автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системное проектирование тепловой машины однократного действия

На правах рукописи

Нго Чи Ньят Линь

Д я.нжяш,

СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ ОДНОКРАТНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность: 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации» (промышленность, промышленная безопасность и экология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2006

Работа выполнена на кафедре «Расчет и проектирование автоматических машин» и кафедре «Стартовые и технические комплексы реактивных систем залпового огня» Тульского государственного университета.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Устинов Лев Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Карпов Вячеслав Сергеевич;

диссертационного совета Д212.271.05 при Тульском государственном университете по адресу: 300600, Тула, пр. Ленина, 92, (9-101).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Тульского государственного университета

доктор технических наук, профессор

Швыкин Юрий Сергеевич

Ведущая организация: ФГУП «ГШ 111 «Сплав». Г. Тула

часов на заседании

Автореферат разослан сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.М. Панарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тепловые машины однократного действия (ТМОД) представляют собой разновидность многозарядных ракетных образцов вооружения. Анализируя развитие ТМОД за последние десятилетия, можно сделать вывод: внимание специалистов к этому классу систем, как в нашей стране (СРВ) так и за рубежом, возрастает. Если до середины 60-х годов разработки этих систем велись в основном в СССР, США, ФРГ, Китае, то в последние десятилетия число государств, разрабатывающих и эксплуатирующих ТМОД превысило 70 [ 1 -5].

Добиться улучшения показателей функционирования ТМОД можно за счет использования системного подхода при их проектировании. Диссертационная работа посвящена разработке такого математического аппарата, который позволяет проводить расчеты в условиях установившихся и нестационарных режимов и находить конструктивные параметры ТМОД, обеспечивающие повышение эффективности их работы в составе технического объекта. Расчет и обоснование выбора проектных параметров проводится путем использования комплекса математических моделей логически увязанных между собой с использованием критерия эффективности.

В связи с этим, определение оптимальных параметров и повышение эффективности функционирования тепловых машин однократного действия является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в построении комплекса математических моделей функционирования ТМОД в составе технического объекта и разработке инструмента теоретической оценки технических решений, позволяющего определить параметры тепловой машины, обеспечивающие повышение эффективности ее работы.

Цель была реализована в результате решения следующих задач:

- разработка алгоритма синтеза параметров, позволяющего обоснованно находить рациональные параметры тепловой машины;

- построение математической модели внутрибаллистического процесса в двигателе;

- построение математической модели термонапряженного состояния стенки двигателя;

- построение математической модели динамики функционирования технического объекта;

- создание пакета прикладных программ на ЭВМ и исследование влияния ряда конструктивных параметров ТМОД на эффективность функционирования системы.

Объект исследования: тепловая машина однократного действия к системе «Град», разработанная в СССР и стоящая на вооружении СРВ.

Метод исследования: - комплексный, включающий анализ и синтез параметров, математическое моделирование, вычислительный и производственный эксперимент, методы теории вероятностей и математической статистики с использованием ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Рассмотрение тепловой машины как единой энергетической системы. Это дает возможность применять комплекс математических моделей для описания различных режимов работы системы.

2. Разработка комплекса математических моделей, позволяющего установить связи параметров тепловой машины с ее выходными характеристиками.

3. Обоснованное определение требований к выходным характеристикам машины как подсистемы технического объекта. Разработка алгоритма синтеза параметров для рационального определения конструктивных параметров ТМОД, обеспечивающих выполнение этих требований.

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке математического описания и программного обеспечения для расчета процессов, протекающих в тепловой машине; все это дает возможность проводить исследование функционирования системы на стадии проектирования;

- в оценке влияния конструктивных параметров тепловой машины на эффективность функционирования системы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

. - VII Всероссийской научно - технической конференции по проблемам специального машиностроения ( Тула, ТулГУ, 2004 гг.).

- XVII научно — технической конференции «Пути совершенствования ракетно - артиллерийской техники» (Тула, ТАИИ, 2005 гг.).

- Юбилейной научно — технической конференции, посвященной 65-летию ФГУП «ГНПП «СПЛАВ» (Тула, ФГУП «ГНПП «СПЛАВ», 2005 г.).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 5 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 35 русских и 3 иностранных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обосновании актуальности работы, сформулирована цель работы. Приведен краткий обзор работ, связанных с созданием современных тепловых машин однократного действия, запускаемых из многоствольных пусковых установок. Отмечаются работы известных советских и российских ученых, конструкторов, инженеров: Г.Э. Лангемака, Б.С. Петропавловского, И.И. Гвая, В.И.Костикова, В.П. Бармина, А.Н. Ганичева, Г.А.Денежкина, Н.А. Макаровца.

В первой главе анализируются разновидности баллистических двигателей, дается характеристика рабочего процесса в ракетном двигателе, проводится анализ и расчет рабочего процесса в ракетном двигателе ТМОД.

Приводится краткий анализ развития внутренней баллистики. Отмечается, что создателем русской научной школы конструкторов и ученых — баллистиков по праву считаются проф. Н.Ф. Дроздов, проф. И.П. Граве, и В.М. Трофимов. [2-5]. К следующей плеяде ученых - баллистиков относятся профессора Д.А. Венцель, Б.Н. Окунев, В.Е. Слухоцкий, М.Е. Серебряков, Г.В.Опоков, М.А. Мамонтов. М.С. Горохов и другие.

Единый подход к описанию термодинамического процесса в баллистическом двигателе различных разновидностей обеспечивает принятие уравнений термодинамики тела переменной массы, фундамент которой был заложен проф. М.А. Мамонтовым, в качестве основных уравнений рабочего процесса.[5].

Реализации идеи построения единой науки «Внутренняя баллистика подчинены работы проф. Н.П. Юрмановой, проф. Ю.С. Швыкина.

В соответствии с уравнениями термодинамики тела переменной массы математическая модель для газа, находящегося в камере ракетного двигателя, в любой период процесса будет иметь вид [1]:

= (1.1) Л Л 1 сН <Ш Л

Лт - <У,С„+ 8гОТ- ¿з^; (1.2)

а

V V

т Л

(1.3)

где —^ - секундный приход энергии с газом, образующимся от сгорания СВ; Л

—— =Я8С„; (1.4)

си

_ с/и/я ко ёея

Ов = "'« = "'в -~<гв ~±\ (1.6)

т с'1в м

ств=\ + 2Хв2в+^вгв ; (1.7)

гв = — ; (1.8)

с/е,

= Р№\<Тначу, (1.9)

Ру(Р) = Лв+ВвРУв-> 0-Ю) в(Тнач) = -~~-^—--. (1.11)

^в Фнач тНОрМ) !— - секундный приход энергии с газом, образующимся от сгорания

сЧ

основного топлива;

ж

= ПТСТ\ (1.12)

ПТ; (1.13)

Ог^^щ^сгт^. (1.14) ш еур ш

ат =\ + 2хтгт +3ртгт2; (1-15)

гт=—; (1.1б)

е\т

^ = %(р)^2г(Г„ач); (1.17)

Р1Т(р)=Лг+ВгруТ; (1.18)

Ът (Тнач ) = „ БТ~Гт-г - (1.19)

"Т V/ нач 1 норм)

¿2 Р _

секундный расход энергии с газом, истекающим из камеры; с/Г

-^- = Првр; (1.20)

П р — ки = к — ; (1.21)

т

СР =34(р2Гкр-Р. (1.22)

4пР

ы<2

- секундная отдача теплоты от газа стенкам камеры и основному

dt

топливу;

« = + (1.23)

dt dt 5 dt

Щ)К щ к sKM p; (1.24)

p OjtSQP, (1.25)

at к

где приведенные коэффициенты теплоотдачи от газа стенкам камеры

и топливу;

°тк > 1)тг " температурные коэффициенты;

S¡{и - внутренняя поверхность камеры;

So - поверхность топлива.

