Многоконтурная система терморегулирования сферической плавающей гироплатформы

Актуальность работы. Сферическая плавающая гироплатформа (СГТГ) предназначена для применения в качестве командного прибора (КП) автономной системы управления летательными аппаратами, ракетоносителями типа «Энергия», «Протон». Аналогом такого прибора является инерциальный блок AIRS (Advanced Inertial Reference Sphere), разработанный в лаборатории Ч. Дрейпера в 70−88г.г., США.

Для решения задачи достижения минимальной погрешности автономного управления и навигации движущихся аппаратов (например, наведение космического объекта по баллистической траектории на поверхность Земли в квадрат со стороной порядка 200м), точность азимутальной выставки СПГ должна быть на уровне единиц угл.сек. Одним из перспективных путей решения этой задачи является применение СПГ с высокоточными поплавковыми двухстепенными гироскопами и гироинтеграторами линейных ускорений, работающей в период предстартовой подготовки и полной точностной готовности к пуску в режиме непрерывной аналитической калибровки систематических составляющих погрешностей гироприборов и аналитической азимутальной выставки гироплатформы в условиях отсутствия прямой оптической связи с подвижной частью СПГ, что позволяет отказаться от наземного комплекса азимутальной выставки.

С помощью системы командной прецессии гироплатформа приводится в заданное вращение относительно инерциальной системы координат и выходные сигналы интеграторов обрабатываются в ЭВМ так, что систематические ошибки измерения кажущегося ускорения и систематические уходы гироплатформы оцениваются и компенсируются с необходимым тактом (например, 6 минут). Одновременно определяется ориентация связанного с ги-роплатформой приборного трехгранника относительно местной системы координат (в точке старта или связанной с корпусом объекта).

Требуемый уровень точности азимутальной выставки во многом определяется стабильностью взаимного углового положения осей чувствительности гироскопических чувствительных элементов (ГЧЭ) на уровне (4−6)-10 дуг.сек. за такт калибровки-выставки, которая в свою очередь зависит от температурной стабильности как непосредственно ГЧЭ, так и их установочных баз в корпусе сферической платформы (СП), в т. ч.: по корпусной части ГЧЭ — не хуже 2−10~3 °С — по градиентам температуры установочных баз ГЧЭ — не хуже 4−10~2оС. В процессе предварительных тепловых испытаний СПГ установлено, что в СП, в процессе ее вращения в режиме командной прецессии, из-за неоднородности условий теплообмена с корпусной частью СПГ в зонах экваториального кольца и электродов, наблюдаются изменения температуры до 0,5°С, вариация которых носит случайный характер, плохо поддается систематическому учету и компенсации с помощью пассивных средств теплового обеспечения. В связи с этим большую значимость, актуальность и научный интерес представляет собой задача синтеза и исследования многоконтурной системы терморегулирования (СТР) СПГ с компенсацией перекрестных межканальных связей по возмущающим воздействиям в едином объекте регулирования.

Особую важность и актуальность приобретает также и задача разработки математической модели тепловых режимов и системы терморегулирования (СТР) СПГ, которая позволяет на всех этапах проектирования и отработки конструкции СПГ смоделировать стационарные и динамические температурные режимы работы прибора, оценить динамику и качество регулирования СТР СПГ, динамику температурного поля СП и дать экспертную оценку вероятного поведения точностных параметров ГЧЭ в различных режимах и условиях работы изделия, что существенно снижает затраты и сроки разработки прибора.

С целью отработки конструктивных и схемных решений по системе теплового обеспечения СПГ в целом и схемотехнических решений по многоконтурной СТР актуальной является и задача создания полномасштабной натурной тепловой модели прибора и управляющего вычислительного комплекса, позволяющего уточнить математическую тепловую модель СПГ, структуру регуляторов СТР и параметры регулирования.

Учитывая современную тенденцию к разработке универсальных образцов изделий относительно способов базирования и эксплуатации, актуальной является и задача создания конструктивной тепловой схемы СПГ, инвариантной к типам объектов применения и условиям эксплуатации, что придает ей высокие технико-экономические и эксплуатационные качества: снижение затрат на разработку конструкторской, технологической, технической документации, средств испытаний, программно-математического обеспечения и снижение эксплуатационных расходов.

В связи с вышеизложенным, задачи разработки многоконтурной системы терморегулирования СПГ в связанной постановке и создания тепловой конструктивной схемы прибора, инвариантной к различным типам изделий и условиям эксплуатации, являются актуальными.

Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является синтез и исследование многоконтурной зонной системы терморегулирования СПГ в связанной постановке и расчетно-экспериментальное обоснование инвариантности тепловой конструктивной схемы прибора к типу объекта применения и условиям его эксплуатации.

В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработка методики математического моделирования динамики температурного поля СПГ в условиях эксплуатационных тепловых режимов.

