автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Гидроавтоматика регулируемой двигательной установки

На правах рукописи

%

БАЧУРИН Александр Борисович

ГИДРОАВТОМАТИКА РЕГУЛИРУЕМОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ (РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ)

Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

п ПАЙ 2014

УФА 2014

005548434

005548434

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре прикладной гидромеханики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Целищев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Носков Александр Семенович

доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина» заведующий кафедрой гидравлики;

Редннков Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент кафедры гидравлики и гидропневмосистем ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (НИУ), г. Самара

Защита диссертации состоится 25 июня 2014 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.298.02 на базе ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» по адресу:

454080, г. Челябинск, проспект им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1001.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» и на сайте http://http://www2.susu.ac.ru/

Автореферат разослан «6» мая 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, ученая степень, ученое звание

А. О. Чернявский

Общая характеристика работы Актуальность работы

Перспективы развития регулируемых двигательных установок (РДУ) неразрывно связаны с развитием и внедрением высокоточных систем автоматического управления. Возрастающие требования к уровню и качеству параметров и характеристик регулируемых двигательных установок приводят к необходимости совершенствования методов расчета и проектирования электрогидравлических исполнительных механизмов систем гидроавтоматики. Достигнутый в настоящее время уровень развития вычислительной техники как по быстродействию, так и по объёму оперативной памяти, широкое внедрение многопроцессорных систем позволяет использовать и более совершенные математические модели для расчёта рабочих процессов. Современные аппаратные средства и математическое обеспечение ЭВМ позволяют решать системы нелинейных дифференциальных уравнений, наиболее точно описывающие процессы в системах гидроавтоматики, получать требуемые статические и динамические характеристики. Это позволяет сократить время проектирования и доводки гидравлических регуляторов, а также обеспечить рациональный выбор параметров и требуемое качество переходных процессов.

Работа выполнена в рамках реализации грантов по направлению «Ракетостроение» при участии в Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 -2013 гг.:

1) № П317 от 28 июля 2009 г. по проблеме: «Электрогидравлические системы управления регулируемой двигательной установкой твердого топлива многократного включения»

2) № IÏ934 от 20 августа 2009 г. по проблеме: «Разработка методов расчета и совершенствование рулевых приводов ракетных двигателей»

3) Государственный контракт № 02.740.11.0522 на выполнение научно-исследовательских работ (НОИ) «Разработка методов и средств проектирования, испытания и диагностики систем управления РДТТ с глубоким регулированием модуля тяги и многократным включением»(шифр заявки «2010-1.1-410008-002»).

Степень разработанности темы исследования. Проведенный обзор работ ведущих научных организаций и предприятий страны, посвященных данному направлению исследования за последние годы, показал, что вопрос математического моделирования физических процессов, протекающих в системах гидроавтоматики регулируемой двигательной установки, остается недостаточно изученным.

В вопросах, связанных с созданием гидравлических схем регулирования ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и математическими моделями их функционирования, следует отметить вклад многих отечественных предприятий. В частности, ФГУП «Московский институт теплотехники»,

ГРЦ «КБ им. В. П. Макеева» (г. Миасс), НПО «Искра» (г. Пермь), НПО «Алтай» (г. Бийск), НПО «Союз» (г. Люберцы), НПОА (г. Екатеринбург), НИИАП (г. Москва), УГАТУ (г.Уфа), ПНИПУ., ЮУрГУ, ИжГТУ, МГТУ им. Н. Э. Баумана, КГТУ им. Туполева. Отмечается существенный вклад в создание основ теории управляемых двигателей таких ученых (и их научных школ) как Б.Н. Лагутин, A.A. Шишков, Б.Т. Ерохин, A.M. Липанов, Е.А. Федосов, Л.Н. Лавров, М.И. Соколовский, В.И. Петренко, В.И. Феофилактов, В.М. Бобылев, В.Ф. Присняков, В.Г. Зезин, С.Д. Ваулин, A.M. Русак, И.А. Кривошеев, В.А. Целищев, Wengan Xu, J.A Steinz, Ide Куш, M. и др.

Цель работы. Разработка и исследование гидравлической машины и гидроагрегата для электрогидравлической системы управления РДУ. Основные задачи исследования:

■ анализ гидравлической системы управления площадью поверхности горения РДУ;

■ разработка математических моделей гидравлической машины для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегата для управления площадью поверхности горения твердого топлива с учетом их влияния на внутрибалли-стические характеристики и переходные процессы РДУ;

■ проведение экспериментальных исследований исполнительных устройств гидроавтоматики и верификация результатов моделирования;

■ разработка методики моделирования рабочих процессов в гидравлической системе РДУ с учетом взаимного влияния устройств гидроавтоматики.

Научная новизна

■ Новая принципиальная и компоновочная схема электрогидравлической системы управления двигательной установки (патент № 2443895), отличающаяся наличием встроенного делителя потока, регулятора расхода, струйной гидравлической рулевой машины и системы гашения порохового заряда, позволяющая повысить надежность и эффективность работы системы.

■ Математическая модель электрогидравлической системы управления РДУ, заключающаяся в моделировании статических и динамических характеристик устройств гидроавтоматики, входящих в состав РДУ, позволяющая обеспечивать при разработке необходимые требования к качеству переходных процессов.

■ Методика моделирования процессов в электрогидравлической системе РДУ, включающая этапы моделирования, исследования и прогнозирования параметров и характеристик устройств гидроавтоматики РДУ, позволяющая повысить качество проектирования и сократить сроки доводки.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика расчета гидроавтоматики для управления РДУ позволяет исследовать устойчивость, точность и быстродействие с учетом действующих на него управляющих и возмущающих воздействий.

