СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ЖИДКОСТНОЙ РАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF CONTROLLING ROCKET FLUID-PROPELLANT ENGINE OPERATION

Изобретение относится к области ракетной техники и предназначено для регулирования режима работы жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ).
Известен способ регулирования режима работы ЖРДУ, заключающийся в вытеснении топлива из бака газом наддува, измерении давления по тракту подачи топлива в двигатель и изменении проходного сечения регулирующего органа в зависимости от измеренного давления (см. А.И.Бабкин, С.В.Белов, Н.Б.Рутовский, Е.В.Соловьев. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками. М.: Машиностроение, 1986 г., стр.25).
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что при его осуществлении не контролируется и не отслеживается величина кавитационного запаса давления, что не исключает снижения кавитационного запаса давления ниже допустимого и возникновения аварийной ситуации, связанной с возгоранием двигателя при кавитационном срыве насоса.
Для исключения указанного недостатка выбирают расчетное значение давления в баках ракеты таким, чтобы обеспечить наличие достаточного резерва по давлению кавитационного срыва на всех режимах эксплуатации двигателя. Однако это приводит к неоправданным дополнительным энергетическим затратам, связанным с увеличением прочности и веса баков, увеличением расхода газа наддува. Кроме того, наличие резерва давления в баках не исключает возникновения аварийной ситуации при различного рода неисправных состояниях системы питания и системы термостатирования, что приводит к потере работоспособности двигателя.
Известен способ регулирования режима работы ЖРДУ, заключающийся в вытеснении топлива из бака газом наддува, измерении давления по тракту подачи топлива в двигатель и изменении проходного сечения регулирующего органа, причем дополнительно определяют допустимые значения кавитационного запаса давления, измеряют давления и температуры компонентов топлива на входе и обороты вала турбонасосного агрегата (ТНА), определяют и фиксируют значение кавитационного запаса давления, сравнивают его с допустимой для данного режима величиной и при снижении кавитационного запаса давления ниже допустимого увеличивают проходное сечение органа, регулирующее расход газа наддува, вытесняющего компонент топлива в тракт подачи двигателя, а при дальнейшем снижении кавитационного запаса давления изменяют проходное сечение регулирующего органа двигателя до режима, обеспечивающего потребную величину кавитационного запаса давления (см. патент РФ №2180705, кл. F02К 9/56, 2002 г. - наиболее близкий аналог).
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что при его осуществлении определяют по измеренным параметрам величину кавитационного запаса давления, полученного при модельных проливках насоса, сравнивают ее с допустимым значением и при снижении кавитационного запаса давления ниже допустимой величины изменяют проходное сечение органа, регулирующего расход газа наддува, повышая давление в баке и обеспечивая потребный кавитационный запас двигательной установки.
5
Однако определение кавитационного запаса давления при реализации известного способа производится по срывной характеристике, полученной при модельных проливках насоса, комплектующего турбонасосный агрегат двигателя, с пересчетом на условия и режим работы двигательной установки при испытании или эксплуатации. Это обстоятельство приводит к существенным, (1…1.5)·10 Па, погрешностям определения действительного значения кавитационного запаса давления и возможности потери работоспособности из-за кавитационного срыва насоса или неоправданного увеличения расхода газа наддува и дополнительным энергетическим потерям.
Задачей данного изобретения является повышение точности регулирования ЖРДУ за счет исключения возможности кавитационного срыва насоса и потери работоспособности двигательной установки, а также повышение работоспособности двигателя, сокращение непроизводительных энергетических затрат за счет снижения величины давления в баках ракеты ЖРДУ и расхода газа наддува.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе регулирования режима работы жидкостной ракетной двигательной установки, заключающемся в изменении проходного сечения органа, регулирующего расход газа наддува в зависимости от кавитационного запаса давления насосов турбонасосного агрегата, новым является то, что дополнительно измеряют величину давлений компонентов топлива на выходе из насосов турбонасосного агрегата, определяют и фиксируют значение их приведенных напоров после выхода установки на режим, контролируют изменение величины приведенных напоров в процессе работы и при снижении значения приведенного напора насоса турбонасосного агрегата ниже зафиксированного устанавливают факт снижения кавитационного запаса давления ниже допустимого, после чего осуществляют увеличение проходного сечения регулирующего органа, увеличивая давление на входе в насос турбонасосного агрегата и обеспечивая потребный кавитационный запас давления насоса и безаварийный режим работы установки.
