Способ настройки системы аварийной защиты жидкостного ракетного двигателя
METHOD FOR CONFIGURATION OF THE EMERGENCY PROTECTION SYSTEM OF A LIQUID ROCKET ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в ракетной технике в качестве системы аварийной защиты (САЗ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Одной из основных составляющих, обеспечивающей высокую эффективность работы САЗ, является выбор допустимых предельных значений контролируемых параметров САЗ, при выходе за пределы которых формируется команда на аварийное выключение двигателя (АВД).
Широко известно, что в СССР бортовая система аварийной защиты в период полета ракеты-носителя (РН) существовала всего два раза: для лунной программы РН «Н-1» и для РН «Энергия». При этом бортовая САЗ ЖРД настраивалась таким образом, что предельные значения контролируемых параметров САЗ назначались едиными для всех режимов работы ЖРД. Такой принцип был реализован в бортовой САЗ ЖРД РН «Энергия» (см. книгу Б.И. Губанова, «ТРИУМФ И ТРАГЕДИЯ "ЭНЕРГИИ" РАЗМЫШЛЕНИЯ ГЛАВНОГО КОНСТРУКТОРА» том 3: "ЭНЕРГИЯ" - "БУРАН", Нижний Новгород, издательство НИЭР, 1998 г).
Недостатком такого подхода к назначению предельных контролируемых параметров САЗ состояло в том, что он приводит к резкому расширению границ диапазона настройки САЗ ЖРД и снижению эффективности бортовой САЗ ЖРД по возможности своевременного выключения двигателя без развития аварийной ситуации на РН.
Задачей предлагаемого изобретения является создание САЗ ЖРД, которая осуществляет адаптивную настройку предельных значений контролируемых параметров САЗ ко всем режимам работы двигателя (тяга), включая переходные режимы (режим форсирования и дросселирования).
Эта задача решена за счет того, что настройку САЗ ЖРД осуществляют, используя адаптивную настройку контролируемых параметров САЗ к режимам работы двигателя, для этого по результатам контрольно-технологического испытания (КТИ) двигателя для каждого его режима работы выбирают значения контролируемых параметров САЗ, значения тяги (R) и значения внешних факторов, при этом в расчете используют номинальные значения внешних факторов, далее приводят значения контролируемых параметров САЗ к номинальным значениям внешних факторов, для чего для каждого выбранного режима работы двигателя определяют поправки к контролируемым параметрам САЗ по величине отклонения фактических значений каждого внешнего фактора от его номинального значения, далее для каждого выбранного режима работы двигателя приводят значения тяги к номинальным значениям внешних факторов по величине отклонения фактических значений всех внешних факторов от их номинальных значений, далее по всем режимам работы двигателя, определяют ожидаемую зависимость приведенных к номинальным значениям внешних факторов контролируемых параметров САЗ от приведенной к номинальным значениям внешних факторов тяги используя формулу:
где, КП_ОЖ - ожидаемое значение контролируемых параметров САЗ;
К10, К00 - коэффициенты уравнения;
R -тяга
дальше для задаваемых режимов работы двигателя (полет РН или повторное огневое испытание двигателя), используя указанную зависимость, определяют ожидаемые значения контролируемых параметров САЗ и по этим значениям определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки САЗ ЖРД при фактических значениях внешних факторов на входе в двигатель.
Другими отличиями предложенного способа является:
- для каждого выбранного режима работы двигателя значения
контролируемых параметров САЗ приводят к номинальным значениям
внешних факторов по следующей формуле
где, ΔКПВ_КМ - поправка по значению КПВ при изменении массового соотношения компонентов топлива, об/мин;
А21, А11, А00 - коэффициенты уравнения;
R - тяга;
тек
КМ - текущее значение массового соотношения компонентов топлива;
ном
КМ - номинальное значение массового соотношения компонентов топлива;
- для каждого выбранного режима работы двигателя фактическую тягу, приведенную к номинальным условиям, определяют с поправками значений тяги по величине отклонений фактических значений внешних факторов от их номинальных значений по формуле
где, R_ПР - тяга, приведенная к номинальным значениям внешних факторов;
R -тяга;
ΔR_KM - поправка по значению тяги при изменении массового соотношения компонентов топлива;
ΔR_ДО - поправка по значению тяги при изменении давления окислителя на входе в двигатель;
ΔR_ТГ - поправка по значению тяги при изменении давления горючего на входе в двигатель;
ΔR_TO - поправка по значению тяги при изменении температуры окислителя на входе в двигатель;
ΔR_TT - поправка по значению тяги при изменении температуры горючего на входе в двигатель;
- в качестве контролируемых параметров САЗ используют следующие параметры: обороты, температура, перемещение и давление;
- в качестве внешних факторов используют следующие параметры: массовое соотношение компонентов топлива, температуры и давления окислителя и горючего на входе в двигатель.