Зависимость для вычисления объема:

w = Жд + wcr¡¡ + fvCrT - war (1.26)

шъ

Wo,« = —— \)/ß — объем сгоревшей части ВС;

рв

ttl-r

war —— wt ~ объем сгоревшей части топлива;

рт

Wa]=арт - объем молекул газа.

К началу процесса свободный объем двигателя заполнен воздухом.

pbx = рн>

твх =тнлч>

(1.27)

и ах <Лвх -*) = pbxwa>

>»¡1xrbxtbx =pbxwд-Процесс в двигателе заканчивается тогда, когда давление в камере окажется равным давлению наружной среды.

Расчет процесса с использованием системы уравнений (1.1) — (1.27) выполняется на ПЭВМ с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений этой системы.

Во второй главе приводится математическая модель термонапряженного состояния стенки ТМОД. Показано, что успешная разработка нового двигателя к системе ТМОД повышенной эффективности зависит от успешного решения проблемы тепловых процессов, протекающих в двигателе. Проблеме тепловых процессов в двигателях и сложных системах посвящены работы М.П. Кузьмина, А.Г. Шипунова, Ю.С. Швыкина, A.A. Каширкина, Е.П. Полякова, Л.А. Устинова, М.А. Тарасова, A.C. Зайцева и многих других авторов [3].

Распределение тепла в стенке описывается системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения теплопроводности, начальные и граничные условия:

зг{ы)_\а(. „аго-.О'

г'аАЛ'Г аг)' ПРЫ >'в ^г<гн,1= 1,2,../;

т(г,!0) = т(г,г), при [=!0=0, гв <г <гн;

= 0, при (0<(1{к, г = гв; (2.1)

, ЗТ(г,г) 7)_1 -Г;

"ри 'ог = ъ

я' +ССв ^■" -'Ь ^ ] = о. «ри

г=ги.

где - число слоев стенки, Т- температура,

77- температура газа в камере двигателя.

Тв - температура окружающей среды (воздуха).

с„р,,Я(- соответственно удельная теплоемкость, плотность, коэффициент теплопроводности материала слоев стенки, г„, г„ — радиус стенки (внутренний, наружный),

ар,а в- коэффициенты теплообмена, соответственно между газом и внутренней поверхностью стенки, между наружной поверхностью и воздухом, Кг - термическое сопротивление между слоями, t, 'о, С — время, соответственно текущее, начальное, конечное.

Коэффициент теплообмена между газом и внутренней поверхностью стенки я, является сумой конвективного и радиационного теплообменов. Для высокотемпературного газового потока принимается соотношение:

агг = (1,15-1,20)«^ (2.2)

Коэффициент конвективного теплообмена определяется из критериальной зависимости:

Ш = 0,023.Кеоя .Рг0,4

Поскольку =

0.023Дг.Рг"'4 ( 4

а и.»

I в с

получим . , (2.3)

где скорость расхода газов.

ср - теплоёмкость при постоянном давлении; Л1 - коэффициент теплопроводности газа ; ц - коэффициент динамической вязкости: Для рассматриваемого газа Рг = 0,8

Коэффициент теплообмена между наружной поверхностью стенки и внешней средой:

= + о-

ан т~тя , (2.4)

где Я, - коэффициент теплопроводности воздуха, Ыи = 0,02.Яе _ критерий при вынужденной конвекции ,

Ли = 0= 0,5.

- критерий при свободной конвекции,

V - кинематическая вязкость воздуха.

Температурные напряжения при плоском деформированном состоянии определялись на основе допущений:

- распределение температуры симметрично относительно оси цилиндра и постоянно по длине;

- модуль упругости и коэффициент линейного расширения материала цилиндра принимаем средними постоянными значениями.

Относительная температурная деформация в основном направлении е> является величиной постоянной т.е имеет место плоское деформированное состояние.

Результирующие деформации в стенках корпуса будут определяться сумой упругих деформаций, возникновение которых обусловливается неравномерным разогревом стенок, и тепловых деформаций, являющихся следствием только одного изменение температуры, т.е

*'=£° + а.Г (2.5)

Тепловые деформации в трёх основных направлениях можно представить в виде

Е (2.6)

е,' = ~- /лет," -/лсг°)+ а.т

£ (2.7)

Дифференциальные уравнения упругого равновесия цилиндра имеют

вид:

сг° + г.-—--сг1' = 0, * т 3

<!г ' & Г (2.8)

Отметим, что

е', = const => dc[ Idr = О На внутренней и наружной поверхностях имеем:

о

(2.9)

(2.10)

После преобразований, основные напряжения вычисляются по формулам:

Из закона распределения температуры по толщине стенки, который известен, можно вычислить значения термо напряженного состояния стенки по формулам (2.11).

В третьей главе представлена математическая модель динамики функционирования системы «пусковая установка - ТМОД» [2].

Анализ литературных данных по динамике функционирования системы показал, что одним из основных направлений повышения эффективности действия ТМОД является снижения технического рассеивания в залпе за счет улучшения динамических характеристик пусковых установок, снижение воздействия газовой струи на пусковую установку.

По данному направлению работали ученые В.И. Гужовский , В.Г. Вдовин, В.Н. Чернов , A.B. Чернышев, М.Л. Рашковский, В.А. Светлицкий, М.М. Скоробогатов , И.П. Гинзбург , А.И. Старшинов , Е.А. Угрюмов и др. Однако отсутствие единого подхода к рассматриваемым вопросам, недостаточное опытное обоснование ряда методик, отсутствие теоретической разработки методов проектирования пусковых устройств требует проведения обобщающего исследования по динамике и газодинамике старта ТМОД из многоствольных пусковых установок залпового огня.

Анализ функционирования системы «пусковая установка —ТМОД» позволил составить систему уравнений движения ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках. Совместное движение ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ описывается общим уравнением механики [2]:

(2.11)

а.е 1

V

(3.1)

п=1

где Рп — внешние силы; Ф„ - силы инерции; Я„ - реакции связей;

6хп — возможные перемещения; N — число твердых тел систем.

Имея в виду независимость возможных перемещений из этого уравнения следует уравнение для линейного и углового движения тел переменной массы:

Чш + Фин + ^-св = 0, (3.2)

мЗн+мЯн+ма,=о. (3.3)

В число внешних сил входят реактивные силы, силы упругого взаимодействия тел и силы диссипативного взаимодействия. Силы и моменты реакций связи действуют в точках контакта тел по нормали к поверхности. Инерционные силы для тел переменной массы могут быть записаны так:

ф1 = ^ина

с!1

&

X1!