Эффект от применения предложенного способа достигается тем, что недопустимое снижение напора насоса из-за кавитационного срыва определяют не по результатам модельных проливок, условия проведения которых отличаются от условий работы насоса в составе двигательной установки при испытании на рабочих компонентах топлива, а при анализе измерений, проводимых при испытании или эксплуатации ЖРДУ.
5
Это позволяет существенно, на (1…1.5)·10 Па, сократить погрешность регулирования двигательной установки, снизить вероятность потери работоспособности и сократить неоправданные энергетические потери.
Заявленный способ может быть реализован посредством системы, представленной на схеме.
ЖРДУ 1 оснащена измерительным блоком 2, включающим датчики измерения основных параметров ЖРДУ. Блок 2 связан с входом вычислительного устройства 3, выходы которого связаны с корректирующим устройством 4 и запоминающим устройством 5. Вычислительное, корректирующее и запоминающее устройства 3, 4 и 5 являются блоками бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ). Газовые баллоны 6 ЖРДУ связаны с входами регуляторов 7 и 8 наддува. Входы данных регуляторов также связаны с выходом блока 4. Выходы регуляторов 7 и 8 связаны соответственно с баком 9 окислителя и баком 10 горючего. Выходы баков 9 и 10 связаны с входами в насосы ТНА.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
После выхода ЖРДУ 1 на режим главной ступени тяги посредством датчиков, установленных на ЖРДУ и связанных с помощью устройства сопряжения с измерительным блоком 2 БЦВМ, в течение 1-2 сек измеряют давление и температуру компонентов топлива на входе в насосы ТНА, обороты вала ТНА, давление на выходе из насосов ТНА.
По зависимости (1) вычисляют в вычислительном устройстве 3, являющемся блоком БЦВМ, значения приведенного напора насосов окислителя и горючего ТНА:
02
г2
где Р, Р - давление на выходе из насоса ТНА, соответственно окислителя и горючего;
01
г2
P, P- давление на входе в насос ТНА, соответственно окислителя и горючего;
0
01
г
г1
ρ(T), ρ(Т) - плотность окислителя и горючего;
n - обороты вала ТНА;
01
г1
(T), (Т) - температура на входе в насосы ТНА соответственно окислителя и горючего.
Режим работы двигательной установки в течение 1-2 сек после выхода на режим главной ступени характеризуется повышенным давлением на входе в насосы ТНА из-за практически полной заправки баков и высоким гидростатическим давлением и ограниченной величиной температуры компонентов топлива. Это обстоятельство гарантирует повышенный кавитационный запас давления насосов ТНА и позволяет принять вычислительные значения приведенных напоров в качестве контрольных.
Полученные значения приведенных напоров ТНА, рассчитанные по зависимости (1), запоминают в запоминающем устройстве 5, которое является блоком БЦВМ, и фиксируют в качестве контрольных .
Далее в процессе всей работы ЖРДУ продолжают измерения параметров и определение по зависимости (1) значения приведенных напоров насосов ТНА  в вычислительном устройстве 3 и передают их в корректирующее устройство 4, в котором осуществляется сравнение полученных в процессе испытания значений приведенных напоров насосов ТНА с контрольными значениями  поступающими из запоминающего устройства 5. При снижении значения приведенных напоров насосов ниже допустимых устанавливают факт снижения кавитационного запаса давления и увеличивают проходное сечение органа, регулирующего расход газа наддува, повышая таким образом давление в баке и на входе в двигатель, кавитационный запас давления и величину приведенного напора насоса. В случае снижения приведенного напора давления ниже допустимой величины по линии окислителя  корректирующее устройство 4 осуществляет командное воздействие на привод регулятора наддува 8 бака окислителя 9, увеличивая проходное сечение и расход газа из баллонов 6. В случае снижения приведенного напора по линии горючего  корректирующее устройство 4 увеличивает проходное сечение регулятора наддува 7, увеличивая расход газа в бак горючего 10. Увеличение расхода газа наддува в баках приводит к увеличению давления компонентов топлива на входе в насосы ТНА, повышению кавитационного запаса давления и обеспечивает восстановление потребного приведенного напора насоса и безаварийный режим работы ЖРДУ.