации об уровнях (запасах) компонентов топлива в баках. Комбинированная система состоит из следующих функциональных блоков (см. фиг.1).

1. Непрерывный измерительный тракт:

1.1. Датчики секундных расходов компонентов топлива ДРО и ДРГ, установленные в магистралях подачи компонентов топлива к двигателю;

1.2. Усилительно-преобразовательное устройство (УПДР) сигналов с датчиков расхода ДРО и ДРГ, преобразующее сигналы с датчиков в цифровые коды N₀ и N_r, соответствующие измеренной величине объемных секундных расходов компонентов топлива;

1.3. Датчики температуры компонентов топлива ДТО и ДТГ с усилителем-преобразователем сигнала УПДТ, формирующим температурную поправку к показаниям датчиков расхода.

2. Дискретный измерительный тракт:

2.1. Дискретные датчики уровней компонентов топлива ДЦУ-О и ДДУ-Г, установленные в баках разгонного блока;

2.2. Усилительно-преобразовательное устройство УПДД сигналов с дискретных датчиков, формирующее сигнал логической «1» о прохождении уровнем компонента топлива чувствительного элемента соответствующего датчика.

3. Вычислительное (счетно-решающее) устройство, реализующее алгоритм управления расходованием компонентов топлива и формирующее управляющие сигналы U на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива.

4. Блок управления БУШП дросселем соотношения секундных расходов компонентов топлива.

5. Дроссель соотношения секундных расходов компонентов топлива, являющийся исполнительным органом комбинированной системы управления расходованием топлива.

Итак, базируясь на предлагаемой комбинированной системе управления расходованием топлива, предлагаемый комбинированный способ управления расходованием топлива ракетной двигательной установки, использующей двухкомпонентное жидкое топливо, реализуется следующим образом:

- получают прямую информацию о запасах компонентов топлива в баках, выданную дискретными датчиками уровня;

- обрабатывают эту информацию в соответствии с алгоритмом управления расходованием компонентов топлива, определяя дискретные производные запасов компонентов топлива в баках по времени по измерениям двух смежных измерительных точек дискретных датчиков уровня и прогнозируя на основании этих производных моменты опорожнения баков;

- задают соотношение секундных расходов компонентов топлива из баков таким образом, чтобы обеспечить одновременное опорожнение баков;

- поддерживают с помощью соответствующих команд на дроссель заданное соотношение секундных расходов компонентов топлива из баков на основании непрерывной информации с установленных в магистралях подачи датчиков объемных секундных расходов и температур компонентов топлива.

Данный подход актуален при управлении расходованием компонентов топлива в двигательной установке кислородно-водородного разгонного блока. В этом случае использование информации с датчиков расхода и температуры компонентов топлива при оценке производных запасов компонентов топлива по времени позволяет значительно снизить влияние на результат управления погрешностей измерения датчиками уровней текущих запасов водорода, а также погрешностей расчетных зависимостей плотности водорода от температуры и давления. Положительный эффект достигается за счет комбинирования в алгоритме управления информации от двух независимых источников - датчиков уровня и датчиков объемных секундных расходов компонентов топлива. Наличие датчиков уровня компонентов топлива позволяет также исключить из невырабатываемых остатков компонентов топлива составляющую, предназначенную для компенсации погрешности заправки компонентов топлива в баки.

Преимущество комбинированной системы управления расходованием топлива показано на фиг.2 и на фиг.3. На фиг.2 показаны результаты математического моделирования процесса управления расходованием топлива в системе управления расходованием топлива непрерывного типа, не оснащенной датчиками уровня компонентов топлива в баках, а на фиг.3 - результаты математического моделирования процесса управления расходованием топлива с использованием комбинированной системы.

На фиг.2 показано, что величины параметров δK_m (относительное отклонение соотношения секундных расходов компонентов топлива от номинала) и δK_дросс (отклонение положения дросселя соотношения секундных расходов компонентов топлива от номинала) определяются только погрешностями датчиков объемных секундных расходов компонентов топлива. В результате соотношение секундных расходов компонентов топлива K_m мало отличается от номинального значения и рассогласование уровней компонентов топлива ΔG_j растет, увеличивая невырабатываемые остатки компонентов топлива в баках.

