Задачи автоматики, её свойства

Автоматика. Запуск и остановка ЖРД.

При проектировании ПГС двигателя большое внимание уделяется разработке системы автоматики, в которой находят отражение основные агрегаты и элементы.

В ЖРД независимо от системы подачи топлива все операции по обслуживанию и подготовке к запуску, сам запуск, выход и работа на режиме, его изменения, останов и другие операции осуществляются автомати­чески, т.е. без участия человека. Автоматическая работа двигателя обес­печивается системой автоматики, которая является необходимой частью любого ЖРД как с вытеснительной, так и с насосной подачей топлива.

В автоматике ЖРД различают три основные выполняемые функции: управление, регулирование и обслуживание двигателя. В первом случае, система автоматического управления (САУ) обеспечивает выполнение' любой операции, например, запуск двигателя. Здесь путем строго после­довательного включения различных агрегатов, элементов и систем дви­гатель "выводится" на заданный режим работы. Во втором случае систе­ма автоматического регулирования (САР) обеспечивает поддержание на заданном уровне и изменение по заданной программе или специальными командами какого-либо параметра, например значения тяги. Наконец, в третьем случае система автоматики должна обеспечивать обслужива­ние двигателя, например перед запуском осуществлять контроль заправ­ки различных емкостей жидкими и газообразными компонентами, давления в них, положения и состояния различных агрегатов, элементов и систем двигателя и их готовности к запуску и т.п.

Из всех этих функций автоматики непосредственными ее задачами являются:

1) регулирование и изменение значений тяги и соотношения компо­нентов;

2) управление операциями запуска и останова;

3) управление и регулирование работой систем наддува баков;

4) управление работой системы управления вектором тяги;

5) обеспечение контроля и управления работой всего двигателя в целом.

Для решения этих и других задач в составе двигателя имеются технические средства, которые включают совокупность различных агрегатов, механизмов, конструктивных элементов и специальных систем. Эту сово­купность устройств, обеспечивающих управление, регулирование и обслу­живание двигателя обычно и называют автоматикой ЖРД.

Среди устройств автоматики наиболее многочисленными являются кла­паны, дроссели и регуляторы; пневмо- и гидравлические системы, электри­ческая сеть. Сюда же входят различные датчики и измерители давления, расхода, температуры и тл. Наконец, в системе автоматики могут быть спе­циальные счетно-решающие устройства, микропроцессоры и ЭВМ. Заме­тим, устройств автоматики в современных двигателях может быть нес­колько десятков, и они составляют 20... 25 % массы двигателя, а иног­да и больше.

Наиболее многочисленными устройствами автоматики являются агрегаты управления - клапаны. Они устанавливаются на отдельных участ­ках различных трубопроводов, по которым движется поток рабочих тел -жидких или газообразных. Их назначение - обеспечить либо полное гер­метичное разделение двух участков трубопроводов, либо частичное. В со­ответствии с этим клапаны имеют два или три положения: в первом случае — двухпозиционный клапан с положениями "Закрыто" или "Откры­то", во втором случае - трехпозиционный клапан с промежуточным по­ложением "Частично открыто".

По типу привода клапаны могут быть пневматические, гидравличес­кие, электромеханические и электромагнитные. Для одноразового сраба­тывания широко используются пироклапаны (с пироприводом). Клапа­ны подразделяются на отсечные (запорные), дренажные, предохранитель­ные, заправочные, сливные и обратные. Отсечные клапаны служат для от­сечки потока рабочего тела, движущегося по трубопроводу. Дренажные клапаны используются для выпуска наружу паров компонента или газов из отдельных участков трубопроводов, полостей или емкостей. Предох­ранительные клапаны автоматически открываются при превышении давле­ния на участке трубопровода или в емкости выше установленного для выпуска из них наружу паров или газов. Сливные клапаны служат для слива компонентов из участков трубопроводов и емкостей.

Через заправочные клапаны происходит заправка емкостей жидкими и газообразными компонентами. Обратные клапаны пропускают поток жид­кости или газа только в одном направлении.

В схемах многих двигателей однократного использования часто исполь­зуются так называемые мембранные клапаны. Их особенность состоит в том, что в исходном положении участки трубопроводов разделены мем­браной. В нужный момент, например при запуске, мембрана разрывает­ся либо специальным устройством, либо под действием определенного давления на участке трубопровода..

