В системах управления-движением ракетных блоков и космических летательных аппаратов особое место занимают специальные подсистемы, отвечающие за управление угловым положением камер сгорания илисопел маршевых двигателей этих изделий в плоскостях стабилизации. Каждая из таких подсистем, получившая название «система управления вектором тяги» (СУВТ), включает в себя два канала управленияили рулевых тракта, содержащих электрические или электрогидравлические рулевые приводы или рулевые машины, устанавливаемые на маршевом, двигателе в плоскостях стабилизации и соединенные или с его камерой сгорания, размещенной в. карданном подвесе, или с его подвижным соплом: В случае применения в СУВТ рулевых, машин, каждый канал управления содержит, как правило, свой блок обратной связщ включающий усилитель, сумматор и фильтр электрических сигналов.
В качестве исполнительных органов СУВТ космических летательных аппаратов и их разгонных блоков (РБ) широкое распространение получили автономные однокаскадные аналоговые рулевые машины. Эти объекты характеризуются высокой надежностью, высоким) быстродействием, малыми габаритами, и массой, а также сравнительно низким значением энергопотребления [22]. Несмотря на большое количество возможных схем реализации электрогидравлических усилителей (ЭРУ), для автономных РМ нашли практическое применение и имеют перспективы развития лишь, не многие из них. Ввиду необходимости обеспечения минимального энергопотребления, минимальной массы и максимальной надежности, наиболее распространенным вариантом реализации ЭРУ в современных РМ является вариант однокаскадного аналогового двухдроссельного ЭРУ с отрицательным. перекрытием, который преобразует маломощные электрические сигналы, поступающие на обмотки электромеханического преобразователя (ЭМП) (поляризованного реле), осуществляющего непосредственное управление положением золотниковых плунжеров гидрораспределителя (ГР), в мощные выходные сигналы в виде потоков рабочей жидкости, направляемые в силовой гидроцилиндр РМ.
Такой способ непосредственного управления золотниками приводит к следующим противоречивым особенностям рабочих процессов ЭГУ:
1) золотниковые плунжеры ЭГУ РМ, как и золотники традиционных гидроусилителей приводов, подвержены действию гидродинамических сил, обусловленных изменением количества движения рабочей жидкости, 1 обтекающей их в процессе функционирования. Эти силы оказывают не только заметное влияние на перестановочные усилия, требуемые для управления положением золотниковых плунжеров, но и в силу своей нестабильности могут являться причиной различных видов неустойчивости и приводить к автоколебаниям, что является нежелательным эффектом;
2) с другой стороны, действие гидродинамических сил на золотниковые плунжеры ЭГУ повышает чувствительность РМ, точность отработки РМ командных сигналов и позволяет снизить энергопотребление РМ при отсутствии командных сигналовчто является эффектом желательным.
Несмотря на достигнутые высокие технические показатели, при эксплуатации РМ с однокаскаднымианалоговьш дроссельными ЭГУ периодически приходится решать проблему обеспечения устойчивости СУВТ из-за возникновения в них высокочастотных (40−60 Гц), а порой и низкочастотных (8−12 Гц)' автоколебаний, обусловленных действием на золотниковые плунжеры ГР ЭГУ гидродинамических сил, величина которых определяется характером и параметрами рабочих процессов ЭГУ и РМ в целом, а также параметрами нагрузки [5,21].
Поэтому очень важно иметь наиболее полное знание об этих силах при проектировании ЭГУ и РМ, так как это позволяет повьюить точность расчетовпараметров золотниковых пар, жесткости плоской нагрузочной пружины ЭМП. и правильно выбрать сам ЭМП, а также другие комплектующие элементы ЭГУ и РМ.
Основной конструктивной особенностью ЭГУ РМ является известное в ракетостроении размещение золотниковых плунжеров в полых вращающихся осях шестеренных насосов РМ, выполняющих роль гильз золотников ГР.