к.),

" таа (хама ))|3а

(3.4)

Инерционные моменты для тел переменной массы записываются в

виде

МЛ ^ м ^ Р ,

'"ина -"аи ~ шааЛц1)-'аршаа ~

Л

<11

аОа хл Схи V „И ХЧ VP ХЯ ( у , Лцу\хама/+ шааЛцр*а0а Су\ ома/

Ра

(3.5)

= очр 7се[шр

При принятии связей голономными можно уменьшить число обобщенных координат в уравнениях Лагранжа рассматриваемой системы твердых тел.

Уравнения движения для тел переменной массы содержат члены, зависящие от скорости перемещения центра масс тел в переносном движении связанной системы координат.

Система уравнений движения газа и взаимодействукшцгх тел должна быть дополнена информационным уравнением о метрике используемой координатной сетки [2], необходимой для нахождения элементарных площади и объема.

йх? Эх"

°с1 = Са<"

(3.6)

где

ехЕ ех11

л/еМх'ск^х3 = ТОе^ск'чк^х^, (3.7)

х|| = <15Е = ^е^х^ск^, (3.8)

хг=Хг(х^) (3.9)

— связь между используемой и базисной системами координат;

G = |Gen| = detGen.

(3.10)

Матрица вращения, используемая для связи двух декартовых систем юординат, повернутых на углы Эйлера у12, 4*12. 912» имеет вид:

cosi9cosy

- cosy sini9cosy + + siny siny

- cosy sinÄ;osy + + siny cosy

sini9

cosÄosy

— cosÄosy

- sinycos,?

cosysiny+ + siny sini9cosy

cosy cosy -- siny sin .9siny

(3.11)

Имеют место также следующие математические соотношения [2]:

5Ve

-< Vе V1 =GcoV0v4

-VI*.

ST

V,T = -1 dx>'

(3.12)

Г* = --GEa Ps 2

'dGpo 3G

Ca 4

дх^ ßxp 5x° -де Г^- — символы связности второго ряда (символы Кристоффеля).

Углы Эйлера относительно двух систем координат связаны }ависимостями

Bl3(%>Vi3>Vi3)!i = B2i(52l.V21.r2l)SB23(-923.V23.Y23)v- <3-13>

В работе представлена математическая модель динамики функционирования установки [3], разработанная в СВР на основании работ российских ученых.

В четвертой главе представлено системное проектирование ТМОД. Дается анализ литературных данных по системному проектированию сложных гистем. Отмечаются работы известных ученых: Н.П. Бусленко, В.В. Калашникова, И.Н. Коваленко, H.H. Моисеева, Ф.И. Перегудова, Ф.П. Тарасенко, A.A. Кузнецова, A.A. Королева, Б.К. Новикова, В.Ф. Дмитриева, A.B. Игнатова, Квейда Э., Моррисея Дж., Ackoff R.L., Cotrove S., Mitroff 1.1 [4,5].

Дается формулировка задачи проектирования. В общем случае задача проектирования является одной из задач системного анализа.

Наша задача состоит в нахождении сочетаний и значений оптимальных

параметров, обеспечивающих значения критерия качества и удовлетворяющих тактико-техническим требованиям.

Формализация задачи проектирования. 2 (д: )= тах(тт), (*) е Е" ■^(дг)=0, ¡ = 1,т; (4.1)

&(*)>0, | = 1, я,

где Z(x)- целевая функция;

у/, (х) - 0 -дисциплинирующие условия;

g¡ (х) > О — граничные условия второго рода;

л-вектор, заданный в и-мерном евклидовом пространстве Еп;

т — число дисциплинирующих условий;

п- число граничных условий.

Целевая (или критериальная) функция — математическая зависимость критерия экстремизации от оптимизируемых параметров; в более широком смысле целевая функция — это способ определения критерия экстремизации.

При проектирование ТМОД используется принцип максимального эффекта (наибольшей эффективности).

Анализ литературных данных по формированию критериев показывает, что при разработке системы ТМОД желательно использовать общий критерий «эффективность — стоимость». Однако получить такой критерий в силу отсутствия большого объема статистического материала не представляется возможным.

При системном проектировании в диссертационной работе используются частные критерии и комплексный критерии эффективности Частными критериями являются: скорость ТМОД в конце активного участка, начальная масса ТМОД, единичный импульс двигателя, углы колебания пусковой установки. Комплексным критерием является показатель конструктивного и эксплуатационного совершенства (качества) системы «ПУ—ТМОД» произведение отношений частных критериев, составленный таким образом, чтобы получить целевую функцию, которую необходимо максимизировать:

к = ¿дв___УЛ__1___1__1__

3 1двср 'улср адв ' л£о_' _<р_ ' ' адвср м0ср фср ¥ср Методология системного подхода определения параметров заключается в следующем. При заданных калибре «с!», массе головной части (или Сц) определяются сочетания входных параметров (сила топлива {, импульс топлива I, характеристики формы топлива О, с!, Ь, объём камеры сгорания \Ук, плотность заряжания Д (или масса топлива ш) и т. д., удовлетворяющие всем ограничениям на характеристики: УА > УА*, Р„,а< < Р,™,*, М0 < Мо*, <р<<р*5 у/ <ц/', т.п. , т. е. удовлетворяющие условиям работоспособности на входные параметры. При этом максимальное давление Рта„ термопрочность ав, угловые перемещения <р, тепловые процессы рассчитываю тся при температуре окружающей среды + 50°С, а скорость тепловой машины в конце активного участка Уд, параметры газа в камере сгорания и сопловом блоке -при температуре -50°С. На начальном этапе исследований сразу же выясняется принципиальная возможность реализации заданных УА*, М0*, <р*, у* с учётом перспективы совершенствования ТМОД. При положительных результатах вычисления продолжаются в сужающейся области варьируемых входных параметров, при отрицательном - осуществляется согласование нового технического задания, после чего вычислительная процедура выполняется в той же последовательности.

В результате параметрического синтеза получаются области работоспособности на входные параметры, т. е. сочетания основных конструктивных и эксплуатационных характеристик ТМОД, удовлетворяющих требованиям технического задания. Алгоритм процедура синтеза основных конструкционных и эксплуатационных характеристик представлен на рис.1.

В качестве основных требований технического задания при разработке системы: скорость в конце активного участкаУА*, (максимальная дальность полета — Хт„ ), начальная масса ТМОД Мо*. Задача заключается в отыскании таких сочетаний входных параметров х! (Х|=Д, х2=Г, х=Ь и т. д.), при которых в рамках рассмотренных выше ограничений выполняются условия работоспособности Хтах>Хт1и*, УА>Уд*, М0<Мо* ф <ф* ,

Поставленная задача решается поэтапно. 1. На первом этапе проверяется возможность выполнения ограничения по максимальному давлению Рта*<Ртах*-Д>1я этого входные параметры назначаются таким образом, чтобы при заданных 1>н и Сц предельно допустимая величина каждого из них соответствовала наименьшему уровню Ртах, ТО есть Д = Дт;п, Г=Гта1, \УКМ=^КМ „,-,„. Расчёты проводятся для температуры окружающей среды, соответствующей получению наибольших величин Р,п»,( ' 50 С).

