Способ адаптивной настройки контролируемых параметров системы аварийной защиты жидкостного ракетного двигателя на первое огневое испытание Российский патент 2023 года по МПК F02K9/38 F02K9/96 B64G1/52 F02K9/00 

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в ракетной технике в качестве системы аварийной защиты (САЗ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Основной задачей САЗ при проведении огневых испытаний ЖРД является обеспечение безопасности проведения огневых испытаний двигателя путем формирования команды на аварийное выключение двигателя (АВД) при выходе контролируемых параметров САЗ за допустимые границы.

Широко известно, что первое огневое испытание двигателя проводится по заданному профилю изменения тяги с конкретными фиксированными временными значениями. Настройка САЗ осуществляется по каждому контролируемому параметру САЗ применительно к режимам работы двигателя (запуск, основной и дросселированные режимы), при этом предельные значения контролируемых параметров САЗ назначаются исходя из температурных и силовых нагрузок, действующих на двигатель, которые могут привести к разрушению конструкции («Функциональная диагностика ЖРД в режиме реального времени» Д.С. Мартиросов, А.И. Коломенцев. Авиационно-космическая техника и технология, 2012 №7).

Недостатком такого подхода к назначению предельных значений контролируемых параметров САЗ состоит в том, что он приводит к резкому расширению границ контролируемых параметров САЗ, что в свою очередь может привести к пропуску начала развития аварийной ситуации на двигателе.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, с помощью которого по математической модели двигателя можно производить адаптивную настройку контролируемых параметров САЗ ЖРД при первом огневом испытании двигателя, применительно ко всем режимам работы двигателя (тяга), включая переходные режимы (режим форсирования и дросселирования).

Эта задача решена за счет того, что в способе адаптивной настройки контролируемых параметров САЗ ЖРД на первое огневое испытание двигателя по результатам модельных испытаний пяти агрегатов двигателя осуществляют корректировку математической модели двигателя вводя в нее значения перепадов давления на смесительной головке газогенератора по линиям окислителя и горючего, характеристику расходного комплекса турбины, степень реактивности у корня и коэффициент полезного действия турбины, диаметр критического сечения камеры, перепады давления на форсуночной головке и по тракту охлаждения камеры, мощностные и напорные характеристики насосов окислителя и горючего, далее по заданным циклограммам изменения тяги и массового соотношения компонентов топлива двигателя в процессе проведения первого огневого испытания определяют значения тяги и по заданным значениям тяги рассчитывают значения контролируемых параметров САЗ при номинальном значении массового соотношения компонентов топлива, при максимальных и минимальных значениях массового соотношения компонентов топлива определяют ожидаемую зависимость расчетных значений контролируемых параметров САЗ от заданной тяги двигателя, учитывающую изменения массового соотношения компонентов топлива по формуле (1)

где КП_ОЖ - ожидаемое значение контролируемых параметров САЗ;

К10, К00, К11 - коэффициенты уравнения; R -тяга, безразмерная величина

ΔКМ - отклонение массового соотношения компонентов топлива, безразмерная величина

далее для каждого заданного режима работы двигателя по полученной формуле (1) определяют ожидаемые значения контролируемых параметров САЗ и по этим значениям указанных параметров определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки САЗ ЖРД на первое огневое испытание двигателя.

Другими отличиями являются:

- для каждого заданного режима работы двигателя отклонения контролируемых параметров САЗ при отклонении массового соотношения компонентов топлива определяют по формуле:

где КП_КМ - отклонение контролируемых параметров САЗ при отклонении массового соотношения компонентов топлива;

- в качестве контролируемых параметров САЗ используют следующие параметры: обороты (частота вращения), температура, перемещение и давление.

Пример осуществления способа.

В качестве примера способа настройки параметров САЗ ЖРД на первое огневое испытание рассмотрим огневое стендовое испытание двигателя, проведенного в АО «НПО Энергомаш», которое завершилось аварийным остановом двигателя. Аварийный останов произошел на 61,84 с из-за того, что был реализован не заданный режим работы двигателя. Покажем, что эту ситуацию можно было парировать адаптивной настройкой САЗ ЖРД по контролируемому параметру СА3-обороты (частота вращения) вала турбонасосного агрегата (КПВ).

Для осуществления адаптивной настройки одного из контролируемых параметров СА3-КПВ на первое огневое испытание двигателя математическую модель двигателя корректируют по результатам модельных испытаний агрегатов, предназначенных для данного экземпляра двигателя. Математическая модель двигателя корректируется по следующим агрегатам:

- камера сгорания (диаметр критического сечения камеры, перепад давления на форсуночной головке, перепад давления по тракту охлаждения камеры);

- газогенератор (перепады давления на смесительной головке газогенератора по линиям окислителя и горючего);

- турбина (характеристика расходного комплекса, степени реактивности у корня, коэффициент полезного действия);

- насос окислителя (мощностная и напорная характеристики);

- насос горючего (мощностная и напорная характеристики).

По заданным циклограммам изменения тяги и массового соотношения компонентов топлива двигателя во время проведения первого огневого испытания (фиг. 1), определяют значения тяги, для которых необходимо провести расчет КПВ.

По откорректированной математической модели двигателя, для каждого заданного значения тяги, рассчитывают расчетное значение КПВ при номинальном значении массового соотношения компонентов топлива и при максимальных значениях массового соотношения компонентов топлива.

В таблице 1 приведены заданные значения тяги, в соответствии с циклограммой изменения тяги (проведения испытания), и расчетные значения КПВ для каждого значения тяги при номинальном значении массового соотношения компонентов топлива.