Вследствие этой конструктивной особенности рабочие процессы ЭГУ РМ существенно отличаются от рабочих процессов традиционных гидроприводов, имеющих ЭГУ со стационарными гильзами, поскольку вращение гильз ЗГР в значительной степени влияет на демпфирование золотниковых плунжеров, на пропускную способность их дроссельных окон, а также на величину гидродинамических сил.
Влияние вращения гильз золотниковых ГР на рабочие процессы ЭГУ РМ практически не было исследовано и вызывало трудности создания адекватных математических моделей ЭГУ и РМ, которые могли приводить к ошибкам, как при их проектировании, так и при проектировании рулевых трактов систем управления изделий ракетной техники.
Кроме этого РМ ракетных блоков работают, как правило, в экстремальных условиях эксплуатации, характеризуемых широкими диапазонами изменения температуры окружающей среды и напряжения электропитания. Эти условия эксплуатации искажают рабочие процессы и характеристики ЭГУ и РМ в целом, и поэтому могут приводить к нарушениям управляемости ракетного блока. Поэтому для анализа устойчивости и управляемости ракетного блока требуются математические модели СУВТ, адекватные этим экстремальным условиям [37].
Обычно для построения таких математических моделей применяют методы имитационного моделирования, учитывающие зависимости потерь давления в магистральных элементах гидроагрегатов со встроенной гидроаппаратурой, содержащих местные сопротивления, от режимов течения рабочей жидкости, которые в свою очередь определяются микрогеометрией составляющих элементов и вязкостью рабочей жидкости, существенно изменяющейся в зависимости от температуры [37].
Однако, математические модели при этом оказываются слишком громоздкими и требуют при эксплуатации значительных затрат машинного времени и оперативной памяти, что существенно затрудняет их реальное применение при моделировании динамики ракетных блоков.
Для анализа устойчивости и управляемости РБ, а также для практического управления целесообразно иметь упрощенные математические моделей ЭГУ, РМ и СУВТ, адекватные указанным экстремальным условиям.
Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование рабочих процессов двухдроссельного ЭГУ современных РМ с разработкой новых методов и средств проведения таких исследований. Результаты исследований были направлены на создание математических моделей и программных средств расчета статических и динамических характеристик двухдроссельного ЭГУ, РМ и СУВТ для нормального и экстремальных условий эксплуатации. Кроме того, исследования были ориентированы на модернизацию двухдроссельного ЭГУ с выработкой рекомендаций по улучшению конструкции золотниковых гидрораспределителей (ГР) ЭГУ для облегчения регулировки РМ и обеспечения СУВТ устройствами, работающими при экстремальных условиях эксплуатации.
Для достижения указанной цели в данной работе поставлены следующие основные задачи:
— анализ схемных и конструктивных особенностей двухдроссельного ЭГУ РМ;
— исследование рабочих процессов функционирования компонентов двухдроссельного ЭГУ РМ;
— создание подробных нелинейных имитационных математических моделей динамики и статики двухдроссельного ЭГУ РМ, адекватных нормальному и экстремальным режимам эксплуатации;
— проведение структурно — параметрического синтеза для создания упрощенных нелинейных математических моделей двухдроссельного ЭГУ,.
РМ и СУВТ, учитывающих специфику конструкции, а также гидростатические и гидродинамические силы, действующие на его золотниковые плунжеры, для нормального и экстремальных режимов эксплуатации, пригодных для автоматизированного моделирования и анализа;
— исследование чувствительности РМ к изменению конструкционных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ с выработкой мероприятий по модернизации его конструкции для упрощения регулировки РМ.
Для решения поставленных задач в работе использовался математический аппарат для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений при расчетах статических характеристик ЭГУ и РМ, теории решения систем* дифференциальных уравнений при расчетах динамических характеристик РМ и СУВТ, методы теории регрессии при аппроксимации получаемых характеристик, методы теории подобия и размерностей в гидромеханике, а также теории автоматического регулирования.
Проверка теоретических результатов осуществлялась путем численных экспериментов с использованием компьютерных моделей и проведением экспериментальных исследований реальных устройств, входящих в состав СУВТ.