Проекти рование

РЗ, системы восплам снсния

Проекти -рование камеры сгорания, соплового блока

_15_

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

л ШАХ» М*о, ^гч» V*!, Р*щах»

{= +50° С, А -Атах , ....

г= г ■шяп • .. \УКИ =ЛУКИ Ш1 п

Д «Ю < Д □ А т„ , ГтМ < *< ' т.. 0>т!о<0)<Юти

НЕТ — Ркпшх *эР*таж

ДА

_I_

АрЛуй ГР <о „ < м < ю.

Проекгир оваиие Системы «ИУ-ТМОД»

МОДУЛЬ РАСЧЕТА ВБ

р(х4),Т(М), Р(М)

МОДУЛЬ РАСЧЕТА ТЕРМОПРО ЧНОСТИ «г(М).

Т (Л, «)

МОДУЛЬ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИИ ЕСКИХ ПАРАМ-В

Рис. 1. Алгоритм процедуры синтеза параметров

Если при указанных входных параметрах расчётное значение Рта, превышает Р„,а,*, дальнейшее решение не имеет смысла или необходимо пересмотреть ограничение на величину максимального давления Ртах*. В случае равенства Pma«=Pmax* в дальнейшем нельзя отступать от вводимых входных параметров, а в случае Pma><Pmax* решение задачи продолжается с целью отыскания таких сочетаний проектных параметров, при которых это неравенство сохраняется..

При этом находятся такие значения указанных параметров Amin, pmllx, и т. д., реализация которых в сочетании с остальными параметрами, соответствующих минимуму Pmill[ приводит к выполнению равенства по максимальному давлению, например:

Ртах (А=А га;„, f=fm»„ , WK-M=W км mi„, И Т.Д.)

Если найденные значения параметров Amill, fm„ и т. д. выходят за пределы положенных на них ограничений, то они могут варьироваться в пределах этих ограничений. Если же Arai„<Ap, fp < fraax и т. д., то соответствующие входные параметры могут в дальнейшем варьироваться в более узких пределах Д min □ Д< Д р, fp 5 f < fma„ Ip < I < Imal (область проектных параметров сужается).

2. Далее определяется возможность обеспечения основной баллистической характеристики VA>VA*. Для этого входные параметры в рамках области их изменения, найденной на предыдущем этапе, назначаются таким образом, чтобы при заданных DH и сч допустимая величина каждого из них соответствовала наименьшему уровню VA ( Д = А р, f=fp, I=IP, ...).

Расчёты проводятся для температуры окружающей среды, при которой получается наименьшее значение VA (для t= -50°С).

Если при указанных входных параметрах расчётное значение получается ниже заданного VA*, дальнейшее решение нецелесообразно и необходимо корректировать техническое задание, устанавливается новое (меньшее по сравнению с VA*) значение начальной скорости. В случае равенства VA=VA*, дальнейшее проектирование ведётся при фиксированных входных параметрах (Д=ДР, f=fp , I=IP, ... ), когда реализуется случай VA>VA*, находятся такие значения параметров (Пу, f v> lv» •••)> которые в сочетании с остальными параметрами, соответствующими максимуму VA, еще обеспечивает равенство V=V*, например:

VA( Д=Д v» f=fv, I=Iv...)=VA*.

Если найденные значения Д v, fv» • •* выходят за пределы положенных на них ограничений, то они могут варьироваться в пределах этих ограничений

(Д > Д mm, f >fmin ...).

Если же Д > Д min, f >f„i„ то соответствующие входные параметры в дальнейшем могут варьироваться в более узких пределах.

В общем случае Ду^Д^Др, fy^f^fp, WKmv ^ W < Wkmp-

3. На третьем этапе определяется возможность обеспечения основной эксплуатационной характеристики термопрочности камеры сгорания и сопла фз >Фз* (запас прочности материала камеры сгорания и сопла).

Для этого входные параметры в рамках области их изменения, найденные на предыдущем этапе, назначаются таким образом, чтобы при заданных DH и сч

допустимая величина каждого из них соответствовала наибольшему уровню Д=Д р, 1=Гр,.... Расчёты проводятся для температуры окружающей среды, при которой получается наименьшее значение <рз > <р3* т. е. для 1=+50°С.

4. Проверяется ограничение по начальной массе ТМОД, начальная масса ТМОД существенно зависит от условий заряжания камеры сгорания, баллистических характеристик, динамических характеристик системы «ПУ-ТМОД», устойчивости полета ТМОД на траектории.

На ранних этапах проектирования для расчета начальной массы ТМОД могут быть использованы зависимости, использующие статистические данные.

Здесь можно соблюсти принцип подобия для систем различного калибра. Это может быть расшифровано как единство конструктивных решений по головной части, двигателю ( тип головной части, коэффициенты наполнения, коэффициенты формы, и т.д. ), а также исходных данных по проектированию.

Полученные при расчете результаты сравниваются с требуемой в техническом задании массой Мо . Если ни в одном варианте не будет рассмотрено ограничение М0<М0, необходимо согласовывать новое техническое задание. Если каких- либо вариантах получится М0 = М0 , то только сочетания проектных параметров, соответствующие данным вариантам, подлежат дальнейшей оценке.

Если же М0<М0, то для дальнейших решений оставляются все варианты сочетания проектных параметров, удовлетворяющие данному ограничению.

5. На пятом этапе определяется, основная „эксплуатационная характеристика системы, определяющая эффективность проектируемой системы, кучность попадания. Количественной характеристикой эффективности проектируемой системы, обеспечивающей связь с кучностью попадания, является величина целевой функции.

Анализ исследований, проведенных в институте СРВ, ФГУП «ГНПП «Сплав», ТулГУ показывает, что для обеспечения необходимой эффективности стрельбы поперечник рассеивания угловых отклонений ПУи ТМОД не должен быть более:

В вертикальной плоскости ф <0,0040 рад;

В горизонтальной плоскости у* < 0,0035 рад.

С использованием модели динамики функционирования системы определятся угловые отклонения оружия, геометрические и массовые параметры элементов и узлов системы.

Входные параметры в рамках области их изменения, найденные на предыдущих этапах, назначаются таким образом, чтобы допустимая величина каждого из них соответствовала наибольшему уровнкхр , V , Расчеты проводятся для температуры окружающей среды, соответствующей получению наибольших величин угловых отклонений, т.е. для +50°С.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение в области создания новых тепловых машин однократного действия с более высокими тактико-техническими характеристиками, заключающаяся в разработке системного метода проектирования. Системный метод проектирования состоит в разработке комплекса математических моделей логически увязанных между собой, позволяющий определять оптимальные параметры проектируемой системы с использованием критерия эффективности.