В комбинированной системе (фиг.3) после прохождения нескольких верхних точек дискретных датчиков уровня компонентов топлива в баках начинается управление дросселем соотношения секундных расходов компонентов топлива с использованием результатов измерений уровня компонентов топлива в баках. В результате обеспечивается практически полное устранение начального рассогласования запасов компонентов топлива (ΔG_j→0).

Предварительные результаты статистического моделирования показывают, что при использовании предлагаемой комбинированной системы управления расходованием топлива показатели точности по конечному рассогласованию (разности) относительных остатков компонентов топлива могут быть улучшены с величины 1,8% до 0,5% от номинальных рабочих запасов компонентов топлива. Таким образом, невырабатываемые остатки компонентов топлива, входящие в конечную массу разгонного блока, могут быть уменьшены на 1,3% рабочего запаса, что для современных разгонных блоков составляет величину порядка 250 кг массы полезной нагрузки.

Группа изобретений относится к ракетной технике и предназначена для формирования управляющих команд на средства регулирования секундного расхода компонентов топлива в процессе полета разгонного блока. Способ заключается в поддержании заданного соотношения секундных расходов компонентов топлива из баков на основании непрерывной информации с датчиков секундных расходов компонентов топлива. При этом определяют дискретную производную запаса топлива по времени по измерениям двух смежных измерительных точек дискретных датчиков уровней компонентов топлива в баках. Система включает в себя датчики секундных расходов компонентов топлива, установленные в магистралях подачи и передающие сигналы на счетно-решающее устройство, а оттуда - на органы регулирования. Система дополнительно содержит дискретные датчики уровней компонентов топлива, установленные в баках изделия. Имеются усилительно-преобразовательное устройство сигналов с дискретных датчиков, формирующее на своих выходах сигнал логической «1» в момент фиксации прохождения уровнем жидкости чувствительного элемента соответствующего датчика, и усилительно-преобразовательное устройство сигналов датчиков секундных расходов окислителя и горючего, преобразующее сигналы с датчиков в цифровой код, соответствующий измеренной величине объемных секундных расходов компонентов топлива. Датчики температур обоих компонентов топлива подключены к усилителю-преобразователю сигнала, формирующему температурную поправку к показаниям датчиков секундного расхода. Вычислительное устройство осуществляет обработку информации с усилительно-преобразовательных устройств и через блок управления формирует команду на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива. Группа изобретений обеспечивает оптимальные параметры маршевого жидкостного ракетного двигателя и минимальных остатков топлива. Как следствие, уменьшаются вес собственно двигательной установки и увеличивется вес полезной нагрузки. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комбинированный способ управления расходованием компонентов топлива ракетной двигательной установки с многократным включением, заключающийся в поддержании заданного соотношения секундных расходов компонентов двухкомпонентного жидкого топлива из баков на основании непрерывной информации с установленных в магистралях подачи датчиков объемных секундных расходов компонентов топлива, отличающийся тем, что дополнительно получают прямую информацию о запасах компонентов топлива в баках, выданную дискретными датчиками уровня, обрабатывают эту информацию в соответствии с алгоритмом управления расходованием компонентов топлива, определяя дискретные производные запасов компонентов топлива в баках по времени по измерениям двух смежных измерительных точек дискретных датчиков уровня и задают соотношение секундных расходов компонентов топлива из баков с учетом показаний датчиков температур компонентов топлива таким образом, чтобы обеспечить одновременное опорожнение баков.

2. Комбинированная система управления расходованием компонентов топлива, содержащая датчики секундных расходов компонентов топлива, установленные в магистралях подачи, вычислительное устройство, обрабатывающее сигналы с датчиков секундных расходов и формирующее команды на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива, и упомянутый дроссель с блоком управления, отличающаяся тем, что дополнительно содержит дискретные датчики уровней компонентов топлива, установленные в баках, усилительно-преобразовательное устройство сигналов с дискретных датчиков, формирующее сигналы о прохождении уровнями компонентов топлива чувствительных элементов соответствующих датчиков, усилительно-преобразовательное устройство сигналов датчиков секундных расходов компонентов топлива, преобразующее сигналы с датчиков в цифровые коды, соответствующие измеренной величине объемных секундных расходов компонентов топлива, датчики температур обоих компонентов топлива с усилителем-преобразователем сигнала, формирующим температурную поправку к показаниям датчиков секундного расхода, вычислительное устройство, осуществляющее обработку информации с перечисленных усилительно-преобразовательных устройств и формирующее через блок управления команду на дроссель регулирования соотношения секундных расходов компонентов топлива.