Менее многочисленны, чем клапаны, агрегаты регулирования - дрос­сели и регуляторы. Назначение первых - плавное изменение местного гид­равлического сопротивления на отдельных участках трубопроводов. Наз­начение вторых — поддержание или изменение по определенному закону или программе расходов компонентов или их давления на соответству­ющих участках трубопроводов.

Для управления клапанами и регуляторами, а также выполнения операций при запуске и останове двигателя в состав автоматики могут вхо­дить баллоны со сжатым газом для пневмосистем, продувки и раскрутки турбины; емкости для хранения жидких и газообразных компонентов, используемых для зажигания при запуске, и другие вспомогательные ус­тройства, необходимые для функционирования схемы двигателя. Напри­мер, важными элементами являются трубопроводы пневмо- и гидросис­тем автоматики, фильтры, арматура. Наконец, к автоматике можно отнес­ти датчики телеметрии, необходимые для последующего анализа и оценки работы двигателя. Примеры конструктивного выполнения различных агрегатов и элементов автоматики ЖРД приведены ниже.

В большинстве случаев одноразового применения двигателей с дос­таточно простой программой их работы приведение в действие системы управления двигателя сводится к подаче команд на запуск, переход на другие режимы работы или на останов. Все операции и соответствующая последовательность с заданными временными интервалами срабатыва­ния, включения и выключения различных агрегатов и систем, необходи­мые для запуска, перехода на другие режимы работы и останова, обеспечи­ваются автоматикой управления самого двигателя.

Подача команд производится бортовой либо наземной системой уп­равления ЛА, которая в зависимости от программы, траекторных и дру­гих данных вырабатывает соответствующие команды и посылает их непос­редственно устройствам автоматики управления двигателем. В этих слу­чаях схема двигателя имеет жесткую или "встроенную" программу управ­ления, осуществляемую автоматикой двигателя.

С развитием ракетной техники и появлением двигателей многократ­ного использования, во-первых, значительно усложнились схемы и конст­рукции двигателей и, во-вторых, значительно возросло значение выполня­емых ЛА задач.

В этих условиях возникает необходимость непрерывного управления двигателем по сложным и гибким программам. Такое управление мо­жет осуществлять специальная система управления двигателем, имею­щая в своем составе ЭВМ. Она включает установку в различных точках трубопроводов и агрегатов многочисленных датчиков, измеряющих раз­личные параметры: давление, расход, температуру, частоту вращения, а также частоты и уровни амплитуд вибраций, значения зазоров враща­ющихся элементов ТНА, деформаций напряженных элементов конструк­ций и т.п. Показания датчиков непрерывно считываются системой управ­ления. Эти данные анализируются и сравниваются с их заданными предель­ными значений ЭВМ. В результате вырабатываются определенные решения, которые в форме команд также непрерывно передаются на исполнение соответствующим устройствам автоматики.

Примером такой управляющей системы может служить система управ­ления двигателем SSME, схема которой приведена на рис.1. Основой системы управления двигателем здесь служит специальная ЭВМ, называ­емая контроллером. Контроллер выполняет большой круг задач: 1) обес­печивает связь двигателя с управляющей ЭВМ ЛА; 2) производит по прог­рамме предстартовую проверку состояния двигателя, его систем и агре­гатов и их готовность к запуску; 3) осуществляет контроль положения и состояния клапанов и блока зажигания; 4) выполняет всю последователь­ность операций по запуску двигателя — захолаживание трубопроводов, заполнение полостей насосов компонентами, предварительную продув­ку полостей за главными клапанами, включение зажигания и т.д.; 5) уп­равляет и регулирует тягу и соотношение компонентов в двигателе и ЖГГ на всех режимах его работы; 6) выявляет предельные или опасные режимы работы отдельных устройств и агрегатов двигателя и обеспечива­ет необходимое регулирование его параметров; 7) выявляет нештатные ситуации в системах и агрегатах двигателя и предпринимает меры, обеспе­чивающие штатное продолжение работы; 8) после

Рис. 1 Схема системы управления двигаталем SSME многоразового транспортно-космического корабля "Спейс шаттл"

завершения полета передает в бортовую ЭВМ управления ЛА всю информацию о рабочих харак­теристиках и состоянии двигателя, его агрегатов и систем для последу­ющего обследования и профилактики.

2. Регулирование тяги и соотношения компонентов топлива.