На основании анализа литературных данных по определению внутри баллистических характеристик ТМОД и рассмотрения разновидностей баллистических двигателей, дана характеристика рабочих процессов в различных двигателях; составлена математическая модель внутри баллистического процесса в камере сгорания двигателя, разработан алгоритм и программа для расчета параметров внутри баллистического процесса: р = р (t); Т = Т (t). Проведено сравнение результатов расчета по разработанной математической модели с экспериментальными данными. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 6-8 %.Проведены расчеты по определению изменения давления и тяги в функции времени по представленной модели для различных начальных температур для ТМОД СРВ.

Проведен анализ литературных данных по определению тепло напряженного состояния камеры сгорания и элементов ТМОД. Показано, что успешная разработка нового двигателя к системе ТМОД повышенной эффективности зависит от успешного решения проблемы тепловых процессов, протекающих в двигателе.

Разработана математическая модель нагрева и упруго- пластического деформирования камеры сгорания двигателя, составлен алгоритм и разработана программа для расчета параметров теплового процесса в камере сгорания двигателя и упруго-пластического деформирования элементов ТМОД. Проведено сравнение результатов расчета по разработанной математической модели с экспериментальными данными. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 7-8 %. Проведено исследование тепловых процессов, протекающих в камере сгорания ТМОД. Анализ результатов расчета показывает, что теплообмен между высокотемпературым газовым потоком и внутренней

поверхностью камеры сгорания растет от значений а =(500— 1000)—— до

м град

(4000 - 5000) ——— в предсопловой части и до (8000 - 10000) —в

м град ai град

критической части сопла. Температура на внутренней поверхности стенки в

камере сгорания при отсутствии теплоизоляции к первой секунде работы двигателя достигает значения: (1400 — 273 = 1127° С) 1127°С, что является недопустимым значением при работе двигателя без теплоизоляции.

На основании анализа литературных данных по динамике функционирования системы «пусковая установка — ТМОД» и анализа функционирования системы «пусковая установка — ТМОД»; показано, что ТМОД присущи сложные процессы взаимодействия составных частей, разнесенных в пространстве на значительные расстояния. Составлена система уравнений движения ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках; показано, что совместное движение ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках описывается общими уравнениями механики. Разработана математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Составлена система уравнений силового и теплового взаимодействия газовой струи с преградой. Проведены расчеты динамических характеристик

функционирования системы «пусковая установка — ТМОД»; динамических характеристик ПМ; проведено сравнение результатов решения по составленной математической модели с экспериментальными данными; в результате анализа сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет не более 10%.

На основании анализа литературных данных по системному проектированию сложных систем установлено, что наиболее полно вопросы проектирования ТМОД решаются с использованием общей теории систем. При системном рассмотрении исследуемое техническое устройство принимается состоящим из материальных элементов, находящихся между собой в массовых, энергетических и информационных связях.

Дана формулировка задачи проектирования. В общем случае задача проектирования является одной из задач исследования операций и состоит в нахождении сочетаний и значений параметров и характеристик, обеспечивающих максимальное (минимальное) значения целевой функции (критерия качества) и удошхетворяющих тактико-техническим требованиям. Рассмотрено формирование критериев. При выборе критерия оптимизации необходимо стремятся к тому, чтобы он отчетливо характеризован процесс разработки с его самых существенных сторон, чтобы критерий эффективности в дальнейшем в некотором смысле заменял цель. При оптимизации параметров могут применяться такие критерии как стоимость, стартовая масса, масса головной части, вероятность преодоления сопротивления, надежность, параметр использования топлива, параметр использования материала и т.д. Все эти критерии частные. Частные критерии, объединенные в один критерий, составляют комплексный критерий эффективности. Получен комплексный критерий эффективности.

Проведен синтез параметров системы. В соответствии с методом системного анализа техническая система может быть разделена на ряд подсистем. Основной подсистемой, определяющей характеристики системы «ПУ- ТМОД» является тепловая машина однократного действия. Целый ряд требований технического задания удовлетворяются при проектировании именно ТМОД. Рассмотрены ограничения при синтезе основных характеристик системы «ПУ-ТМОД», вытекающие из требований технического задания.

Проведена процедура синтеза основных конструкционных и эксплуатационных характеристик на основе разработанного алгоритма синтеза параметров. Приведен ряд характерных вариантов расчета. Сравнение характеристик проектированной ТМОД с характеристиками стандартной ТМОД показывает, что системный подход при проектировании позволяет улучшить основные характеристики ТМОД: по увеличению скорости в конце активного участка на 3-5%, уменьшить начальную массу ТМОД на 10-14%, уменьшить массу конструкции двигателя на 11-15%.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Нго чи Ньят Линь. Математическая модель внутренней динамики при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Известия ТулГУ, Серия. Проблемы специального машиностроения, Выпуск 7, часть 1, 2004 г., 89 -93 с.

2. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. Математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Известия . ТулГУ, Серия. Проблемы специального машиностроения, Выпуск 7, часть 2, 2004 г. 139 -145 с.

3. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. Тепловая задача двигателей к комплексному подходу определения параметров РСЗО. Сборник материалов XV - й НТС, ТАИИ, 2005 г., 473-475 с.

4. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. К синтезу параметров тепловой машины РСЗО. Сборник материалов XV- й НТС, ТАИИ, 2005 г., 475-477 с.

5. Нго Чи Ньят Линь, Власов A.B., Панасюк М.Ю. К вопросу проектирования ракетных двигателей для РСЗО. Оборонная техника, № 6-7, г.Москва, 2005 г., 26-30 с.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 18.09.2006. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. Уч.-изд. л 0 Тираж -Удаэкз. Заказ , ф '

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, ул. Болдина. 151'

Список основных обозначений и сокращений ^

Введение.

Гл 1. Анализ и расчет рабочего процесса в ракетном двигателе ТМОД

1.1 Разновидности баллистических двигателей

1.2 Характеристика рабочего процесса в ракетно-ствольном 15 баллистическом двигателе

1.3 Характеристика рабочего процесса в ракетном двигателе

1.4 Краткий анализ развития внутренней баллистики

1.5 Математическое описание процесса в камере ТМОД

1.6 Исследование внутрибаллистических параметров

Выводы по главе

Гл.2 Анализ и расчет теплового процесса в двигателе

2.1 Анализ литературных данных по тепловым процессам в 30 двигателях

2.2 Математическая модель нагрева и упруго- пластического 30 деформирования элементов системы

2.3 Исследование тепловых процессов, протекающих в 37 камере сгорания

Выводы по главе

Гл.З Математическая модель динамики функционирования 43 системы «пусковая установка - ТМОД».

3.1 Анализ литературных данных по динамике 43 функционирования системы.