2. Разработка методики синтеза и анализа многоканальной системы терморегулирования СПГ с компенсацией перекрестных межканальных связей по возмущающим воздействиям в едином объекте регулирования.

3. Обоснование требований к точностным параметрам СТР СПГ в соответствии тактико-техническим требованиям к СПГ.

4. Обоснование выбора конструктивной тепловой схемы СПГ как объекта терморегулирования.

5. Разработка и исследование натурной тепловой модели СПГ с целью экспериментального определения параметров теплообмена, оценки динамики температурного поля СПГ, параметров и качества терморегулирования.

6. Разработка испытательного стенда экспериментальных исследований динамических температурных процессов в СПГ.

7. Исследование тепловой схемы СПГ с целью определения условий инвариантности СПГ к типу изделий и условиям эксплуатации.

Методы исследования. В соответствии с поставленными целями и задачами исследований в работе применены аналитические и экспериментальные методы исследования сложных систем.

Для решения задач научного направления использовались следующие методы исследований:

— при разработке тепловой математической модели СТР СПГ применен метод поэтапного моделирования;

— при разработке вычислительных программ математических тепловых моделей СПГ применен метод численного интегрирования дифференциальных уравнений — метод Рунге-Кутта;

— при проведении синтеза и анализа многоканальной связанной по возмущениям СТР применен метод частотного анализа, метод оценки устойчивости по критерию Рауса — Гурвица, метод D-разбиения и метод эквивалентных схем;

— при разработке математической и натурной тепловой модели СПГ применен метод параметрической идентификации, реализованный в виде разработанных методик расчета коэффициентов теплообмена, тепловых про-водимостей по конструктивным уровням прибора, расходно-массовых характеристик и параметров теплоотдачи в сферических и плоских каналах стати-ко-гидродинамического подвеса (СГДП) сферической платформы.

Для решения задач технического направления применен метод натурного моделирования конструктивной тепловой схемы прибора и СТР СПГ на основе разработанных и изготовленных тепло-гидравлических макетов и управляющего вычислительного комплекса (УВК) на основе персонального компьютера PC IBM.

Научная новизна работы. Автором, в процессе проведения исследований, получены новые научные результаты:

1. Разработана методика математического моделирования тепловых режимов СПГ и создана математическая тепловая модель СПГ с программным обеспечением вычислительного эксперимента по оценке динамики температурного поля прибора в условиях эксплуатационных тепловых режимов.

2. Разработана методика и проведен синтез и анализ многоканальной СТР, разработана и исследована математическая модель зонной СТР СПГ с регуляторами индивидуальной настройки с компенсацией перекрестных межканальных связей.

3. Разработана жидкостная система терморегулирования с центробежным насосом СГДП в качестве исполнительного органа СТР.

4. Разработана, создана и испытана полномасштабная натурная тепло-гидравлическая модель СПГ, позволяющая получать достоверные результаты по оценке температурных режимов прибора в условиях применения различных типов системы отвода тепла (СОТ), качества работы многоконтурной СТР с регуляторами индивидуальной настройки.

5. Выбрана и экспериментально — расчетными исследованиями обоснована конструктивная схема СПГ инвариантная к объекту применения и условиям эксплуатации, с минимизированными тепловыделениями, обеспечивающая удовлетворительное качество работы СТР СПГ.

6. Разработан и применен в технологии экспериментальных исследований высокопроизводительный управляющий вычислительный комплекс на базе PC IBM, магистрально-модульной технологии измерения и управления.

Новизна работы подтверждается 7 авторскими свидетельствами ВНИИГПЭ на изобретение [63, 64, 65, 66, 67, 68, 69]. Положения, выносимые на защиту.

1. Методика математического моделирования тепловых режимов СПГ, математическая тепловая модель СТР СПГ, результаты вычислительного эксперимента, программное обеспечение.

2. Методика исследования и синтеза многоконтурной СТР СПГ в связанной постановке с регуляторами индивидуальной настройки с компенсацией перекрестных связей в едином объекте регулирования.

3. Результаты синтеза и анализа многоконтурной СТР СПГ.

4. Конструктивная тепловая схема СПГ.

5. Тепло-гидравлическая модель СПГ и результаты экспериментальных исследований многоконтурной СТР СПГ в связанной постановке.

6. Управляющий вычислительный комплекс для исследований и отработки многоконтурной СТР СПГ.

7. Результаты расчетно-экспериментальных исследований инвариантности тепловой схемы СПГ к типу объекта применения и условиям эксплуатации.

Практическая значимость работы.

1. Программная и натурная реализация задачи компенсации случайных температурных составляющих погрешности азимутальной выставки СПГ.

2. Конструктивная тепловая схема СПГ, инвариантная к типу и условиям эксплуатации объектов применения, внедренная в конструкторскую документацию на опытно-конструкторский образец прибора.

3. Созданный и внедренный в технологию экспериментальных исследований управляющий вычислительный комплекс, методика экспериментальных исследований СТР СПГ могут быть использованы при разработке широкого класса командных гироскопических приборов: гиростабилизаторов кар-дановых схем подвеса, бесплатформенных инерциальных навигационных систем.