На фиг. 2 для всех режимов работы двигателя приведена ожидаемая зависимость расчетных значений КПВ от заданных значений тяги, при этом полученную зависимость ожидаемых значений КПВ от тяги определяют по формуле 1.

где КПВ_ОЖ - ожидаемое значение КПВ;

R - относительная тяга.

В таблице 2 для заданных значений тяги, на которых происходят отклонения массового соотношения компонентов топлива, приведены расчетные значения КПВ для каждого значения тяги при номинальном значении массового соотношения компонентов топлива (КПВ при КМном) и при максимальных отклонениях массового соотношения компонентов топлива от номинального значения (КПВ при +КМ и КПВ при -КМ).

Затем, для каждого режима тяги, приведенного в таблице 2, определяют разность КПВ при отклонении массового соотношения компонентов топлива от номинального значения и определяют зависимость.

Зависимость, учитывающая изменение КПВ при отклонении массового соотношения компонентов топлива от номинального значения определена формулой (2).

где ΔКПВ_КМ - разность КПВ при отклонении массового соотношения компонентов топлива от номинального значения;

ΔКМ - отклонение массового соотношения компонентов топлива от номинального значения.

Ожидаемая зависимость расчетных значений КПВ от заданных значений тяги, которая учитывает отклонения массового соотношения компонентов топлива от номинального значения (КПВ_ОЖ_КМ) описана формулой (3).

В соответствии с заданной циклограммой изменения тяги определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки системы аварийной защиты по КПВ.

Затем по полученной формуле (3), и по формулам (4) и (5) определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки системы аварийной защиты по КПВ для заданных режимов работы двигателя. Значения КПВ, определенные по формулам (3), (4) и (5) для различных уровней тяги сведены в таблицу 3.

где КПВ_НН - верхнее предельные значения КПВ;

КПВ_LL - нижние предельные значения КПВ;

ΔКПВ - отклонение КПВ от ожидаемых значений КПВ.

Значение ΔКПВ равно 796 об/мин и определено исходя из:

- статических разбросов контролируемых параметров работы ЖРД в зависимости от внутридвигательных факторов, определяемых особенностями изготовления ЖРД;

- необходимых гарантийных запасов на выбросы параметров, не допускающих формирование ложной команды АВД.

На фиг. 3 в интервале времени с 3 по 14 с приведено пересечение контролируемым параметром КПВ адаптивного предельного верхнего порогового значения КПВ.

Как видно из фиг. 3, команда на авариное выключение двигателя могла быть сформирована начиная с 10,10 с, то есть раньше срабатывая штатной САЗ ЖРД на 51,38 с.

Такое решение позволяет провести адаптивную настройку контролируемых параметров САЗ ЖРД, то есть адаптировать предельные верхние и нижние пороговые значения к конкретному экземпляру двигателя, что в свою очередь позволит определит на более раннем этапе начало развития аварийной ситуации на двигателе.

Промышленное применение.

Данное изобретение может применятся для настройки системы авариной защиты ЖРД на первое огневое испытание двигателя.

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в ракетной технике в качестве системы аварийной защиты (САЗ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Адаптивную настройку контролируемых параметров САЗ ЖРД осуществляют при первом огневом испытании двигателя по результатам пяти агрегатов двигателя – газогенератор, турбина, камера сгорания, насос окислителя и насос горючего. Осуществляют корректировку математической модели двигателя, вводя в нее наиболее значимые значения параметров. Определяют ожидаемую зависимость расчетных значений контролируемых параметров САЗ от заданной тяги двигателя. Для каждого заданного режима работы двигателя определяют ожидаемые значения контролируемых параметров САЗ и по этим значениям определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки САЗ ЖРД на первое огневое испытание двигателя. Изобретение позволяет определить на раннем этапе начало развития аварийной ситуации на двигателе. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Способ адаптивной настройки контролируемых параметров системы аварийной защиты (САЗ) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) на первое огневое испытание двигателя, характеризующийся тем, что по результатам модельных испытаний пяти агрегатов двигателя осуществляют корректировку математической модели двигателя, вводя в нее значения перепадов давления на смесительной головке газогенератора по линиям окислителя и горючего, характеристику расходного комплекса турбины, степень реактивности у корня и коэффициент полезного действия турбины, диаметр критического сечения камеры, перепады давления на форсуночной головке и по тракту охлаждения камеры, мощностные и напорные характеристики насосов окислителя и горючего, далее по заданным циклограммам изменения тяги и массового соотношения компонентов топлива двигателя в процессе проведения первого огневого испытания определяют значения тяги и по заданным значениям тяги рассчитывают значения контролируемых параметров САЗ при номинальном значении массового соотношения компонентов топлива, при максимальных и минимальных значениях массового соотношения компонентов топлива определяют ожидаемую зависимость расчетных значений контролируемых параметров САЗ от заданной тяги двигателя, учитывающую изменения массового соотношения компонентов топлива по формуле (1)

где КП_ОЖ - ожидаемое значение контролируемых параметров САЗ;

К10, К00, К11 - коэффициенты уравнения;

R - тяга, безразмерная величина;

ΔКМ - отклонение массового соотношения компонентов топлива, безразмерная величина,

далее для каждого заданного режима работы двигателя по полученной формуле (1) определяют ожидаемые значения контролируемых параметров САЗ и по этим значениям указанных параметров определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки САЗ ЖРД на первое огневое испытание двигателя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для каждого заданного режима работы двигателя отклонения контролируемых параметров САЗ при отклонении массового соотношения компонентов топлива определяют по формуле:

где КП_КМ - отклонение контролируемых параметров САЗ при отклонении массового соотношения компонентов топлива.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве контролируемых параметров САЗ используют следующие параметры: обороты или частота вращения, температура, перемещение и давление.