Разработанный комплекс прикладных программ позволяет проводить численное исследование имитационных моделей гидравлических устройств автоматики регулирования двигательной установки и сравнивать полученные результаты с экспериментальными данными. Разработанная система гидроавтоматики РДУ позволяет значительно сократить время переходного процесса с одного режима работы на другой и повысить точность управления. Методика моделирования процессов в электрогидравлической системе управления энергетических установок внедрена на ОАО УАП «Гидравлика», ОАО «Институт технологии и организации производства» и в учебный процесс УГАТУ.

Методология и методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования опираются на основы технической гидромеханики и гидродинамики. В работе применены численные методы, методы дифференциального и интегрального исчислений и верификации математических моделей на основе результатов экспериментальных исследований. Численные исследования проводились с помощью компьютерных пакетов и MS Excel и Maple. Опытная проверка результатов математических моделей проходила на автоматизированных стендах на базе учебного научного инновационного центра «Гидропневмоавтоматика».

Положения, выносимые на защиту:

1. Новая принципиальная и компоновочная схема электрогидравлической системы управления двигательной установки.

2. Математическая модель гидравлической системы управления РДУ, позволяющая исследовать работу РДУ с учетом нелинейностей в гидроагрегатах.

3. Результаты экспериментальной проверки математической модели электрогидравлической системы управления.

4. Методика моделирования рабочих процессов электрогидравлической системы РДУ.

Апробация работы

Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» 2009 г. - г.Челябинск, всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», 2010г. - г. Уфа, на третьей Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагре-гаты», 2010г. - г. Москва, на 15-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», 2011г. - г. Москва, Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. В 2010-2014 года работа докладывалась на научных семинарах УНИЦ «Гидропневмоавтоматика». Материалы диссертации вошли в отчеты по грантам по направлению «Ракетостроение» в рамках реализации Федеральной целевой программы «На-

учные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- 2013 гг.:

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 145 страниц машинописного текста, библиографический список из 110 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформирована цель, поставлены основные задачи исследований и приведены методы их решения, представлены выносимые на защиту положения и краткое содержание по главам.

В первой главе проведен аналитический обзор научной литературы и патентной документации, связанных с исследованием регулируемых ракетных двигателей твердого топлива. Составлена классификация систем регулирования тяги ракетного двигателя по используемым для этого средствам.

Исследования перспектив развития систем управления РДУ показали, что реализованный диапазон устойчивого регулирования модуля тяги посредством механического изменения площади критического сечения сопла находится в пределах 3,0 - 6,0. Газодинамический способ позволяет регулировать модуль тяги в диапазоне 1,7 — 2,0. Интервал изменения при использовании «тепловых» ножей составляет 1,5 — 8,0. При использовании магнитных полей или акустической энергии для воздействия на интенсивность горения топлива величина тяги регулируется в пределах 1,5 - 2,0.

Анализ способов регулирования модуля тяги изменением площади поверхности горения показывает, что перспективным является РДТТ с комбинированной электрогидравлической системой управления многократного включения. По результатам анализа способов регулирования была разработана новая принципиальная и компоновочная схема электрогидравлической системы управления РДТТ и получен патент RU2443 89С1.

Результатом проведенного анализа явилось формирование цели и задач исследования.

Во второй главе проведено исследование гидравлической системы регулирования площади поверхности горения для ракетного двигателя твердого топлива как объекта регулирования. Разработана математическая модель регулируемого РДТТ с изменяемой площадью поверхности горения твердого топлива и с изменяемой площадью критического сечения сопла. На основании анализа результатов расчета определены требования к синтезу системы управления.

Система дифференциальных уравнений внутренней баллистики камеры сгорания РДТТ с изменяемой геометрией площади критического сечения сопла и с гидрорегулированием площади поверхности горения твердого топлива выглядит следующим образом (1):

±P-r,-±JlRT(,)Xis(!)psU(t) - У1/Щ)М,Л<).,P(О - PCWM')}

(

p(t)=pTRT(t):

(1)

где p(t) - давление в камере (Па); к, (г)-свободный объем камеры (м3); 5(0 - площадь поверхности горения (м2); F(t). - площадь критического сечения сопла (м2); U(i) - скорость горения заряда (м/с); ps -плотность заряда топлива (кг/м3); у - показатель адиабаты; R - газовая постоянная; Г -температура газа в камере (К); х, - средний по объему и времени коэффициент тепловых потерь; \ас - коэффициент расхода газа через сопло; Л„ - функция от условного показателя расширения; и, — постоянная, зависящая от природы топлива (м/с); V - показатель в скорости горения топлива; ST - площадь торца горения (м2); sinа(0 -угол наклона конуса горения (рад); 0да(0 -расход жидкости через дроссель (м3/с); ^-коэффициент расхода жидкости через дроссель; F^t) - площадь проходного сечения дросселя (м2); Ap(t) -перепад давлений на дросселе (Па); р - плотность жидкости (кг/м1); е,С) -расход жидкости в канале заряда (м3/с); V -скорость течения жидкости в канале заряда (м/с);

—площадь сечения канала заряда твердого топлива (м2); рж(г) —давление жидкости в канале (Па); W - объем полости канала заряда (м1); Е - приведенный модуль объемной упругости жидкости (Па); т, - масса поршня (кг); к^ - коэффициент вязкого демпфирования нагрузки (Нс/м); í1" - сила сухого трения (Н).

На рисунке 1 приведены расчетные кривые переходных процессов в РДТТ при ступенчатом изменении площади проходного сечения дросселя гидравлической системы регулирования РДТТ, полученные в пакете Maple. Кривые 1-4 отражают модели, построенные с использованием допущений, указанные на рисунках.

Рисунок 1. Переходные процессы в камере сгорания: а — изменение давления в камере; б — изменение площади поверхности горения твердого топлива; в — изменение объема в камере сгорания

На рисунке 2 приведены расчетные кривые переходных процессов в РДТТ при ступенчатом изменении площади критического сечения сопла. Кривые 1-3 отражают модели построенные с использованием разных допущений.