3.2 Анализ функционирования системы «пусковая установка 44 -ТМОД»

3.3 Система уравнений движения ТМОД, качающейся части 47 ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках

3.4 Математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины

3.5 Система уравнений силового и теплового взаимодействия 54 газовой струи с преградой

3.6 Определение динамических характеристик ПМ ТМОД

Выводы по главе

Гл.4 Системное проектирование ТМОД

4.1 Общие положения теории технических систем

4.2 Формулировка задачи проектирования

4.3 Формирование критериев

4.4 Методология системного подхода определения 79 параметров

4.5 Синтез параметров системы

4.5.1 Ограничения при синтезе параметров

4.5.2 Процедура синтеза основных конструкционных и 86 эксплуатационных характеристик

Выводы по главе

Актуальность работы. Тепловые машины однократного действия (ТМОД), рассматриваемые в работе представляют собой разновидность многозарядных ракетных образцов вооружения. Анализируя развитие ТМОД за последние десятилетия, можно сделать вывод: внимание специалистов к этому классу систем, как в нашей стране (СРВ) так и за рубежом, возрастает. Если до середины 60-х годов разработки этих систем велись в основном в СССР, США, ФРГ, Китае, то в последние десятилетия число государств, разрабатывающих и эксплуатирующих ТМОД превысило 70 [7-9].

В 50 - 60-е годы задачи огневой поддержки в армиях ведущих стран НАТО возлагались, в основном, на ствольную артиллерию. При этом предполагалось, что ядерные боеприпасы артиллерийских систем калибров 203,2 и 155 мм. являются достаточным средством для поражения живой силы и защищенных целей, расположенных на значительных площадях. Исходя из этого тепловые машины однократного действия состоящие на вооружении армий США и некоторых европейских стран НАТО могли выполнять ограниченное число боевых задач и дальнейшего развития не получали .

Повышению интереса к тепловым машинам однократного действия способствовала в известной степени возросшая необходимость борьбы с бронированными целями, а также заинтересованность ряда стран (ФРГ, Италии, Испании, Израиля, Индии, Китая и др.) в приобретении и разработки эффективных систем, способных в какой-то мере восполнить отсутствие в их армиях тактического ядерного оружия.

Тепловые машины однократного действия способны решать большой круг огневых задач. Обладая высокой плотностью огня, внезапностью и мобильностью, имея в большинстве случаев досягаемость значительно выше, чем ствольная артиллерия среднего калибра, многоствольные установки с ТМОД могут применяться для поражения различных групповых и малоразмерных целей в тактической зоне, успешно вести борьбу с живой силой и огневыми средствами противника в различных условиях. При этом большинство огневых задач решается с меньшими затратами сил и средств, а эффективность воздействия по групповым целям приближается к тактическому ядерному оружию малой мощности.

Боевые машины с ТМОД работают залпом, группами и одиночными выстрелами, а также предназначены для транспортирования ТМОД в направляющих.

Для обеспечения подготовки ТМОД к полету и управления ими применяются разнообразные бортовые, наземные и другие устройства и оборудование. Особенности функционирования ТМОД обеспечивают малую продолжительность работы боевой машины. Их боевая эффективность в огромной степени зависит от боевых характеристик образца ТМОД.

Задачами ТМОД могут быть: уничтожение, разрушение, подавление и изнурение противника.

Уничтожение цели заключается в нанесении ей таких потерь (повреждений), после которых она полностью теряет свою боеспособность.

Разрушение цели заключается в приведении ее в непригодное для дальнейшего использования состояние.

Подавление цели заключается в нанесении ей потерь (повреждений) и в создании таких условий, при которых она временно лишается боеспособности, ограничивается ее маневр или нарушается управление.

Изнурение заключается в морально-психологическом воздействии на живую силу противника ведением беспокоящего огня ограниченным количеством орудий и боеприпасов в течение установленного времени.

При дистанционном минировании задачей стрельбы может быть постановка прикрывающих и сковывающих минных полей.

При световом обеспечении боевых действий общевойсковых подразделений и стрельбы артиллерии ночью задачами стрельбы могут быть освещение местности, ослепление наблюдательных пунктов (электроннооптических средств) и огневых средств противника, постановка световых ориентиров (створов).

При задымлении противника задачами стрельбы могут быть постановка дымовых завес, задымление (ослепление) огневых средств противника, его командных и наблюдательных пунктов.

При стрельбе агитационными снарядами задачей стрельбы является доставка агитационного материала в расположение противника.

Для повышения эффективности и сокращения времени работы целесообразно привлекать максимально возможное в данных условиях количество ТМОД.

Сложившаяся в СРВ система ТМОД является экономически оправданной, поскольку позволяет решать типовые задачи в ближней зоне 122-мм тепловыми машинами (ТМ) в 1,5-3 раза дешевле, чем при использовании дальнобойных систем.

В табл.1, приведены сравнительные характеристики некоторых ТМОД («Град»), используемых в СРВ (полученных из России), с иностранными системами.

Добиться улучшения показателей функционирования анализируемых ТМОД можно за счет использования системного подхода при их проектировании. Расчет и обоснование выбора проектных параметров проводится путем использования комплекса математических моделей логически увязанных между собой с использованием критерия эффективности.

Настоящая диссертация посвящена разработке такого математического аппарата, который позволяет проводить расчеты в условиях установившихся и нестационарных режимов и находить конструктивные параметры ТМОД , обеспечивающие повышение эффективности их работы в составе технического объекта.

Таблица 1. Сравнительные характеристики некоторых ТМОД

Система

Наименование характеристики «Град»(Россия) FIROS 25/30 «Valkiry» ВМ-П SAKR-36 «Тип 90В»

ВСР) (Италия) (ЮАР) (КНДР) (Египет) (Китай)

Тип шасси Колесное 6x6 «Урал - 375 Д», Колесное 6x6 «Ивеко» Колесное 4x4 SAMIL 100 Колесное 6x6 «Урал - 375 Д», Колесное 6x6 «3ил-131», Колесное 6x6 «Норд

У рал-4320» «Isuzu» Mercedes-Benz 4x4 Бенц»2629

Калибр системы, мм 122 122 127 122 122 122

Количество направляющих 40 30 40/30 40 осколочно-фугасная; осколочно-фугасная осколочно- осколочно

Тип головной части кассетная с КОБЭ; кассетная с противотанковыми минами фугасная; кассетные с ППМ и птм фугасная

Максимальная дальность ОФС, км 16.0-40,0 25,0/34,0 36 20,5 36,0 40

Масса, кг 66.5 58.0/65.0 62,7 66,0 56.5 61,0

Масса головной части, кг 21,0 19,0/26,0 20.6 18,4 17,5 18.3

Масса ВВ. кг 6.0 3,3/4,5 4,0 6,4 6,0 6.4

В связи с этим, определение оптимальных параметров и повышение эффективности функционирования тепловых машин однократного действия является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в построении комплекса математических моделей функционирования ТМОД в составе технического объекта и разработке инструмента теоретической оценки технических решений, позволяющего определить параметры тепловой машины, обеспечивающие повышение эффективности ее работы.

Цель была реализована в результате решения следующих задач:

- построение математической модели внутрибаллистического процесса в двигателе;

- построение математической модели термонапряженного состояния стенки двигателя;

- построение математической модели динамики функционирования технического объекта;

- разработка алгоритма синтеза параметров, позволяющего обоснованно находить рациональные параметры тепловой машины;

- разработка методологии системного подхода определения параметров тепловой машины;

- создание пакета прикладных программ на ЭВМ и исследование влияния ряда конструктивных параметров ТМОД на эффективность функционирования системы.