Решение указанных задач позволило получить следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:
— разработан и применен метод расчета частотных характеристик СУВТ и её компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время. Согласно разработанному методу процесс интегрирования дифференциальных уравнений математической модели объекта на данной частоте входного моногармонического сигнала производится до тех пор, пока средние вычисляемые значения амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов не станут достаточно постоянными, т. е. до тех пор, пока разности между вновь вычисленными средними значениями амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов и предыдущими значениями этих параметров не станут по модулю меньше наперед заданных числовых значений погрешностей вычислений;
— разработан и применен метод структурно-параметрического синтеза типового узла управления (УУ) ЭГУ РМ заключающийся в экспериментальном определении статических характеристик УУ, определении амплитудных и фазовых частотных характеристик электрической и механической частей УУ при заторможенном и свободном валике электромеханического преобразователя с последующим проведением идентификации параметров по предлагаемой методике. С помощью разработанного метода получены структуры нелинейной и линеаризованной математических моделей УУ и проведена идентификация их параметров;
— разработан и применен метод структурно-параметрического синтеза гидрораспределителя (ГР) ЭГУ РМ заключающийся в экспериментальном исследовании его рабочих процессов и получении аналитических зависимостей математической модели ГР, при этом разработаны и применены новые способы, методы и средства проведения экспериментальных исследований ГР;
— разработана подробная нелинейная математическая модель динамики ЭГУ, учитывающая местные магистральные сопротивления и силы, действующие на его подвижные элементы, при этом путем применения закона сохранения количества движения впервые получены предлагаемые математические модели составляющих этих сил;
— разработаны и применены итерационные методы расчета статических характеристик двухдроссельного ЭГУ, в основу которых положены подробные нелинейные математические модели статики и разработанная модификация метода Зейделя для решения жестких систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений. С помощью применения разработанных методов расчета статических характеристик определены экстремальные режимы эксплуатации ЭГУ;
— разработаны и применены методы структурно-параметрического синтеза ЭГУ, РМ и СУВТ, в результате чего получены упрощенные нелинейных математические модели этих объектов для нормального и двух экстремальных режимов эксплуатации, пригодные для автоматизированного моделирования и анализа;
— разработаны и применены методы расчета статических характеристик РМ, пригодные для подтверждения адекватности её математической модели и исследования влияния конструктивных и регулировочных параметров ЭГУ на статические характеристики РМ;
— исследована чувствительность статических характеристик РМ к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ. В результате проведенных исследований определены пути модернизации ЭГУ для получения требуемых характеристик РМ и СУВТ, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.
В работе автор защищает следующие положения:
— метод расчета частотных характеристик СУВТ и её компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время;
— метод синтеза параметров математической модели типового УУ ЭГУ.
РМ;
— метод синтеза параметров математической модели ГР ЭГУ РМподробная нелинейная математическая модель динамики двухдроссельного ЭГУ, учитывающая местные магистральные сопротивления и силы, действующие на подвижные элементы ЭГУитерационные методы расчета статических характеристик двухдроссельного ЭГУ;
— структуры и методы синтеза параметров упрощенных нелинейных математических моделей двухдроссельного ЭГУ и СУВТ, а также упрощенная нелинейная математическая модель РМ для нормального и двух экстремальных режимов эксплуатации;
— методы расчета статических характеристик РМ (итерационный метод и метод «автоинтегрирования»);
— результаты исследования чувствительности статических характеристик РМ к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ;
— рекомендаций по улучшению конструкции двухдроссельного ЭГУ РМ для СУВТ.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
1. Разработан и предложен метод расчета частотных характеристик систем управления вектором тяги и их компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время, названный методом «автоинтегрирования», согласно которому процесс интегрирования дифференциальных уравнений математической модели объекта на данной частоте входного моногармонического сигнала производится до тех пор, пока средние вычисляемые значения амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов не станут достаточно постоянными, т. е. до тех пор, пока разности между вновь вычисленными средними значениями амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов и предыдущими значениями этих параметров не станут по модулю меньше наперед заданных числовых значений.