2,4 2,6

К) *)

Рисунок 2. Переходный процесс в камере сгорания: а - изменение давления в камере; б - изменение скорости выгорания заряда твердого топлива; в — изменение газоприхода и расход газа через сопло

Анализ показал, что, например, при показателе скорости горения V = 0.5 для десятикратного изменения расхода продуктов сгорания необходимо изменение давления в 100 раз. Результаты моделирования показывают, что время переходного процесса в РДТТ с гидравлическим регулированием увеличивается в случае, когда учитывается сжимаемость жидкости на 0,05 с. При учете изменения температуры горения появляется статическая ошибка более 5,5 %. Установка в канале заряда твердого топлива поршня приводит к увеличению времени переходного процесса на 0,1 с, так как учитывается инерционность поршня, сухое и вязкое трение, а также предварительный натяг. Время переходного процесса значительно уменьшается при небольшом начальном свободном объеме камеры сгорания в пределах 0,2 — 0,4 с.

Наиболее эффективным способом, позволяющим стабилизировать внут-рикамерное давление и уменьшить время переходного процесса в РДТТ с гидравлическим регулированием, является программное изменение площади кри-

тического сечения сопла для поддержания постоянного и максимального давления в камере сгорания.

Третья глава посвящена решению задачи синтеза гидравлической системы управления двигательной установки и исполнительных механизмов гидроавтоматики с учетом их влияния на внутрибаллистические характеристики и переходные процессы РДУ и разработке математической модели электрогидравлической системы управления РДУ.

При составлении математической модели подсистем регулирования РДТТ принят ряд допущений: коэффициенты расхода и восстановления давления в струйном гидроусилителе и дросселирующей щели клапана постоянного перепада давления и дросселя считаются постоянными величинами; температура и вязкость рабочей жидкости в течение рассматриваемого динамического процесса не изменяются; модуль объемной упругости жидкости является постоянной величиной, нерастворенный воздух в системе отсутствует; объемные потери в подводящих гидролиниях гидрораспределителя и гидродвигателя малы и ими можно пренебречь; утечки рабочей жидкости через зазоры между трущимися поверхностями пренебрежимо малы.

На рисунке 3 представлена функциональная схема подсистемы регулирования давления в камере сгорания. В ее состав входит электронный усилитель сигнала ошибки (УСО), измеритель электрического сигнала рассогласования (2), гидравлическая рулевая машина (электромеханический преобразователь (ЭМП), струйный гидроусилитель (СГУ), исполнительный гидроцилиндр (ГЦ)), датчик давления в камере сгорания (ДД), датчик обратной связи по перемещению центрального тела (ДОС) и объект регулирования (КС).

ческой рулевой машины регулирования критического сечения сопла. Чтобы замкнуть систему уравнений, необходимо ввести функцию, описывающую изменение площади критического сечения сопла от перемещения центрального тела, т.е. К = f{y).

Модель процессов в электрогидравлической системе управления РДУ при изменении площади критического сечения сопла описывается системой дифференциальных уравнений (2):

Рисунок 3. Функциональная схема гидравлической системы регулирования давления в РДУ

а

X

Математическая модель подсистемы регулирования давления в камере сгорания состоит из дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в камере сгорания и гидравли-

Ш СП

¡й * А

VАО - С- -

ГЯ>, + А • у(1) | |фД>) | л *УУ)._

I е ') а л

ДО , , ■»«).

2г

при г(0 £ га,

, > *(') > г.

д*(0 I

г, (О

(глт-Мх.ЗДр,««) - ГлДтОцгЛС - /(/('»«О -

(2)

Ц(!) = И,/>■(/), РСО = рЛГСО.

¿к.

•дает.

где У - момент инерции на валу якоря ЭМП; а(/) -угол поворота якоря ЭМП;

- коэффициент, характеризующий моментную характеристику; /(О — сила тока в обмотке управления; — коэффициент, характеризующий жесткость «магнитной пружины» ЭМП; 6шр - коэффициент вязкого трения гид-роцшшндра; Ср — жесткость пружины; 1/(1) — напряжение в обмотке управления электромагнита; — активное сопротивление обмотки управления электромагнита; I — индуктивное сопротивление обмотки; К^ - коэффициент про-тиво-ЭДС в электрической цепи; р4{() — перепад давлений на гидроцилиндре; у(0 - перемещение штока центрального тела; Е - приведенный модуль объемной упругости; А — площадь поршня; — коэффициент расхода струйной трубки; ^р — коэффициент восстановления давления; г(1) — относительное смещение струйной трубки; М — масса поршня; 6Я — коэффициент вязкого трения поршня; С^, — коэффициент жесткости пружины поршня.

Подсистема гидравлического управления площадью поверхности горения состоит из камеры сгорания, заряда твердого топлива с выполненным в нем каналом, заполненным жидкостью, поршня, гидроагрегата, представленного регулятором расхода и датчиком расхода жидкости из канала. На рисунке 4 представлена функциональная схема подсистемы регулирования площади поверхности горения заряда твердого топлива в камере сгорания «гидравлическим» способом. В ее состав

ИР

Я!

КС

П!

Рисунок 4. Функциональная схема гидравлической системы регулирования расхода жидкости в канале заряда РДУ

входит электронный усилитель сигнала ошибки (УСО), измеритель электрического сигнала рассогласования (2), электромеханический преобразователь (ЭМП), золотник клапана (ЗК), поршень в канале заряда, датчик расхода в канале заряда (ДР) и объект регулирования (КС).

В качестве исполнительного механизма применяется электрогидравлический регулятор расхода, поддерживающий постоянство расхода независимо от изменения давления.