Общая схема регуляторов. Это наиболее сложные в конструктивном отношении агрегаты, которые состоят из ряда элементов. Общая схема построения регулятора и состав его элементов-звеньев приведены на рис.2, а; на рис.2, б и в показана упрощенная конструктивная схема ре­гулятора давления — одна из многих вариантов. Как видно из рисунка, регулятор состоит из нескольких последовательных элементов — звеньев. Объектом регулирования (ОР) 1 является гидравлический контур, через который протекает расход тпри давлении на выходе р. Из-за влияния раз­личных факторов расход и давление постоянно отклоняются от заданных значений. Задача данного регулятора — поддерживать заданное давление р — регулируемый параметр. Заметим, если за регулируемым объектом потребитель расхода имеет постоянное гидравлическое сопротивление, то поддержание р = const равносильно поддержанию т~ const. Вторым эле­ментом является чувствительно-сравнительное устройство (ЧСУ). Наз­начение ЧСУ — измерять текущее значение регулируемого параметра р, которое поступает сюда по линии обратноей связи 5, сравнивать его значе­ние с заданным р₃ад ^и вырабатывать сигнал, пропорционалный

Рис. 2. Общая схема и состав регулятора:

а - объект регулирования; б - наглядная схема регулятора давления; в - одна из схем ЧСУ с механическим заданием Р_3ад'; 1-объект регулирования; 2 - ЧСУ; 3 -преобразовательно-усилительное устройство с сервоприводом; 4 - исполнительный механизм; 5 - линия обратной связи; СУ - система управления.

значению рассогласования ∆р = р_зад –р. В данном случае этим сигналом служит перемещение штока золотника

(см. элемент 3).

Значение ∆р= р _зад может задаваться: а) постоянной настройкой регуля­тора, которая не изменяется в полете; б) системой управления двигателем, которая в полете может перенастраивать значение р_зад ^в соответствии с траекторными и другими данными.

Следующим элементом является преобразовательно-усилительное уст­ройство с сервоприводом 3. Назначение этого устройства — в соответствии с поступившим из ЧСУ сигналом, который вызывает перемещение штока золотника, выработать достаточное усилие и нужное направление для изменения положения исполнительного механизма 4, которым здесь слу­жит заслонка. Исполнительный механизм, который в соответствии с пере­мещением штока (в данном случае сервопривода) изменяет свое поло­жение, воздействует на текущее значение регулируемого параметра — давле­ния за дроссельной заслонкой. Линия обратной связи 5, передает текущее значение, например, давления р в ЧСУ.

Все регуляторы тяги и соотношения компонентов ЖРД, несмотря на разнообразие их конструктивных схем, могут быть двух типов: они поддерживают на выходе регулятора постоянным либо давление компонента, либо его расход. Причем поскольку расход через данный гидравлический контур зависит от гидравлического сопротивления, то все регуляторы ра­ботают по принципу его изменения. Поэтому все они оснащены дросселя­ми, у которых затворные устройства (а их конструкций большое множест­во) переставляются сервоприводом в то положение, при котором обес­печивается поддержание регулируемого параметра на заданном уровне.

Основные схемы регуляторов ЖРД. На рис.2, б была подробно рассмотрена схема регулятора давления, который иногда называют жидкостным редуктором. Точность работы такого регулятора примерно 2... 5 %.

На рис.3, а показана распространенная схема регулятора расхода. Измерительным элементом здесь является сужающаяся часть трубопрово­да 1. Чувствительно-сравнительное устройство 2 замеряет текущее значе­ние разности давлений ∆р = р₁ — р₂, которой, как известно, пропорцио­нален квадрат расхода, и сравнивает с ее заданной величиной ∆р_зад. В соответствии с рассогласованием

8 Ар = (∆р_зад — ∆р) звено 3 вырабаты­вает "указание" на изменение положения дросселя 4. Точность работы такого регулятора 2... 4 %.

На рис. 3, б показана более совершенная и сложная схема регуля­тора расхода. В данной схеме измерительным элементом является вертуш­ка или турбинка 1, помещенная в поток. Расход пропорционален ее частоте вращения. Чувствительно-сравнительное устройство 2 сравнивает сигнал, пропорциональный частоте вращения турбинки п, с заданной ее частотой вращения n_зад и вырабатывает сигнал, пропорциональный рас­согласованию ∆n = (n_зад - п). В соответствии с его значением звено 3 дает указание на изменение положения дросселя 4. Точность работы тако­го регулятора может достигать

1... 2 %.

