СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ЖРД

AUTOMATIC FUEL SUPPLY CONTROL SYSTEMS FOR LIQUID ROCKET ENGINES

Nikolay Kaushan

student, Department of Aircraft Engines, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

Актуальность исследования конструктивных особенностей жидкостных ракетных двигателей определена тем фактом, что в ближайшей перспективе этим двигательным установкам нет альтернативы. Несмотря на определенные направления совершенствования космических технологий, текущие исследования требуют надежной работы уже существующих агрегатов и комплексов. В данной статье цель – рассмотреть особенности автоматического регулирования подачи топлива жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). В качестве метода использованы общенаучные методы анализа, обобщения, сравнения. Исследования российских ученых, проводимые на базе отраслевых и конструкторских бюро, показали, что жидкостные ракетные двигатели остаются основными для перспективных средств выведения летательных аппаратов на орбиту.

ABSTRACT

The relevance of the study of the design features of liquid rocket engines is determined by the fact that in the near future there is no alternative to these propulsion systems. Despite certain areas of improvement of space technologies, current research requires reliable operation of existing units and complexes. The purpose of this article is to consider the features of automatic control of the fuel supply of a liquid rocket engine (LRE). General scientific methods of analysis, generalization, and comparison are used as a method. Research by Russian scientists conducted on the basis of industry and design bureaus has shown that liquid rocket engines remain the main ones for promising means of launching aircraft into orbit.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель; перспективные разработки; подача топлива; автоматическое регулирование.

Keywords: liquid rocket engine; promising developments; fuel supply; automatic regulation.

Жидкостные ракетные двигательные установки (ЖРДУ) – это основные энергетические комплексы ракетно-космической техники. Они выполняют текущие задачи освоения околоземного и межпланетного космического пространства [2, с. 17-21].

Совершенствование подачи топлива ЖРД связано с необходимостью минимизировать затраты топлива для выведения космического аппарата на заданную траекторию (в заданную точку) либо с увеличением массы выводимой полезной нагрузки.  Увеличение массы нагрузки позволяет получать наибольшую прибыль, что особенно актуально в связи с ростом расходов на разработки в космической отрасли.

Процессам повышения эффективности подачи топлива посвящены инновационные разработки, изобретения. Специалисты говорят о необходимости процессов автоматизации, что связано с повышением точности автоматических систем управления ЖРДУ. Так, В.Д. Горохов [3] предлагает изобретение, которое относится к автоматическим системам управления расходом топлива (СУРТ) в устройствах питания жидкостных ракетных двигательных установок ракет-носителей (РН). Автор изобретения, на основе проведенных расчетов и экспериментального исследования убедился в возможности:

• повышения точности работы внутри двигательной подсистемы ЖРД;
• снижения стоимости гидравлической тарировки характеристик дросселя и регулятора;
• оптимизации значения конечных параметров ракеты-носителя - продольной скорости и гарантийных остатков топлива.

Инновационные разработки Акционерного общества «НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко» включают разработки в сфере агрегатов автоматики, в частности к блокам регуляторов расхода, устанавливаемых в системах регулирования жидкостных ракетных двигателей [4].

В качестве регуляторов в изобретении использованы:

• регулятор расхода окислителя;
• регулятор расхода горючего и электропривода.

Управляющие устройства лежат в основе предлагаемой системы автоматического регулирования подачи топлива ЖРД [1].

Специалисты особое внимание уделяют необходимости совершенствования управляющих устройств (регуляторов) при управлении расходованием топлива жидкостных ракет - носителей при дискретных измерениях масс компонентов топлива [5, с.56-69].

В качестве регуляторов специалисты называют следующие их виды:

• регуляторы тяги;
• регуляторы массового соотношения расходов компонентов в камеру или жидкостной газогенератор.

У каждого регулятора свои задачи, так регулятор тяги задает необходимый уровень тяги двигательной установки или его программное изменение. Необходимый режим работы камеры или газогенератора обеспечит регулятор соотношения компонентов. Он же настраивает на работу по максимально допустимым значениям динамических свойств системы жидкостной ракетной двигательной установки. В качестве основных задач использования регуляторов можно выделить следующие:

• проведение поэлементного анализа выбранного регулятора;
• определение статических и динамических свойств составляющих регулятор звеньев;
• получение уравнения, описывающего характеристику всего регулятора;
• исследование возможностей повышения точности регулятора.

Система автоматического регулирования с интегрирующим регулятором представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Системы автоматического регулирования подачи топлива ЖРД

На рисунке 1 представлены следующие элементы системы:

1 - гидравлический цилиндр;

2 - поршень;

3 - шток дроссельного крана;

4 - дроссельный кран;

5 - мембрана;

6 - пояски золотника;

7 - окна золотникового распределителя;

8 - золотниковый узел;

9 - элемент сравнения;

10 - однокомпонентный газогенератор

В целом, можно говорить, что процессы автоматизации необходимы и востребованы во всех элементах систем и агрегатов ракеты носителя и его двигателя. В этой деятельности необходимо учитывать необходимость создания алгоритма и программы многоконтурного цифрового регулирования автоматизированных систем управления технологическими процессами. Автоматизированные системы могут быть различных видов, например, комбинированные, каскадные и многоконтурные системы связанного регулирования. Выбор системы автоматического регулирования подачи топлива ЖРД должен учитывать конструктивные особенности двигателя и результаты проведенных предварительных испытаний.

Список литературы:

1. Васютин Ю.И., Смирнов И.А, Ягодников Д.А. [и др.]. Агрегаты регулирования жидкостных ракетных двигательных установок – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. – 223 с.
2. Кузьменко И.А., Яковлев А.Б. Исследование свойств системы автоматического регулирования жидкостной ракетной двигательной установки с интегрирующим регулятором // Омский научный вестник. – 2019. – № 1(163). – С. 17-21.
3. Патент № 2622677 C1 Российская Федерация, МПК F02K 9/56. Система управления расходом компонента топлива ЖРД : № 2016127091 : заявл. 05.07.2016 : опубл. 19.06.2017 / В. Д. Горохов, Г. А. Копков ; заявитель Акционерное общество «Конструкторское бюро химавтоматики»
4. Патент на полезную модель № 183903 U1, МПК G05D 7/03. Блок регуляторов расхода : № 2017146984 : заявл. 29.12.2017 : опубл. 08.10.2018 ; заявитель Акционерное общество «НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко».
5. Развитие детерминированного синтеза алгоритмов терминального управления расходованием топлива из баков жидкостной ракеты - носителя на дискретные безрасходомерные системы / В. К. Завадский, В. П. Иванов, Е. Б. Каблова [и др.] // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. – 2021. – № 2. – С. 56-69.