Модель процессов в электрогидравлической системе управления РДУ при изменении площади поверхности горения гидравлическим способом описывается системой дифференциальных уравнений (3):

(.и -к д о))-к =л I (/) + £ —^ч-а:—.,. к др ос к у др др ДР а пэд Л

др а2 № др УДР <Й др

Л2Х(1) Л. (О

Л

■хАО,

2{Р{1)-р (1) 2-(р (1)-р,

и -Ь -х (*)• ----Ц -Ь •*(»)• '----

- » 11 ро ДР ДР 1

Ук] ф20) л,(О

-+А,

2-Е Л 1 Л ' Л Г1 (<)

1/(0 = »-,?"(<). Р(0 = рИ-(0, —Г!- = Ш(().

иг

где ек(/) —расход на выходе из регулятора; Ку — коэффициент усиления по напряжению; - активное сопротивление обмотки электромагнита; /^ (/) - сила тока в обмотке управления; - индуктивное сопротивление обмотки управления; Л'ГОд — коэффициент противо-ЭДС; А(/) - перемещение управляющей заслонки дросселя; т№ - масса заслоню! дросселя; КГт — коэффициент силы тока в электрической цепи; -коэффициент вязкого трения в дросселе;

~7 УП 1 -1-

I- ~ 1 -

МП—

--г- 7г

вптгтяш

1-

М М • 1

1 1/г

1 "V

ад

1

о ад

111 1

'т1

„ад

4

Рисунок 5. Сравнение переходных процессов с Рисунок 6. Работа системы поддержания посто-гидроагрегатами и без них янного давления и расхода жидкости в камере

с№ - коэффициент жесткости пружины; т, - масса золотника клапана; *.(0 —перемещение клапана постоянного перепада давления; А, — площади торцевых поверхностей клапана; р2 (г) - давление на входе в дроссель; р3 - давление на выходе из дросселя на сливе; Ь^ - коэффициент вязкого трения в клапане; сп - коэффициент жесткости пружины; — коэффициент расхода дросселирующей щели клапана; Ь, - ширина щели золотника клапана;

— коэффициенты расхода дросселя; Ъ^ — ширина щели дросселя; К,, - объем полости клапана.

Проведено численное решение и получен переходный процесс изменяемых параметров гидравлических подсистем регулирования. Анализ графиков переходных процессов (рисунок 5) показал, что выход на режим осуществляется быстрее примерно на 0,4 секунды или в 4 раза, чем при ступенчатом изменении площади критического сечения сопла, так как гидравлическая рулевая машина регулятора давления отрабатывает задачу поддержания в камере сгорания заданной величины давления. С применением гидроагрегата в подсистеме регулирования слива время переходного процесса увеличивается незначительно в связи с инерционностью исполнительного механизма. На рисунке 6 показаны графики переходных процессов подсистем регулирования при отработке возмущающего воздействия. Статическая ошибка находится в пределах 2-3 %.

При помощи аналитического метода теоретического исследования гидравлической системы автоматического регулирования была определена область устойчивости параметров подсистем регулирования РДТТ (рисунок 7). Проведена оценка влияния электрогидравлических исполнительных механизмов на качество переходных процессов и устойчивость регуляторов давления и слива.

Исследование динамических свойств подсистем при различных параметрах позволило выявить диапазон возможного изменения динамических параметров гидравлических исполнительных механизмов, выработать подход к оптимальному уточнению параметров регуляторов.

Проведено численное моделирование комбинированной электрогидравлической системы управления РДТТ при одновременном регулировании давления в камере сгорания и площади поверхности горения твердого топлива и получены графики переходных процессов (рисунок 8).

\

\

\

УС70*ЧИ»ОСГ ч

Рисунок 7. Область устойчивости параметров

регуляторов: а - область устойчивости и расчетная точка параметров регулятора давления; б - область устойчивости и расчетная точка регулятора расхода

Оаих, ы'з;

Управление изменением тяги происходит по заранее заданной программе управления. В заданный момент времени регулятор слива жидкости должен увеличить расход жидкости из канала заряда. Гидроагрегат регулятора расхода жидкости отрабатывает управляющее воздействие на изменение расхода жидкости из канала заряда. Через 0,15 с устанавливается заданный расход жидкости со статической ошибкой менее 3 %. В двигательной установке с помощью гидравлической рулевой машины изменяется величина площади поверхности горения твердого топлива, увеличивается газоприход в камеру сгорания, повышая тем самым давление в камере сгорания. Давление в камере сгорания стабилизируется за 0,4 с без перерегулирования. Клапан постоянного перепада давления регулятора расхода успевает отрабатывать возмущение, и на величине расхода жидкости изменение давления в камере сгорания не сказывается. Следовательно, поверхность горения формируется независимо от качества работы регулятора давления.

Подсистема регулирования давления в камере сгорания с использованием безразмерных переменных описывается системой уравнений (4):

Рисунок 8.Переходные процессы в электрогидравлической системы управления РДУ: а - измедение расхода жидкости через регулятор расхода, б - изменение площади торцевого горения; в - изменение площади критического сечения сопла; г — изменение давления в камере

к, ' 40 + к, <1 ¡(0 , т Л а -■ . + 1ю ■ - и акт , Ш ЙГ

А-; • л' ,^И+Кс .¿(0 + г„-¿(0 ш

■ Л л

<12~у(П сИ' + К 1уШ+ р\, <и

Г(') л + к,р(П + к,р(П= Кт,

с1У Л

где KR - коэффициент активного сопротивления обмотки; К, - коэффициент индуктивности обмотки; Тт - электромеханическая постоянная времени про-■гаво-ЭДС; Uпост - напряжение электрической цепи; К} - коэффициент инерционности струйной трубки; Кь - коэффициент, учитывающий трение ЭМП; Кс - коэффициент силы жесткости внешней пружины; — постоянная ЭМП; Кл - коэффициент, учитывающий площадь поршня; Kw - коэффициент объёма рабочей жидкости; tQf - постоянная поршня гидродвигателя; Ки - коэффициент, учитывающий массу штока; Кв - коэффициент вязкого демпфирования гидродвигателя; Л -коэффициент статической нагрузки; Кс - коэффициент силы жесткости пружины; KF - коэффициент учитывающий; изменение площади сопла; Ks - коэффициент, учитывающий изменение площади поверхности горения; Кт - коэффициент, температуру горения; Ки - коэффициент скорости горения.