2. Разработан и предложен итерационный метод решения жестких систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей ЭГУ и РМ, а также их компонентов и рабочих процессов, отличающийся тем, что приближениям неизвестных на каждой итерации присваиваются не значения их вычисленных ошибок, а их предыдущие значения плюс часть ошибки.
3. Разработана структура и предложен метод синтеза параметров узла управления ЭГУ РМ, включающий экспериментальное определение его статических характеристик, а также амплитудных и фазовых частотных характеристик электрической и механической частей узла управления при заторможенном и свободном валике электромеханического преобразователя, и оригинальную методику идентификации параметров.
4. Предложено и применено устройство для определения углов истечения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР, отличающееся плоской прозрачной моделью золотникового ГР, в рабочей и сливной камерах которой с помощью осей и пар растяжных элементов установлены флажковые флюгеры, а также предложен и применен способ определения углов истечения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР, отличающийся возможностью определения углов истечения потоков, близких к интегральным не только по величине открытия дроссельного окна, но и по глубинам рабочей и сливной камер.
5. С помощью нового устройства и нового способа впервые получены экспериментальные зависимости углов истечения встречно-направленных потоков рабочей жидкости сливных дроссельных окон золотниковых ГР от их относительного открытия.
6. Предложен и применен способ определения безразмерных параметров течения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР с неподвижными гильзами, заключающийся в проливке золотникового ГР с одновременным измерением перемещения подпружиненного золотникового плунжера под действием на него гидростатических и стационарных составляющих гидродинамических сил, измерении расхода и перепада давления на золотниковом плунжере с последующим вычислением безразмерных параметров течения потока в дроссельном окне по предлагаемым соотношениям;
7. В результате экспериментальных и теоретических исследований с применением нового способа, впервые определены зависимости коэффициентов сжатия потока в дроссельных окнах ЭГУ прямоугольной и сегментной формы от числа Рейнольдса, а также от относительного значения противодавления на выходе дроссельных окон золотниковых ГР с неподвижными гильзами;
8. Впервые исследовано влияние вращения гильз золотниковых ГР на процессы истечения потоков рабочей жидкости из дроссельных окон золотниковых ГР ЭГУ РМ, в результате чего экспериментально установлено, что углы истечения потоков из дроссельных окон прямоугольной и сегментной формы золотниковых ГР с вращающимися гильзами при одних и тех же условиях существенно больше соответствующих углов истечения потоков из таких же дроссельных окон золотниковых ГР, имеющих неподвижные гильзы. По этой причине значения стационарных составляющих гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры ГР ЭГУ РМ оказываются существенно меньшими, чем в традиционных ГР ЭГУ с неподвижными гильзами;
9 Предложен и применен метод определения безразмерных параметров течения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР с вращающимися гильзами, заключающийся в проливке золотникового ГР при вращении гильзы с одновременным измерением перемещения подпружиненного золотникового плунжера под действием на него гидростатических и стационарных составляющих гидродинамических сил, измерении расхода и перепада давления на золотниковом плунжере, с последующим определением приращения угла истечения потока и вычислением безразмерных параметров потока по предлагаемым соотношениям.
10. С помощью нового экспериментально-аналитического метода впервые определены характеристики зависимостей коэффициентов расхода сливных дроссельных окон прямоугольной и сегментной формы золотниковых ГР ЭГУ РМ от числа Рейнольдса, относительного противодавления на выходе дроссельных окон и комплексного параметра, названного фактором вращения;
11. Предложены итерационные методы расчета параметров течения потоков рабочей жидкости в сливных дроссельных окнах неподвижных и вращающихся гильз двухдроссельных золотниковых ГР ЭГУ РМ, позволяющие более точно и однозначно проводить вычисления этих параметров.
12. В результате экспериментально-аналитических исследований установлено, что реальные углы наклона суммарных векторов скоростей потоков рабочей жидкости, истекающих через дроссельные окна вращающихся гильз, к осям золотниковых плунжеров (углы истечения) в гидрораспределителях электрогидравлических усилителей рулевых машин существенно выше значений, соответствующих неподвижным гильзам, в результате чего значения гидродинамических сил, действующих на их золотниковые плунжеры оказываются существенно меньшими, чем в традиционных электрогидравлических усилителях.