4. Расчетно-аналитические исследования и экспериментальная отработка динамики и качества терморегулирования гироплатформы показали принципиальную и практическую реализацию комфортных температурных условий работы ГЧЭ в режиме аналитической калибровки-выставки СПГ и возможность достижения минимального влияния температурных возмущений на точность азимутальной выставки СПГ.

Обоснованность и достоверность полученных научных и практических результатов. Полученные научные и практические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований с использованием современных измерительных и вычислительных средств. Достоверность полученных результатов подтверждена высокой сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований на полномасштабной физической модели СПГ с помощью управляющего вычислительного комплекса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. На Всесоюзном семинаре Сенсор-87 по электронным датчикам, г. Черновцы, 1987 г.

2. На 2-м международном симпозиуме СССР-КНР по вопросам инерци-альных навигационных технологий, С. Петербург, 1992 г.

3. На первой научно-практической конференции памяти главного конструктора академика В. И. Кузнецова, г. Москва, 2003 г.

4. На второй научно-практической конференции памяти главного конструктора академика В. И. Кузнецова, г. Москва, 2004 г.

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертационной работы изложены и опубликованы в 7 научных печатных работах, в научно-технических отчетах ФГУП НИИ ПМ имени академика В. И. Кузнецова и в 7 авторских свидетельствах на изобретение.

Реализация и внедрение результатов исследований. Основные научные результаты диссертационной работы внедрены в процессе проектирования и разработки приборов СПГ: КИ85−2-КТМ, КИ85-ЗЭК (экспериментально-коиструкторский образец), КИ85-ЗЭНИ (прибор для летных экспериментально-натурных испытаний), КИ85−3 ОКР (прибор опытно-конструкторской разработки), полномасштабных тепло-гидравлических макетов КИ85−2-КТМ/Т1, КИ85−2-КТМ/Т2, КИ85−3- КТМ/ТЗ в ФГУП НИИ ПМ имени академика В. И. Кузнецова. При изготовлении перечисленных приборов на Московском заводе электромеханической аппаратуры (МЗЭМА), а также при проведении исследований СПГ в фирме «Конус». Получено 3 акта внедрения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, заключения, списка используемой литературы, приложений и актов о внедрении. Объем диссертации составляет 158 печатных страниц, включая 50 рисунков, 24 таблиц.

Список литературы

содержит 77 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Анализ результатов расчетно-аналитических и экспериментальных исследований тепловой схемы сферической плавающей гироплатформы с применением жидкостной и воздушной системы отвода тепла при имитации эксплуатационных режимов для различных объектов применения позволяет сделать следующие выводы:

1. Конструкция прибора, обладающая симметрией тепловых и гидравлических потоков совместно с высокоточными СТС ГЧЭ и многоконтурной зонной СТР СПГ, обеспечивает выполнение требований к стабильности взаимного углового положения осей чувствительности ГЧЭ, определяющей точность азимутальной выставки СПГ, и обладает признаками инвариантности к типу системы охлаждения и условиям эксплуатации в составе объекта применения.

2. При разработке конструкторской документации на СПГ элементы контура охлаждения могут быть спроектированы в соответствии с выбранным типом охлаждения без увеличения габаритно-массовых характеристик и тепловыделений прибора.

3. Тепловая схема СПГ, обладая временным запасом точностной «невозмущенности» в режиме ОР без активных средств охлаждения, позволяет прибору иметь расширенное применение для перспективных объектов с временем работы до 30 мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении можно отметить следующие основные научные и практические результаты, представленные в данной диссертационной работе:

1. Разработана методика математического моделирования тепловых режимов СПГ и создана математическая тепловая модель СПГ с программным обеспечением по оценке динамики и качества СТР.

2. Разработана методика синтеза и анализа многоканальной связанной СТР, на основе математической тепловой модели проведены исследования динамики и качества регулирования СТР в связанной постановке с реализацией регуляторов индивидуальной настройки с компенсацией перекрестных связей в объекте регулирования.

3. Впервые в практике разработки приборов подобного назначения применена и исследована жидкостная система терморегулирования с использованием центробежного насоса СГДП в качестве исполнительного органа СТР .

4. Выбрана и экспериментально — расчетными исследованиями обоснована конструктивная схема СПГ, обеспечивающая удовлетворительное качество работы СТР СПГ, характеризующаяся инвариантностью к объекту применения и условиям эксплуатации.

5. Разработана и испытана натурная тепло-гидравлическая модель СПГ с многоконтурной СТР, позволившая получить достоверные результаты по оценке температурных режимов прибора в условиях применения различных типов СОТ.

6. Разработан и применен в технологии экспериментальных исследований высокопроизводительный управляющий вычислительный комплекс на базе PC IBM, магистрально-модульной технологии измерения и управления.