Подсистема гидравлического регулирования площади поверхности горения с использованием безразмерных переменных описывается системой уравнений (5):

dt dt Pi ж

л л

ПО

dV

dpi, О Л

+ Кг-р{1)+К,р(.0=Кт.

л -*„■>( О. (5)

где к^ - коэффициент активного сопротивления обмотки; кш - коэффициент индуктивности обмотки; Тюд - электромеханическая постоянная времени про-тиво-ЭДС; Кт№ - коэффициент инерционности заслонки дросселя; КЬпе - коэффициент, учитывающий трение дросселя; кСт - коэффициент силы жесткости пружины; - коэффициент, учитывающий инерционность золотника; К^ — коэффициент вязкого трение клапана; КСх - коэффициент силы жесткости пружины; кЛ1 — коэффициент, учитывающий площадь золотника клапана; Ку - коэффициент, учитывающий объём рабочей жидкости.

Результаты расчета переходных процессов комбинированной электрогидравлической системы управления РДТТ представлены на рисунке 9.

Рисунок 9. Переходные процессы в электрогидравлической системе управления РДУ: а - изменение расхода жидкости из канала заряда; б - изменение поверхности горения твердого топлива; в - изменение давления в камере; г — изменение массы расхода газа через сопло

Результатом большого числа машинных экспериментов при целенаправленном поиске удовлетворения системы управления основным критериям качества явилась таблица 1 значений критериев качества системы регулирования.

В таблице 1 представлен диапазон параметров гидроагрегатов системы регулирования РДТТ, в котором образуется область автономности качества переходных процессов одного регулятора от качества работы другого регулятора

Таблица 1 - Взаимное влияние исполнительных механизмов на критерии качества САР

Безразмерные параметры регулятора расхода Диапазон изменения параметров Время первого выхода на режим, с Динамическая ошибка, % Статическая ошибка РР, %

10"* -0,06 0,14-0,17 2-4 3

Ктк 11,97-23,97 0,15-0,16 2 3

Кс* 1,37-107-1,4М0? 0,1-0,19 1-4 3

к тлр 0,0053-0,0089 0,1-0,12 2-4 3

Безразмерные параметр ы регулятора давления Диапазон изменения параметров Время первого выхода на режим, с Динамическая ошибка, % Статическая ошибка РД %

кл 0,000001-0,015 при Кл >0,015 число колебаний более 5 0,17-0,1 2-15 3

Къ 0,00078-0,0378 0,16-0,11 3-15 3

Кс 0,7-0,72 при Кс >0,71 число колебаний более 5 0,18-0,09 3-6 3-8

0,022-0,023 при "„„>0,23 число колебаний более 5 0,16-0,09 3-5 1-8

Тор 1,26-1,29 при >1,28 число колебаний более 5 0,17-0,09 2-6 1-8

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию исполнительных механизмов и разработке методики моделирования рабочих процессов электрогидравлической системы управления.

Экспериментальные исследования проводились с использованием уникальных стендов на базе учебного научного инновационного центра «Гидропневмоавтоматика»: автоматизированный стенд для получения статических и динамических характеристик рулевых приводов летательных аппаратов, разработанный и изготовленный в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В. П. Макеева»; а таюке автоматизированный стенд «Диагностика и идентификация гидросистем», изготовленный компанией «Hydac» (Польша).

Сравнение полученных характеристик показывает сходимость результатов численного моделирования и экспериментальных данных 95 %, что позволяет утверждать о правильности в подходе создания методики моделирования рабочих процессов электрогидравлической системы управления РДУ (рисунок 10).

На рисунке 11 представлена методика моделирования рабочих процессов электрогидравлической системы управления РДУ, которая позволяет повысить качество проектирования и сократить сроки доводки гидроагрегатов. Разработанная программа по расчету параметров и характеристик гидроагрегатов в специализированном пакете Maple позволяет учитывать влияние различных не-линейностей, оказывающих существенное воздействие на свойства переходных

Рисунок 10. Экспериментальные данные и результаты численного моделирования статических характеристик СГРМ и регулятора расхода

процессов

Рисунок 11. Этапы методики моделирования

Реализованная на ЭВМ методика моделирования рабочих процессов, основанная на решении системы дифференциальных уравнений, позволяет учитывать влияние различных нелинейностей, оказывающих существенное воздействие на свойства переходных процессов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено исследование гидравлической системы управления площадью поверхности горения РДУ как объекта регулирования. Составлены математические модели без учета влияния устройств шдроавтоматики, с изменяемой площадью поверхности горения твердого топлива и с изменяемым минимальным сечением сопла, выполнен численный анализ данных моделей. Результаты моделирования показывают, что учет сжимаемости жидкости увеличивает расчетное время переходного процесса на 0,05 с, а учет изменения температуры в камере сгорания приводит к статической ошибке более 5 %. Выявлено, что установленный поршень в канале заряда приводит к увеличению переходного процесса на 0,1 с. По результатам анализа способов регулирования была разработана новая принципиальная и компоновочная схема электрогидравлической системы управления РДТТ и получен патент RU244389C1.

2. Разработана математическая модель электрогидравлической системы РДУ. Проведен анализ результатов численного моделирования электрогидравлической системы управления РДУ. Модель позволяет в размерном и безразмерном виде рассчитывать и осуществлять сравнительный анализ параметров и характеристик в подсистемах управления. Установлено, что с применением электрогидравлической системы управления время переходного процесса сократилось в 2,5 раза, время первого выхода на режим сократилось в 4 раза, статическая ошибка находится в пределах 5 %. Проведен синтез гидравлической системы управления двигательной установки с исполнительными механизмами: гидравлической рулевой машиной и гидроагрегатом регулирования расхода жидкости. Исследовано влияние гидравлических исполнительных механизмов на свойства переходных процессов РДУ. Из результатов численного моделирования установлено, что инерционность устройств гидроавтоматики приводит к динамическим ошибкам от 5 % и выше, и статическим ошибкам от 3 % и выше. Разработана программа по расчету параметров и характеристик гидроагрегатов в специализированном пакете Maple.

