ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ

WAYS TO IMPROVE THE ELECTRICAL SYSTEMS OF ROCKET PROPULSION SYSTEMS

Stahei S. Shashkov

student group 18RSC(m)DMA, Aerospace Institute, Orenburg state University,

Russia, Orenburg

Evgeny V. Osipov

scientific supervisor, cand. tech. of sciences, associate Professor of the Department of aircraft, Aerospace Institute, Orenburg state University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

Характеристики ракетных двигателей напрямую зависят от того или иного типа электрической системы для их работы. Это справедливо как для твердотопливных двигателей, где зажигание инициируется электрически, так и для двигательных установок (ДУ) на жидком топливе, в которых электрическая система выполняет множество дополнительных задач. Как и в случае любого обычного технического устройства, электрические системы в ракетных двигателях вызывали проблемы, из-за неправильной конструкции, неправильного применения, неправильного использования, плохого технического обслуживания, человеческих ошибок и износа. Однако при правильном применении электрические элементы могут существенно упростить работу ракетного двигателя и повысить его полезные характеристики.

ABSTRACT

The characteristics of rocket engines depend directly on a particular type of electrical system for their operation. This is true both for solid-fuel engines, where ignition is initiated by electric, and for liquid-fuel propulsion systems, in which the electrical system performs many additional tasks. As with any conventional technical device, the electrical systems in rocket engines caused problems, due to improper design, misuse, misuse, poor maintenance, human error, and wear and tear. However, if used correctly, electrical elements can significantly simplify the operation of a rocket engine and increase its useful characteristics.

Ключевые слова: электрическая система, ракетные системы, двигательная установка, датчик.

Keywords: electrical system, rocket systems, propulsion system, sensor.

Функционирование по алгоритму осуществляется более эффективно электрическими системами, чем это было бы возможно с помощью механических средств. Потому механические приборы почти не применяются. Разработчики в основном пользуются готовыми компонентами, позволяющими составить необходимую электрическую схему для данного двигателя. Этот факт создает возможность изменять, корректировать ее, тем самым облегчая как производство, так и проектирование силовых установок. Однако возникают другие трудности, из-за индивидуального подхода и предпочтений для типов блокировок, требуемых защит и типов используемых компонентов. Разные проектировщики одного двигателя могут прийти к существенно различным электрическим схемам системы.

Для реализации электрической схемы ДУ используют реле и переключатели, датчики положения, таймеры, обогреватели, источники энергии, электропроводку и источники сигналов.

Реле и полупроводниковые переключатели используются для управления воспламенителями, регулирующими клапанами и другими элементами. В сочетании с блокировками, переключателями положения клапана, датчиками (температуры, давления, напряжения), таймерами и другими устройствами образуется необходимая логика ДУ, способная корректно запускать и останавливать работу двигателя. Запуск, работа и прекращение работы ДУ сопровождается передачей огромного количества дополнительных сигналов (проверки, контроля, телеметрии, аварийного реагирования и др.), описывающих работу и состояние всех систем. На рисунке 1 в качестве примера представлена упрощенная схема топливной системы и органов управления разгонного блока Centaur D-1A ракеты носителя Atlas-SLV3D.

Рисунок 1. Схема топливной системы и органов управления двигателя разгонного блока

На рисунке 1 под позицией 1 представлено реле давления жидкого кислорода (LO₂), 2 – органы управления двигателем, 3 – баллон пероксида водорода (H₂O₂), 4 – баллон с гелием, 5 – регулятор расхода H₂O₂, 6 – регулятор управления двигателем, 7 – предохранительный и запорный клапан бака, 8 – вентиляционный клапан бака с жидким водородом (LH₂), 9 – диффузор, 10 – датчики давления незаполненного объема бака, 11 – ходовой соленоидный клапан, 12 – клапан LO₂, 13 – соленоидные запорные клапана; пунктирной линией выделены части систем с герметизацией [1].

Для проверки положения клапана или правильной установки воспламенителя используются датчики положения. Они грают важную роль в функционировании жидкостного ракетного двигателя, позволяя регулировать подачу компонентов ракетного топлива, измеряя угловые положения затворов клапанов.

Для корректной работы ДУ требуется синхронизация некоторых устройств. Это обеспечивается счетчиками времени, которые могут находиться как непосредственно в бортовой системе управления, так и наземной (если запуск происходит с земли).

Не все электрооборудование способно корректно функционировать в экстремальных температурных условиях. Если речь идет о высоких температурах, то применяют теплоизоляцию прибора, если о низких – обогреватели. Последние применяются при использовании криогенных компонентов топлива или работе, когда окружающая среда имеет низкую температуру. Нельзя использовать измерительное оборудование, настроенное на маленький температурный диапазон работы, поскольку колебания данного параметра на различных этапах работы ДУ могут сильно разниться. [2]. Также существуют проблемы функционирования электроприборов, связанные с агрессивностью среды, в которой они размещены. Некоторые горючие способны нарушить герметичность уплотнительных узлов. В таких случаях используют покрытия из золота и хрома, которые могут защитить оборудование [3].

Что касается батарей и других источников питания, то при разработке ДУ применяют уже проверенные в эксплуатации приборы. Редко приходится модернизировать, менять прокладки и типы соединений с проводкой, в зависимости от его локации.

Подавляющую часть массы всей электрической системы составляет проводка, поэтому ей уделяется большое внимание. На стадии проектирования сложно точно определить реальную длину определенного кабеля, потому для их крепления и удобства монтажа используют крепежные устройства, дополнительную изоляцию, соединительные устройства, которые увеличивают длину, дают большую прибавку в весе системы.

Опираясь на используемое в настоящее временя оборудование, возможно выделить некоторые моменты, которые могут быть в перспективе развиты в пользу уменьшения массы и в некоторых случаях повышения точности измерений.

Первым делом, стоит исключить датчики дискретного измерения, где возможна установка взамен ряда датчиков одного датчика непрерывного измерения. Это может быть применено в топливных баках для измерения уровня компонента топлива. Хоть дискретная система имеет высокую надежность, ее установка в большинстве случаев сопровождается использованием специальных кронштейнов, утяжеляющих всю конструкцию.

Вторым пунктом стоит рассмотреть внедрение беспроводных приборов, там, где это возможно с точки зрения эксплуатации, требуемой надежности и увеличения количества источников питания с размещением их вблизи с различными блоками системы. Это обеспечит прибавку в полезной нагрузке благодаря уменьшению длины проводки.

Если вся электросистема или ее блоки ранее были в эксплуатации, то стоит обратить внимание на статистические данные. Необходимо обратить внимание на дублирующие системы, которые за все время работ не использовались. Их возможно исключить, если этот блок не имеет высокую степень важности в работе всей системы и статистика по работе содержит большую базу, подтверждающую отсутствие ее применения.

Список литературы:

1. Report NO. GDCA BNZ72-020. CENTAUR D-1A SYSTEMS SUMMARY: Prepared Under Contract NAS3-13514 by CONVAIR AEROSPACE DIVISION OF GENERAL DYNAMICS. – San Diego, California: 1972. – 178 с.
2. Ринг Э. Двигательные установки ракет на жидком топливе / Э. Ринг – М.: Мир, 1966. – 404 с.
3. Теория ракетных двигателей: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / В. Е. Алемасов [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1980.– 533 с.