Объект исследования: тепловая машина однократного действия к системе «Град», разработанная в СССР и стоящая на вооружении СРВ.

Метод исследования: - комплексный, включающий анализ и синтез параметров, математическое моделирование, вычислительный и производственный эксперимент, методы теории вероятностей и математической статистики с использованием ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1 .Рассмотрение тепловой машины как единой энергетической системы. Это дает возможность применять комплекс математических моделей для описания различных режимов работы системы.

2. Разработка комплекса математических моделей, позволяющего установить связи параметров тепловой машины с ее выходными характеристиками.

3. Обоснованное определение требований к выходным характеристикам машины как подсистемы технического объекта. Разработка алгоритма синтеза параметров для рационального определения конструктивных параметров ТМОД, обеспечивающих выполнение этих требований.

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке математического описания и программного обеспечения для расчета процессов, протекающих в тепловой машине; все это дает возможность проводить исследование функционирования системы на стадии проектирования;

- в оценке влияния конструктивных параметров тепловой машины на эффективность функционирования системы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- VII Всероссийской научно - технической конференции по проблемам специального машиностроения (Тула, ТулГУ, 2004 гг.).

- XVII научно - технической конференции «Пути совершенствования ракетно - артиллерийской техники» (Тула, ТАИИ, 2005 гг.).

- Юбилейной научно - технической конференции, посвященной 65-летию ФГУП «ГНПП «СПЛАВ» (Тула, ФГУП «ГНПП «СПЛАВ», 2005 г.).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 5 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 35 русских и 3 иностранных источников.

Выводы по главе 4

1. Проведен анализ литературных данных по системному проектированию сложных систем. Наиболее полно вопросы проектирования ТМОД решаются с использованием общей теории систем. При системном рассмотрении исследуемое техническое устройство принимается состоящим из материальных элементов, находящихся между собой в массовых, энергетических и информационных связях.

2. Дана формулировка задачи проектирования. В общем случае задача проектирования является одной из задач исследования операций и состоит в нахождении сочетаний и значений параметров и характеристик, обеспечивающих максимальное (минимальное) значения целевой функции (критерия качества) и удовлетворяющих тактико-техническим требованиям.

3. Рассмотрено формирование критериев. При выборе критерия оптимизации необходимо стремятся к тому, чтобы он отчетливо характеризован процесс разработки с его самых существенных сторон, чтобы критерий в дальнейшем в некотором смысле заменял цель. При оптимизации параметров могут применяться такие критерии как стоимость, стартовая масса, масса головной части, вероятность преодоления сопротивления, надежность, параметр использования топлива, параметр использования материала и т.д. Все эти критерии частные. Частные критерии, объединенные в один критерий, составляют комплексный критерий эффективности. Получен комплексный критерий эффективности.

4. Проведен синтез параметров системы. В соответствии с методом системного анализа техническая система может быть разделена на ряд подсистем. Основной подсистемой, определяющей характеристики системы «ПУ- ТМОД» является тепловая машина однократного действия. Целый ряд требований технического задания удовлетворяются при проектировании именно ТМОД.

Рассмотрены ограничения при синтезе основных характеристик системы «ПУ-ТМОД», вытекающие из требований технического задания.

Проведена процедура синтеза основных конструкционных и эксплуатационных характеристик на основе разработанного алгоритма синтеза параметров.

5. Приведен ряд характерных вариантов расчета. Наилучшие варианты расчета определяются по максимальному значению критерия эффективности. Сравнивая основные характеристики полученной ТМОД с характеристиками стандартной ТМОД, отмечаем, что системный подход при проектировании позволяет улучшить характеристики ТМОД: по увеличению скорости в конце активного участка на 3-5%, уменьшить начальную массу на 10-14%, уменьшить массу конструкции двигателя на 11-15%.

99

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение в области создания новых тепловых машин однократного действия с более высокими тактико-техническими характеристиками, заключающаяся в разработке системного метода проектирования. Системный метод проектирования состоит в разработке комплекса математических моделей логически увязанных между собой, позволяющий определять оптимальные параметры проектируемой системы с использованием критерия эффективности.

На основании анализа литературных данных по определению внутри баллистических характеристик ТМОД и рассмотрения разновидностей баллистических двигателей, дана характеристика рабочих процессов в различных двигателях; составлена математическая модель внутри баллистического процесса в камере сгорания двигателя, разработан алгоритм и программа для расчета параметров внутри баллистического процесса: р = р (t); Т = Т (t). Проведено сравнение результатов расчета по разработанной математической модели с экспериментальными данными. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными ж данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 6-8 %.Проведены расчеты по определению изменения давления и тяги в функции времени по представленной модели для различных начальных температур для ТМОД СРВ.

Проведен анализ литературных данных по определению тепло напряженного состояния камеры сгорания и элементов ТМОД. Показано, что успешная разработка нового двигателя к системе ТМОД повышенной эффективности зависит от успешного решения проблемы тепловых процессов, протекающих в двигателе.

Разработана математическая модель нагрева и упруго- пластического деформирования камеры сгорания двигателя, составлен алгоритм и разработана программа для расчета параметров теплового процесса в камере сгорания двигателя и упруго-пластического деформирования элементов ТМОД. Проведено сравнение результатов расчета' по разработанной математической модели с экспериментальными данными. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 7-8 %. Проведено исследование тепловых процессов, протекающих в камере сгорания ТМОД. Анализ результатов расчета показывает, что теплообмен между высокотемпературым газовым потоком и внутренней поверхностью камеры сгорания растет от значений а sttt etti

500 - 1000)—--до (4000 - 5000) —- в пред сопловой части и до м град м град

G171

8000 - 10000) —--в критической части сопла. Температура на м град внутренней поверхности стенки в камере сгорания при отсутствии теплоизоляции к первой секунде работы двигателя достигает значения: (1400 - 273 = 1127° С)' 1127°С, что является недопустимым значением при работе двигателя без теплоизоляции.

На основании анализа литературных данных по динамике функционирования системы «пусковая установка - ТМОД» и анализа функционирования системы «пусковая установка - ТМОД»; показано, что ТМОД присущи сложные процессы взаимодействия составных частей, разнесенных в пространстве на значительные расстояния. Составлена система уравнений движения ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках; показано, что совместное движение ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках описывается общими уравнениями механики. Разработана математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Составлена система уравнений силового и теплового взаимодействия газовой струи с преградой. Проведены расчеты динамических характеристик функционирования системы «пусковая установка - ТМОД»; динамических характеристик ПМ; проведено сравнение результатов решения по составленной математической модели с экспериментальными данными; в результате анализа сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет не более 10%.

На основании анализа литературных данных по системному проектированию сложных систем установлено, что наиболее полно вопросы проектирования ТМОД решаются с использованием общей теории систем. При системном рассмотрении исследуемое техническое устройство принимается состоящим из материальных элементов, находящихся между собой в массовых, энергетических и информационных связях.