3. Проведено экспериментальное исследование гидроагрегатов с целью подтверждения работоспособности и проверки достоверности математической модели. Сравнение полученных характеристик показывает расхождение результатов численного моделирования и экспериментальных данных, не более 5 %, что позволяет утверждать о правильности в подходе создания методики моделирования рабочих процессов элекгрогидравлической системы управления РДУ.

4. Разработана методика моделирования рабочих процессов электрогидравлической системы управления РДУ с учетом взаимного влияния гидравлических исполнительных механизмов на свойства переходных процессов, позволяющая повысить качество проектирования и сократить сроки доводки гидроагрегатов. Реализованная на ЭВМ методика моделирования рабочих процессов, основанная на решении системы дифференциальных уравнений в нелинейном виде, позволяет учитывать влияние различных нелинейностей, оказывающих существенное воздействие на свойства переходных процессов. Разработанная методика позволяет реализовать идею замены огневых стендовых испытаний регулируемых двигательных установок математическим моделированием на ЭВМ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано 24 научных работы, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1 Бачурин, А.Б. Экспериментальные и теоретические исследования особенностей течения в регулируемых соплах с центральным телом / А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, A.M. Русак, В.А. Целищев // Вестник УГАТУ, г.Уфа, 2010, том 14, №5 (40) — С.52 - 61

2 Бачурин, А.Б. Тенденции развития систем управления гашением ракетных двигателей твердого топлива / А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, Е.С. Литвинов, В.А. Целищев И Вестник УГАТУ, г.Уфа, 2011, том 15, №4 (44) - С.127 -134

3 Бачурин, А.Б. Опыт разработки комбинированного РДГТ многократного включения / А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, И.А. Кривошеев, В.А. Целищев // Вестник УГАТУ, г.Уфа, 2012, том 16, №2 (47) - С.174 - 188

4 Бачурин, А.Б. Система автоматического регулирования давления в камере сгорания РДТТ / А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, Е.С. Литвинов, В.А. Целищев // Вестник УГАТУ, г.Уфа, 2013, том 17, №3 (56) - С.26 - 33

5 Бачурин, А.Б. Влияние внутрикамерного давления РДТТ на подсистему слива жидкости из каналов в заряде твердого топлива / А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, Е.С. Литвинов, В.А. Целищев // Вестник УГАТУ, г.Уфа, 2013, том 17, №3 (56) — С.49 - 54

Патент РФ

6. Бачурин, А.Б. Регулируемый ракетный двигатель твердого топлива / А.Б. Бачурин, Е.В. Стрельников, Ю.М. Ахметов, В.А. Целшцев: Номер патента: 2443895 С1;3аявка: 2010136793/06; Дата подачи заявки: 02.09.20Ю;Опубликовано: 27.02.2012.

Диссертант

А.Б .Бачурин

Бачурин Александр Борисович

ЩЦРОАВТОМАТИКА РЕГУЛИРУЕМОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ (РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ)

Специальность: 05.04.13 -Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискаиие ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.04.2014. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 286.

ФГБОУ BIIO «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

04201459625

На правах рукописи

Бачурин Александр Борисович

ГИДРОАВТОМАТИКА РЕГУЛИРУЕМОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ (РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ)

05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.А. Целищев

Уфа 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................3

1 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РДУ

1.1 Классификация задач и методов управления двигательных установок твердого топлива..................................................................................9

1.2 Аналитический обзор литературы и анализ математических моделей систем электрогидравлического управления РДУ................................................16

1.3 Перспективы развития систем электрогидравлического управления РДУ................................................................................................23

1.4 Постановка цели и задач исследования......................................30

2 АНАЛИЗ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЛОЩАДЬЮ ПОВЕРХНОСТИ ГОРЕНИЯ РДУ

2.1. РДУ как объект регулирования.................................................38

2.2. Модель внутрикамерных процессов РДУ....................................42

2.3. Математическая модель РДУ с изменяемой площадью поверхности горения твердого топлива гидравлическим способом....................................48

2.4 Математическая модель РДУ с изменяемой площадью критического сечения сопла.....................................................................................59

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ГИДРОАВТОМАТИКИ РДУ

3.1 Математическая модель гидравлической машины для регулирования минимального сечения сопла с учетом РДУ...............................................66

3.2 Математическая модель гидроагрегата регулирования расхода жидкости для управления площадью поверхности горения твердого топлива с учетом РДУ.......................................................................................74

3.3. Влияние гидравлических исполнительных механизмов на свойства

переходных процессов в электрогидравлической системе РДУ...............83

3.4. Исследование устойчивости подсистем гидроавтоматики

регулирования РДУ......................................................................89

3.5 Анализ результатов численного моделирования комбинированной электрогидравлической системы управления РДУ........................................94

3.6 Математическая модель комбинированной электрогидравлической системы управления РДУ с использованием безразмерных параметров............98

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ГИДРОАВТОМАТИКИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ РДУ С УЧЕТОМ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ГИДРОАГРЕГАТОВ

4.1 Экспериментальное исследование гидроагрегата слива жидкости из каналов заряда...................................................................................112

4.2 Экспериментальное исследование гидравлической машины регулирования минимального сечения сопла...........................................121

4.3 Методика моделирования рабочих процессов в гидравлической системе РДУ с учетом взаимного влияния устройств гидроавтоматики на свойства переходных процессов.......................................................................124