Пример осуществления способа.
В качестве примера адаптивной настройки САЗ рассмотрим аварийное огневое стендовое испытание двигателя, проведенного в АО «НПО Энергомаш», где штатная система аварийной защиты не смогла выключить двигатель, когда разрушился трубопровод подвода горючего к приводам автоматики. Двигатель был выключен на 325 с при достижении параметром обороты вала турбонасосного агрегата - КПВ верхнего предельного порогового значения. Покажем, что эту аварию можно было парировать адаптивной настройкой САЗ ЖРД по контролируемому параметру САЗ -КПВ.
Для осуществления адаптивной настройки одного из контролируемых параметров САЗ -КПВ по результатам проведенного КТИ товарного двигателя, для каждого из 39-ти стационарных режимов выбирают: значения КПВ, значения тяги (R) и значения внешних факторов, которые сведены в таблицу 1:
- R - значения тяги;
- КМ - массовое соотношение компонентов топлива;
2
- ДГ - давление горючего на входе в двигатель, кгс/см;
2
- ДО - давление окислителя на входе в двигатель, кгс/см;
- ТГ - температура горючего на входе в двигатель, °С;
- ТО - температура окислителя на входе в двигатель, °С;
- КПВ - значение оборотов вала ТНА, об/мин;
При расчете используют следующие номинальные значения внешних факторов:
- номинальное массовое соотношение компонентов топлива в камере КМ ном=2,75.
2
- номинальное значение давления окислителя на входе в двигатель ДО ном=5 кгс/см.
2
- номинальное значение давления горючего на входе в двигатель ДГ ном=2,8 кгс/см.
- номинальное значение температуры окислителя на входе в двигатель
ном
ТО=минус 182,5°С.
ном
- номинальное значение температуры горючего на входе в двигатель ТГ=минус 5°С.
Приводят значения КПВ к номинальным значениям внешних факторов и определяют значение КПВ, приведенное к номинальным значениям внешних факторов, используя поправки к КПВ.
В таблице 2 для каждого из режимов работы двигателя приведены значения влияний каждого внешнего фактора отдельно на КПВ и значение КПВ приведенное к номинальным значениям внешних факторов.
Приводят значения тяги к номинальным значениям внешних факторов и определяют значение тяги, приведенное к номинальным значениям внешних факторов, используя поправки к значениям тяги.
В таблице 3 для каждого из режимов работы двигателя приведены значения влияний каждого внешнего фактора отдельно на значение тяги и значение тяги приведенное к номинальным значениям внешних факторов.
На фиг. 1 для всех режимов работы двигателя приведена ожидаемая зависимость приведенных к номинальным значениям внешних факторов КПВ от приведенных к номинальным значениям внешних факторов тяги. Полученная зависимость ожидаемых значений КПВ от тяги приведена в формуле 1.
где, КПВ_ОЖ - ожидаемое значение КПВ.
Для заданного профиля тяги, приведенного на фиг. 2, определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки системы аварийной защиты по КПВ.
По полученной зависимости (1) и по формулам (2) и (3) определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки системы аварийной защиты по КПВ для заданных режимов работы двигателя.
Значения КПВ, определенные по формулам (1), (2) и (3) для различных уровней тяги сведены в таблицу 4.
где, КПВ_НН - верхнее предельные значения КПВ;
КПВ_LL - нижние предельные значения КПВ;
ΔКПВ - отклонение КПВ от ожидаемых значений КПВ;
ΔКПВ_Ф - влияние внешних факторов на КПВ (массовое соотношение компонентов топлива, температуры и давления окислителя и горючего на входе в двигатель).
Значение ΔКПВ равно 657 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.
Значение ΔКПВ_Ф равно 275 об/мин и определено исходя из:
- заданных отклонений температуры и давления окислителя и горючего на входе в двигатель от их номинальных значений;
- максимально-допустимого отклонения по массовому соотношению компонентов топлива.
На фиг. 3 в интервале времени с 271 по 277 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 275,23 с, то есть раньше срабатывая штатной САЗ ЖРД на 49,77 с.
Промышленное применение.
Данное изобретение может применятся для настройки системы авариной защиты ЖРД (ракеты-носителя или стенда при проведении повторного испытания двигателя) в период их эксплуатации.