Регулирование тяги двигателя практически может осуществляться несколькими путями.

m=const m

m=const

∆рзад=р1-р2

1. Регулирование расхода компонентов, поступающих в ЖГГ. Такая

Рис.3. Схемы регуляторов расхода:

а измерительный элемент - трубка Вснтури; б — измерительный элемент - турбин­ка или вертушка; 1 - измерительный элемент; 2 — чувствительно-сравнительное устройство; 3 - преобразовательно-усилительное устройство с сервоприводом; 4 -исполнительный механизм

Рис.4. Схема регулирования тяги путем регулирования расходов ком­понентов в ЖГГ на основе регулято­ров давления (регулятор тяги Рр и регулятор соотношения компо­нентов Р _{Кm г.г}) и изменения со­отношения компонентов камеры по указанию системы опорожнения баков (СОБ) с помощью регулятоpa PК_m:

Ок — окислитель; Г - горючее; НО - насос окислителя; НГ - насос горючего; Т - турбина; СУ - систе­ма управления

схема приведена на рис.4. Она относится к двигателю без дожигания генераторного газа, получаемого в двухкомпонентном ЖГГ. Регулятор

тяги Рр здесь является обычным регулятором давления. Он устанавливает­ся на трубопроводе питания окислителем восстановительного ЖГГ, рас­ход которого в этом случае наименьший. Одновременно с регулятором тяги на трубопроводе питания горючим ЖГГ устанавливается еще один регулятор давления — корректор соотношения компонентов Р _{Кm г.г}

Регулятор тяги, поддерживая заданное давление подачи окислителя на входе в ЖГГ и изменяя его по командам системы управления, регу­лирует расход окислителя в ЖГГ. Регулятор или корректор соотношения компонентов, поддерживая заданное давление подачи горючего на входе в ЖГГ или изменяя его в зависимости от давления окислителя, регулирует расход горючего и тем самым поддерживает соотношение компонентов в ЖГГ на заданном уровне.

Эта схема регулирования тяги достаточно надежная. Она допускает регулирование тяги в большом диапазоне и хорошо оправдала себя на практике.

2.Регулирование соотношения компонентов в ЖГГ.

Эта схема при­ведена на рис. 5. Она используется в двигателях с дожиганием генера­торного газа, если требуется регулирование тяги в небольших преде­лах по верхнему значению, например 5... 8 % номинального ее значения.

Рис.5. Схема регулирования тяги путем регулирования соотношения компонентов в ЖГГ на основе регулятора давления — регулятор тяги Pp. Схема изменения соот­ношения компонентов камеры по указанию счетно-решающего устройства (СРУ) расхода компонентов - регулятор соотношения компонентов Р _{Кm г.г}

Здесь регулятор тяги Рр также является регулятором давления пода­чи, в данном случае горючего в окислительный ЖГГ. В этой схеме регу­лятор тяги устанавливается на линии питания ЖГГ дополнительным (или присадочным) компонентом. Регулятор поддерживает давление подачи горючего в ЖГГ в соответствии с давлением подачи окислителя. В этом случае он выполняет функцию регулятора соотношения компонентов в ЖГГ Р _{Кm г.г}

Вместе с тем регулятор по сигналу системы управления может изме­нять свою настройку и тем самым изменять заданное соотношение ком­понентов K_{mг г зад}. Изменение K_{mг г зад} приводит к изменению термо­динамических параметров генераторного газа, главным образом, произ­ведения (RT)_{г г}, в соответствии с которым будет изменяться распола­гаемая мощность турбины и далее последовательно будут изменяться дав­ление подачи компонентов в камеру двигателя, давление в камере сго­рания и тяга.

Естественно, при таком регуляторе изменение K_{m г.г} возможно в ог­раниченном диапазоне. Максимальное значение (Kmr.r)max ограничи­вается возрастанием температуры генераторного газа, что становится опасным для турбины, особенно в случае окислительного ЖГГ; мини­мальное значение

(K_{m г.г})_min также ограничивается главным образом ухудшением смешения, появлением даже в окислительном ЖГГ твердой фазы — углерода — и, наконец, прекращением горения. Поэтому эта схе­ма регулирования тяги из-за температурных ограничений генераторного газа имеет очень ограниченные пределы ее изменения по сравнению с номи­нальным значением тяги.

3. Регулирование давления подачи компонентов на входе в камеру двигателя. Эта схема приведена на рис.6. Здесь устанавливаются два регулятора давления соответственно на линиях окислителя и горючего Р_{р ок} и Р_рг. Регулятор Р_рг поддерживает заданное давление подачи горю­чего в камеру сгорания или его изменяет в соответствии с "указаниями"

Рис.6. Схема регулирования тяги и соотношения компонентов путем регулирования давления подачи компонентов на входе в камеру на основе регуляторов давления Р_{р ок} и Р_рг