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.......................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Перспективы развития регулируемых двигательных установок (РДУ) неразрывно связаны с развитием и внедрением высокоточных систем автоматического управления. Возрастающие требования к уровню и качеству параметров и характеристик регулируемых двигательных установок приводит к необходимости совершенствования методов расчета и проектирования электрогидравлических исполнительных механизмов систем гидроавтоматики. Исполнительные механизмы: гидравлическая рулевая машина и регулятор расхода жидкости, хорошо зарекомендовали себя в системах управления летательных аппаратов

Достигнутый в настоящее время уровень развития вычислительной техники как по быстродействию, так и по объёму оперативной памяти, всё более широкое внедрение многопроцессорных систем, позволяет использовать более совершенные математические модели для расчёта рабочих процессов. Современные аппаратные средства и математическое обеспечение ЭВМ позволяют решать системы нелинейных дифференциальных уравнений, наиболее точно описывающие процессы в системах гидроавтоматики, получать требуемые статические и динамические характеристики. Это позволяет сократить время проектирования и доводки гидравлических регуляторов, а также обеспечить рациональный выбор параметров и требуемое качество переходных процессов.

Разработка образцов ракетной техники сопровождается устойчивой тенденцией последних лет к сокращению финансирования. Основную долю затрат на создание РДТТ составляют затраты на отработку и доводку гидроавтоматики двигательной установки. Это проводит к необходимости частичной замены экспериментальной отработки математическим моделированием. В связи с этим, задачей первоочередной важности становится всё более широкое внедрение и совершенствование методов математического моделирования рабочих процессов в регулируемых РДТТ.

Изложенное позволяет считать основной целью работ в рассматриваемой области создание математических моделей и программ расчета, наиболее точно

описывающих реально протекающие процессы в электрогидравлических системах управления регулируемых двигательных установок твердого топлива многократного включения. Только это позволит в конечном итоге реализовать идею замены огневых стендовых испытаний регулируемых двигательных установок математическим моделированием на ЭВМ.

Над созданием двигательных установок с глубоким регулированием модуля тяги, оснащенного электрогидравлической системой управления работали многие научные и проектно - конструкторские организации. Некоторые результаты исследований обобщены в трудах таких ученых, как В.М. Бобылев, Б.Т. Ерохин, В.Г. Зезин, A.M. Липанов, В.И. Петренко, В.Л. Попов, В.Ф. Присняков, A.M. Русак, В.И. Феофилактов и др.

Результатом этих работ явилось создание опытных конструкций РДУ, прошедших стендовую отработку: двигатель с регулируемым минимальным сечением сопла, двигатель раздельного снаряжения, двигатель с тепловым ножом, двигатель с "гидравлическим" регулированием поверхности горения и др.

Анализ патентных исследований и разработок показал, что во всех схемах РДУ (в том числе и в рассматриваемой схеме), где необходимо механическое перемещение управляющего элемента: "тепловой нож", регулируемое критическое сечение, отклоняемое сопло и т.п. в качестве исполнительного механизма используется, как правило, электрогидравлический привод. Инерционность исполнительных механизмов оказывает определяющее влияние на динамические характеристики РДУ. На современном этапе развития ракетостроения этот фактор является определяющим для многих схем РДТТ. Среди электрогидравлических приводов систем управления РДУ большими преимуществами обладает привод с гидравлической рулевой машиной большой мощности.

Степень разработанности темы исследования. Проведенный обзор работ ведущих научных организаций и предприятий страны, посвященных данному направлению исследования за последние годы, показал, что вопрос математического моделирования физических процессов, протекающих в системах

гидроавтоматики регулируемой двигательной установки, остается слабо изученным.

В вопросах, связанных с созданием гидравлических схем регулирования ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и математическими моделями функционирования, следует выделить вклад многих отечественных предприятий и институтов. В частности, это ФГУ П «Московский институт теплотехники», ГРЦ «КБ им. В.П. Макеева» (г. Миасс), НПО «Искра» (г. Пермь), НПО «Алтай» (г. Бийск), НПО «Союз» (г. Люберцы), НПОА (г. Екатеринбург), НИИАП (г. Москва), ПНИПУ, ЮУрГУ, ИжГТУ, УГАТУ (г.Уфа), МГТУ им. Н.Э. Баумана, КГТУ им. Туполева. Существенный вклад в создание основ теории управляемых двигателей внесли такие ученые (и их научных школ) как A.M. Липанов, Е.А. Федосов, Л.Н. Лавров, М.И. Соколовский, В.И. Петренко, В.И. Феофилактов, В.М. Бобылев, В.Ф. Присняков, Б.Н. Лагутин, A.A. Шишков, Б.Т. Ерохин, В.Г. Зезин, С.Д. Ваулин, A.M. Русак, И.А. Кривошеев, В.А. Целищев, Wengan Xu, J.A Steinz, Ide Kym, M. и др.

Цель работы. Разработка и исследование гидравлической машины и гидроагрегата для электрогидравлической системы управления РДУ. Основные задачи исследования:

■ анализ гидравлической системы управления площадью поверхности горения РДУ;

■ разработка математических моделей гидравлической машины для регулирования минимального сечения сопла и гидроагрегата для управления площадью поверхности горения твердого топлива с учетом их влияния на внутрибаллистические характеристики и переходные процессы РДУ;

■ проведение экспериментальных исследований исполнительных устройств гидроавтоматики и верификация результатов моделирования;

■ разработка методики моделирования рабочих процессов в гидравлической системе РДУ с учетом взаимного влияния устройств гидроавтоматики.

Научная новизна

■ Новая принципиальная и компоновочная схема электрогидравлической системы управления двигательной установки (патент №2443895), отличающаяся наличием встроенного делителя потока, регулятора расхода, струйной гидравлической рулевой машины и системы гашения порохового заряда, позволяющая повысить надежность и эффективность работы системы.