13. В результате экспериментально-аналитических исследований установлено, что вращение золотниковых гильз гидрораспределителей электрогидравлических усилителей рулевых машин приводит к следующим изменениям характеристики зависимости коэффициета расхода дроссельных окон от числа Рейнольдса: к уменьшению в области больших чисел, к увеличению градиента характеристики в области малых чисел и к размыванию локального максимума в области перестройки потока.
14. Разработана новая теория рабочих процессов двухдроссельного ЭГУ РМ, включающая предлагаемые: математические модели поведения углов истечения потоков рабочей жидкости в сливных дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей со стационарными и вращающимися гильзами (осями насосов) — математические модели поведения безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей со стационарными и вращающимися гильзами (осями насосов), а также итерационный метод расчета этих параметровитерационный метод расчета безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в каналах электрогидравлического усилителя и трубопроводах рулевой машиныматематические модели гидростатических и гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры гидрораспределителей электрогидравлического усилителя рулевой машины.
15. Разработаны предлагаемые нелинейные математические модели статики и динамики ЭГУ РМ, а также методы расчета их статических характеристик.
16. Путем проведения структурно-параметрического синтеза получены предлагаемые упрощенные математические модели электрогидравлического усилителя, рулевой машины и системы управления вектором тяги.
17. Разработаны и применены методы расчета статических характеристик • автономных однокаскадных дроссельных РМ (метод «автоинтегрирования» и итерационный метод).
18. С применением итерационного метода расчета исследована чувствительность статических характеристик РМ, к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ, в результате чего установлено, что вариацией такого параметра, как локальная толщина стенки гильзы золотникового плунжера в зоне дроссельного отверстия можно управлять величиной гидравлической силы, действующей на золотниковые плунжеры, обеспечивая при этом уменьшение угла наклона скоростной характеристики рулевой машины при одновременном уменьшении её зоны нечувствительности (токов трогания) и наоборот.
19. На основании проведенных исследований чувствительности статических характеристик рулевой машины к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ предложены два новых устройства конструкции рулевой машины, защищенные патентами Российской федерации, позволяющие регулировать величину гидравлической силы, действующей на золотниковые плунжеры, и таким образом улучшать выходные характеристики как двухдроссельных электрогидравлических усилителей, так и рулевых машин, а также систем управления вектором тяги, выполненных на их основе.
Все новые научные положения, разработанные автором, подтверждены лабораторными экспериментами, необходимыми расчетами и летными испытаниями орбитального корабля «Буран», ракеты носителя «Союз» и разгонных блоков ДМ-БЪ и ДМ-БЬЕ.
Теоретическое и практическое значение полученных автором результатов состоит в возможности обеспечения требуемой чувствительности и угла наклона скоростных характеристик рулевой машины, возможности прогнозировать возникновение автоколебаний в системах управления вектором тяги ракетных двигателей и вырабатывать мероприятия по их устранению, что позволяет сократить затраты на их отработку, а также проводить экспертную оценку работы СУВТ в процессе эксплуатации.
Полученные в результате проведенных исследований математические модели ЭГУ РМ использованы в процессе разработки, создания и летных испытаний РМ орбитального корабля «Буран», разгонных блоков ДМ-SL и ДМ-SLB в РКК «Энергия», и могут найти применение при разработке рулевых приводов в ракетостроительной и авиастроительной отраслях.
Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно — техническом совете отделения 04 РКК «Энергия», на 9 и 10 отраслевых научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов,), на всесоюзной конференции «Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении» (г. Севастополь, 1990 г.), на международной научно-технической конференции «Гидропневмоавтоматика и гидропривод» (г. Ковров, 1995 г.) и на международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (г. Саратов, 1997 г).
По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них: статей — 16, патентов РФ — 7, тезисов докладов — 1.
