Система управления расходованием топлива

В статье рассмотрен принцип построения системы управления расходованием топлива, её основные функции, приведены основные задачи терминального управления расходованием топлива.

Ключевые слова: жидкостный реактивный двигатель, система управления расходованием топлива, терминальное управление, ракета-носитель

В начале 50-х годов прошлого века при создании первой межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7 были поставлены две новые задачи: управление кажущейся скоростью ракеты и управление двигательной установкой с целью повышения энергетических характеристик ракеты. В связи с этим по поручению С. П. Королева в Институте проблем управления им. В. А. Трапезникова были начаты работы по созданию теории и систем управления жидкостных реактивных двигателей (ЖРД). Ответственным за исследования в данной области был назначен советский учёный Б. Н. Петров. Он был одним из основоположников теории, принципов построения и алгоритмов управления как для МБР Р — 7, так и для большинства последующих объектов ракетно-космической техники.

В исследованиях Б. Н. Петрова ЖРД рассматривался как основной объект управления ракеты. ЖРД при изготовлении настраивается на соотношение компонентов топлива с точностью ± (2 ÷4) % [1]. В полете под действием различных возмущений соотношение компонентов топлива двигателя может изменяться в ещё большем диапазоне. Это может привести к преждевременному израсходованию одного из компонентов топлива до момента выключения двигателя. Так как двигатель не может работать на одном компоненте (происходит несанкционированный останов или взрыв двигателя), то необходимо резервировать гарантийные запасы топлива. Для уменьшения гарантийного запаса топлива целесообразно применение систем управления соотношением компонентов топлива. Эти системы основываются на измерении уровней компонентов в баках или на измерениях секундных расходов топлива через двигатель.

Наиболее широкое практическое применение получила система управления расходованием топлива (СУРТ). Объектом управления СУРТ является динамическая система, состоящая из двигательной установки ступени, топливных баков и связывающих их трубопроводов. Исполнительным органом системы является дроссель, установленный в линии подачи одного из компонентов, чаще всего линии горючего, и приводимый в действие электрическим приводом. Дроссель изменяет соотношение компонентов расхода топлива в соответствии с командами системы управления.

За счет синхронизации выработки окислителя и горючего, а также прогнозирования момента окончания компонентов топлива достигается рациональное использование располагаемых запасов топлива.

Синхронизация выработки окислителя и горючего на ступени реализуется путем автоматического изменения коэффициента соотношения расходов компонентов топлива через ЖРД в допустимом диапазоне регулирования.

Прогнозирование момента окончания компонентов топлива осуществляется на основе измерительной информации о фактическом расходовании компонентов топлива в процессе полета ракеты.

СУРТ можно отнести к классу терминальных систем управления, так как основной целью управления является не мгновенная компенсация отклонения соотношения текущих запасов окислителя и горючего в баках, а выполнение заданных технических требований к моменту времени выключения двигательной установки ступени.

Основные задачи терминального управления расходованием топлива содержательно формируется следующим образом [2].

1. Временное рассогласование уровней компонентов топлива в баках в момент окончания работы двигателя должно быть минимальным.
2. Изменение коэффициента соотношения расхода компонентов топлива через двигатель от номинального значения в процессе регулирования системой не должно превышать допустимого значения определяемого работоспособностью двигателя.

Датчики уровня окислителя и горючего представляют собой штанги с набором равного количества N измерительных точек (ИТ), которые реагируют на факт пересечения уровня, на котором они установлены, зеркалом жидкого компонента. Для номинального процесса опорожнения баков пересечение компонентами топлива уровней ИТ одинаковых, i-тых (i = 1,2,...,N) номеров происходит одновременно(= ). При наличии возмущений возникает неодновременность пересечения компонентами топлива уровней ИТ одинаковых номеров и появляется рассогласование , которое однозначно характеризует рассогласование относительных запасов окислителя и горючего на i-той паре ИТ уровнемеров. Сигнал формируется в усилителе-преобразователе 3 и поступает на вход вычислительного устройства 4, где по алгоритму управления рассчитывается управляющее воздействие . Отработка управляющего сигнала осуществляется с помощью привода дросселя 6, устанавливаемого в одной из основных топливных магистралей двигателя после турбонасосного агрегата 5. Изменение положения дросселя, установленного в магистрали горючего, приводит к изменению расхода горючего и, соответственно, коэффициента соотношения компонентов через ЖРД. Описанная схема повторяет свое действие при срабатывании каждой из последующих пар ИТ, вплоть до последних перед финальным моментом.

Рис. 1. Структурная схема СУРТ

СУРТ может объединить в себе ряд подсистем для решения следующих задач: внутриблочного и межблочного регулирования опорожнения баков окислителя и горючего, прогнозирования момента времени окончания топлива и др. [4,5].

1) Система регулирования соотношения расходов компонентов топлива (РСК) поддерживает с помощью расходомерных датчиков окислителя и горючего заданное значение соотношения расходов компонентов топлива.

2) Система регулирования опорожнения баков (СОБ) решает задачу синхронизации опорожнения баков окислителя и горючего на основе использования информации от датчиков уровней окислителя и горючего.

3) Система управления межблочной синхронизацией (МБС) опорожнения баков осуществляет синхронизацию по информации об отклонении суммарного количества топлива в каждом блоке от среднеблочного его значения. Это позволяет повысить эффективность применения системы в условиях, когда существенно ограничивается диапазон изменения давления в камере сгорания.

4) Система поддержания давления в камере сгорания двигателей формирует по информации от датчика давления газа в камере сгорания управляющий сигнал на привод винта газового редуктора для стабилизации давления в камере сгорания относительно заданного значения.

5) Система прогнозирования момента времени окончания топлива применяется для выключения двигателей II ступени — при организации полной выработки топлива центрального бака и двигателя III ступени для обеспечения безопасности выключения в некоторых аварийных ситуациях.

Заключение. В период становления ракетно-космической техники основные методы повышения энергетических характеристик ракеты основывались на построении энергетически выгодных траекторий полета, но с развитием теории автоматического управления появились новые пути совершенствования этих показателей. Одним из важнейших инженерных решений стало создание системы управления расходованием топлива, которая позволила значительно повысить энергетические возможности ракетных летательных аппаратов, благодаря высокой точности управления.

1. Игдалов И. М. Ракета как объект управления/ И. М. Игдалов, Л. Д. Кучма, Н. В. Поляков, Ю.Д Шептун.– Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2004. — 544 с.
2. Челомей В. Н. и др. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями/В. Н. Челомей и др. — Москва: Машиностроение,1978. –296 с.
3. Петров Б. Н. и др. Бортовые терминальные системы управления/Б. Н. Петров и др. — Москва: Машиностроение, 1983. –200 с.
4. Андриенко А. Я. Вопросы теории и практики создания бортовых терминальных систем жидкостных ракет-носителей/ А. Я. Андриенко, В. П. Иванов. — Автоматика и телемеханика. — № 3. — 2013. — С.103– 119.
5. Андриенко А. Я., Иванов В. П. Совершенствование энергетических характеристик жидкостных ракет средствами автоматического управления. Ч.1. Физико-технические основы управления расходованием жидкого топлива ракет // Проблемы управления. — 2009. — № 1. — С. 66–71.
6. Шориков А. Ф. Формирование линейной дискретной динамической модели для решения задач оптимального терминального управления расходованием топлива ракеты-носителя/ А. Ф. Шориков, В. И. Калёв//Информационные технологии и системы: труды Пятой Международной научной конференции. — 2016. — С. 61–67.