■ Математическая модель электрогидравлической системы управления РДУ, заключающаяся в моделировании статических и динамических характеристик устройств гидроавтоматики, входящих в состав РДУ, позволяющая обеспечивать при разработке необходимые требования к качеству переходных процессов.

■ Методика моделирования процессов в электрогидравлической системе РДУ, включающая этапы моделирования, исследования и прогнозирования параметров и характеристик устройств гидроавтоматики РДУ, позволяющая повысить качество проектирования и сократить сроки доводки.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика расчета гидроавтоматики для управления РДУ позволяет исследовать устойчивость и быстродействие с учетом действующих на него управляющих и возмущающих воздействий.

Разработанный комплекс прикладных программ позволяет проводить численное исследование имитационных моделей гидравлических устройств автоматики регулирования двигательной установки и сравнивать полученные результаты с экспериментальными данными. Разработанная система гидроавтоматики РДУ позволяет значительно сократить время переходного процесса с одного режима работы на другой и повысить точность управления. Методика моделирования процессов в электрогидравлической системе управления энергетических установок внедрена на ОАО УАП «Гидравлика» и в учебный процесс УГАТУ.

Методология и методы исследования.

Теоретические и экспериментальные исследования опираются на основы технической гидромеханики и гидродинамики. В работе применены численные

методы, методы дифференциального и интегрального исчислений и верификации математических моделей на основе результатов экспериментальных исследований. Численные исследования проводились с помощью компьютерных пакетов и MS Excel и Maple. Опытная проверка результатов математических моделей проходила на автоматизированных стендах па базе учебного научного инновационного центра «Гидропневмоавтоматика».

Положения, выносимые на защиту:

1. Новая принципиальная и компоновочная схема электрогидравлической системы управления двигательной установки.

2. Математическая модель гидравлической системы управления РДУ, позволяющая исследовать работу РДУ с учетом нелинейностей в гидроагрегатах.

3. Результаты экспериментальной проверки математической модели электрогидравлической системы управления.

4. Методика моделирования рабочих процессов электрогидравлической системы РДУ.

Степень достоверности результатов работы. Достоверность проведенных в работе теоретических исследований и расчетов подтверждена путем верификации на основании результатов экспериментов, полученных при натурных испытаниях регулятора расхода и гидравлической рулевой машиы на кафедре прикладной гидромеханики ГОУ ВПО УГАТУ.

Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» 8-10 декабря 2009 г. -г.Челябинск, всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», 26-27 октября 2010г. - г. Уфа, на третьей Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты», 23 апреля 2010г. - г. Москва, на 15-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», декабрь 2011г. - г.

Москва, Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. В 2010-2014 года работа докладывалась на научных семинарах УНИЦ «Гидропневмоавтоматика».

Материалы диссертации вошли в отчеты по грантам по направлению «Ракетостроение» в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.:

1) № П317 от 28 июля 2009 г. по проблеме: "Электрогидравлические системы управления регулируемой двигательной установкой твердого топлива многократного включения"

2) № П934 от 20 августа 2009 г. по проблеме: "Разработка методов расчета и совершенствование рулевых приводов ракетных двигателей"

3) Государственный контракт № 02.740.11.0522 на выполнение научно-исследовательских работ (НОЦ) "Разработка методов и средств проектирования, испытания и диагностики систем управления РДТТ с глубоким регулированием модуля тяги и многократным включением" (шифр заявки "2010-1.1-410-008-002")

По теме диссертации опубликованы 24 печатные работы, из них: 8 - тезисов докладов [13-21]; 10 - научных статьи [21-30]; 5 - статей в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК [7-11]; 1 - патент [12].

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РДУ

1.1 Классификация задач и методов управления двигательных установок твердого топлива

В современной ракетной технике широко используются ракетные двигатели и газогенераторы твердого топлива (РДТТ и ГГТТ), предназначенные для управления движением летательных аппаратов (ЛА), что объясняется простотой их эксплуатации, высокой надежностью и малой стоимостью твердотопливных энергосиловых систем. Дальнейшая конкурентоспособность РДТТ по сравнению с жидкостными ракетными двигателями зависит от того, как удастся решить проблему глубокого управления модулем тяги РДТТ. Надо отметить, что эта комплексная проблема решается разработкой схемных решений, технических и конструкторских элементов двигателя, созданием надежных и дееспособных систем гидроавтоматики РДУ.

Реализация задач управления продольным движением ракет может быть достигнута применением двигателя с программируемой тягой, либо с неизменяемой (жесткой), либо, с адаптируемой к условиям полета, программой тяги. Для адаптации программы тяги и управления ею могут быть использованы: стабилизация, многократное включение, форсирование тяги, а также пропорциональное или ступенчатое управление ее величины.

В подавляющем большинстве типов ракет, стоящих на вооружении, используются твердотопливные двигатели - РДТТ. Такие двигатели являются маршевыми для всех ступеней ракет и, кроме того, широко используются как двигатели специального назначения - для стабилизации, закрутки блоков, распределения блоков по площадям и т.д.

Необходимость повышения дальности полета ракет, потребность в системах высокоточног наведения предъявляет повышенные требования к надежности и точности отработки сигналов управления устройствами гидроавтоматики.

Как показывает анализ задач управления движением РДТТ[3,34,60,72,78,82,92], они могут быть сведены в четыре основных класса приведенных на рисунке 1.1.

К первому классу относятся задачи управления продольным движением аэродинамических ракет. Целью такого управления является улучшение летно-тактических характеристик таких ракет за счет оптимизации закономерностей изменения скорости движения ракеты по времени с учетом выполнения заданных ограничений.

Во второй класс входят задачи управления движением центра масс (ЦМ) высотных ступеней ракет. Для реализации таких задач управления движением необходимо многократное включение двигателя, а также импульсное, релейное или пропорциональное управление его тягой.

К третьему классу относятся задачи управления движением ракет относительно центра масс. Этот класс включает в себя задачи стабилизации, ориентации,