Дана формулировка задачи проектирования. В общем случае задача проектирования является одной из задач исследования операций и состоит в нахождении сочетаний и значений параметров и характеристик, обеспечивающих максимальное (минимальное) значения целевой функции (критерия качества) и удовлетворяющих тактико-техническим требованиям. Рассмотрено формирование критериев. При выборе критерия оптимизации необходимо стремятся к тому, чтобы он отчетливо характеризован процесс разработки с его самых существенных сторон, чтобы критерий эффективности в дальнейшем в некотором смысле заменял цель. При оптимизации параметров могут применяться такие критерии как стоимость, стартовая масса, масса головной части, вероятность преодоления сопротивления, надежность, параметр использования топлива, параметр использования материала и т.д. Все эти критерии частные. Частные критерии, объединенные в один критерий, составляют комплексный критерий эффективности. Получен комплексный критерий эффективности.

Проведен синтез параметров системы. В соответствии с методом системного анализа техническая система может быть разделена на ряд подсистем. Основной подсистемой, определяющей характеристики системы

ПУ- ТМОД» является тепловая машина однократного действия. Целый ряд требований технического задания удовлетворяются при проектировании именно ТМОД. Рассмотрены ограничения при синтезе основных характеристик системы «ПУ-ТМОД», вытекающие из требований технического задания. Проведена процедура синтеза основных конструкционных и эксплуатационных характеристик на основе разработанного алгоритма синтеза параметров. Приведен ряд характерных вариантов расчета. Сравнивая характеристик проектированной ТМОД с характеристиками стандартной ТМОД показывает, что системный подход при проектировании позволяет улучшить основные характеристики ТМОД: по увеличению скорости в конце активного участка на 3-5%, уменьшить начальную массу на 10-14%, уменьшить массу конструкции двигателя на 1115%.

1. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика. М.: Оборонгиз, 1949.670 с.

2. Мамонтов М.А. Некоторые случаи течения газа. М.: Оборонгиз, 1951.-530 с.

3. Юрманова Н.П. Внутренняя баллистика ракетно-ствольных систем. -М.: Дом техники, 1967. 530 с.

4. Шипунов А.Г., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Расчет и проектирование энергетических узлов комплексов вооружения. Ч. 1. Тула: ТулГУ, 1997.- 116 с.

5. Шипунов А.Г., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Расчет и проектирование энергетических узлов комплексов вооружения. Ч. 2. Тула: ТулГУ, 2000.-104 с.

6. Никитин В.А., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Термодинамические основы внутренней баллистики. Тула: ТулГУ, 2004. - 172 с.

7. Макаровец Н.А., Устинов JI.A., Авотынь Б.А. Реактивные системы залпового огня и их эффективность. Тула: РАРАН, ФГУП «ГНПП «Сплав», ТулГУ, 2005-294 с.

8. Макаровец Н.А., Дмитриев В.Ф., Романовцев Б.М., Устинов J1.A., Каширкин А.А., Жабин И.П. Динамика старта реактивных снарядов из многоствольных пусковых установокю. Тула: ТулГУ, 2005. - 220 с.

9. Н.А.Макаровец , Г.А. Денежкин, В.И.Козлов, А.А. Редько. Экспериментальное моделирование и отработка систем разделения реактивных снарядов. Тула: РАРАН, ФГУП «ГНПП «Сплав», 2005. 216 с.

10. Жабин И.П., Бирюков М.М. Основание устройства и проектирования ракетного оружия. Тула: ТАИИ, 2004. - 332 с.

11. Дмитриев В.Ф., Романовцев Б.М., Устинов JI.A. Динамика старта реактивных систем залпового огня. Тула: ТулГУ, 2002. - 168 с.

12. Нгуен Куанг Тхыонг. Методы и модели безопасности, надежности и эффективности систем. Москва: Изд - во Российского университета дружбы народов, 2002. - 210 с.

13. Нго чи Ньят Линь. Математическая модель внутренней динамики при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Известия ТулГУ, Серия. Проблемы специального машиностроения, Выпуск 7, часть 1,2004 г., 89 -93 с.

14. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. Математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Известия ТулГУ, Серия. Проблемы специального машиностроения, Выпуск 7, часть 2, 2004 г. 139 -145 с.

15. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. Тепловая задача двигателей к комплексному подходу определения параметров РСЗО. Сборник материалов XV й НТС, ТАИИ, 2005 г., 473-475 с.

16. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. К синтезу параметров тепловой машины РСЗО. Сборник материалов XV й НТС, ТАИИ, 2005 г., 475-477 с.

17. Нго Чи Ньят Линь, Власов А.В., Панасюк М.Ю. К вопросу проектирования ракетных двигателей для РСЗО. Оборонная техника, № 6-7, г.Москва, 2005 г., 26-30 с.

18. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. -М: Советское радио, 1973 473 с.

19. Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. Введение в системный анализ.-М.: «Высшая школа», 1989 г., 368 с.

20. Н.Н. Моисеев. Математические задачи системного анализа,- М.: «Наука», 1981 г.,-488 с.

21. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц. М: Наука, 1982-391 с.

22. Глушко В.П. и др. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. М: ВНИИТИ, 1971 - 255 с.

23. Дмитриевский А.А. Внешняя баллистика. М: Машиностроение, 1979-428 с.

24. Физические свойства стали и сплавов, применяемых в энергетике/ Под редакцией Неймарка Б. Е.- М.: Энергия, 1967,- 239с.

25. Корн Г.,Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1970.720с.

26. Г.Б. Иосилевич, Г.Б. Строганов, Г.С. Маслов. Прикладная механика. М: «Высшая школа», 1989, - 352 с.

27. Жермен П. Курс механики сплошных сред. М: «Высшая школа», 1983,-400 с.

28. Кузнецов А.А. Оптимизация параметров баллистических ракет по эффективности. М: «Машиностроение», 1986, - 160 с.

29. Венцель Е.С. Исследование операций. М: Советское радио, 1972.551с.

30. Квейд Э. Анализ сложных систем М: Советское радио, 1977.

31. Лэсдон J1.C. Оптимизация больших систем М: Наука, 1975.

32. Чуев Ю.В. Технические задачи исследования операций. М: Советское радио, 1971,242 с.

33. Шипунов А.Г., Игнатов А.В. Структурно-параметрический синтез пушечно-ракетных комплексов вооружения Тула: ГУП КБП, 2000, 168 с.

34. Королев А.А. (Под редакцией Королева А.А.) и др. Малогабаритные ракеты и баллистические установки. Межвузовский сборник задач.,-М: НТЦ «ИНФОРМАТИКА», 1990,160 с.

35. Коновалов А.А. Синтез технических систем. Свердловск: Академия наук СССР, Уральский научный центр, 1987, 62 с.

36. Makarovets N.A. Denezhkin G.A. Modernisation of BM-21/Militari Technologi, -No.5 May-1995.- p. 10-14/

37. Marvin Leibstone US Armi Equipment Force XXI / Militari Technologi, Vol. Issue 12 1995.-p.10- 14.

38. Jane's Armour and Artillery, 2000-2001.-803 c.