Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ	899

Рис. 8.4.4. Принципиальная турбонасосная схема подачи топлива с бустерными насо сами блока III ступени РН «Союз 2»:

КС — камера сгорания; ГГ — газогенератор

Кроме противокавитационного над дува перед началом работы ДУ производят еще предварительный наддув баков в целях создания давления подаваемых компонен тов, необходимого для обеспечения нор мального запуска ДУ и предотвращения провала давления в баках, возможного в случае запаздывания включения системы противокавитационного наддува. Еще один способ борьбы с кавитацией в насо сах двигателей — установка бустерных на сосов (преднасосов) шнековой конструк ции на входе в двигатель. Их задача состо ит в повышении давления компонентов то плива на входе в основные насосы ЖРД.

Принципиальная турбонасосная схе ма подачи топлива с бустерными насосами (блок III ступени РН «Союз 2») представ лена на рис. 8.4.4.

При проектировании РН выбор сис темы подачи топлива определяется назна чением, продолжительностью работы, тя гой и т.п.

При турбонасосной системе подачи то пливные баки находятся под давлением над дува, которое выбирается из условий обеспе чения устойчивости баков и бескавитацион ной работы насосов. При этом топливные баки больш х объемов имеют сравнительно небольшую массу. Масса турбонасосной системы подачи практически не зависит от продолжительности работы ДУ. Поэтому турбонасосные системы подачи применяют

	ся в ДУ с высокой тягой и большой продолжи	вытеснительные системы подачи топлива не
		пригодны для двигателей с высокой тягой и зна
	тельностью работы (ракетные блоки I–III ступе
		чительной продолжительностью работы.
	ней РН), так как в этом случае масса их меньше
	других систем. Недостаток данных систем со
	стоит в относительной сложности турбонасос
	ной аппаратуры, что приводит к снижению на	Глава 8.5
	дежности и повышению стоимости двигателя.	СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО
	Вытеснительные системы подачи топлива
		ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ И ПОТРЕБНОЕ
	значительно проще турбонасосных. Основной
		ДАВЛЕНИЕ НАДДУВА БАКОВ
	их недостаток заключается в том, что топливные
	баки находятся под б льшим давлением, чем	8.5.1. СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО
	давление в камере сгорания ЖРД. Вследствие
		ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ
	этого растет толщина стенок баков и их масса,
	что оказывает основное влияние на массу всей	В число основных факторов, влияющих
	ДУ, как при увеличении времени работы ЖРД,	на величину полезной нагрузки, наряду с
	так и при увеличении давления подачи. Поэтому	удельным импульсом двигателей, массой кон

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

900 Глава 8.5. СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ

струкции топливных отсеков, ДУ и приборов входит и одновременность опорожнения баков горючего и окислителя ЛА.

Одновременность опорожнения баков ЛА характеризуется случайным разбросом уровней компонентов топлива в различных баках относительно расчетного значения. Меры по уменьшению случайного разброса уровней компонентов включают калибровку проходных сечений топливных магистралей, настройку турбонасосных агрегатов, уста новку дросселей или других регуляторов, ра ботающих по командам от датчиков расхода компонентов и образующих систему одно временного опорожнения баков (СООБ) (рис. 8.5.1).

Погрешности одновременного опорожне ния баков удобно определять относительным разбросом соотношения израсходованных компонентов:

K		Mок		Mг	,	(8.5.
K Mок Mг

где K — соотношение случайных отклонений расчетных значений израсходованных окисли теля и горючего; K — соотношение расчетных значений рабочих запасов окислителя и горю чего; Mок и Mг — соответственно случайные отклонения расчетных значений израсходован ных окислителя и горючего; Mок и Mг — рас четные значения рабочих запасов окислителя и горючего,

K Mок / Mг .

(8.5.2)

Величина K / K на борту ЛА может из меняться более чем на порядок при переходе от пассивных средств обеспечения одновре менного опорожнения баков (калибровка то пливных магистралей, предварительная на стройка турбонасосных агрегатов) к установ ке СООБ.

Для выявления необходимости включе ния в состав бортовых СУ ЛА СООБ рас смотрим возможные потери полезной на грузки из за погрешностей опорожнения при простейших мероприятиях — установке калибровочных шайб в топливных магистра лях, сужающих случайный разброс расходов компонентов топлива до диапазона 5 % от номинала.

Считаем, что погрешности размеров ка либровочных шайб по магистралям горючего и окислителя подчинены нормальному распре

делению и между собой независимы, посколь ку независимы операции по их установке. Вследствие случайного характера возмущений относительный разброс соотношения компо нентов также подчиняется нормальному рас пределению и не превышает величины

	K			M	ок	2		M	г	2
			&			)	&			)	5	0,05 2. (8.5.3)
K			&	Mок		)	&		)
			%			(	% Mг		(

При идеальном соотношении расходуе мых компонентов относительные количества израсходованных компонентов могут быть за писаны в виде:

.ок (1 .)		K		;
	1 K			(8.5.4)
.г (1 .)		1	,
1		K

где .ок — относительные массы израсходован ноых окислителя и горючего; (1 .) — относи тельная масса израсходованного топлива ЛА к рассматриваемому моменту.

Случайные отклонения K приводят к случайному разбросу относительных коли честв израсходованных компонентов:

.ок (1 .)			K	;
			K )2
(1				(8.5.5)
			K
.г (1 .)					,
			K )2
(1

и к необходимости выключения двигателя, ко

гда израсходован один	компонентов, в то
время как избыток	компонента увели

чивает пассивную массу ракетного блока. На рис. 8.5.2 представлена зависимость конечной массы Mк ступени ЛА от погрешности одно временного опорожнения ЛА при выключении двигателей.

Рассмотрим случай, когда уровень горю чего по случайным причинам опережает уро вень окислителя. Тогда команду на выключе ние двигателя первым выдает датчик окончания компонентов топлива (ОКТ), установленный в баке горючего, когда Mг 0. Избыток окис лителя в момент выключения двигателя опре деляем из (8.5.1) и (8.5.4):

Mок Mок	K M0		(1 .)	K	.
	K		1 K
В относительных		величинах избыток

окислителя составит .ок (1 .) K . 1 K

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ	901

Рис. 8.5.1. Система одновременного опорожнения баков (СООБ) ракетного блока:

1 — бак жидкого водорода; 2 — дискретные датчики уровня; 3 — преобразователь сигналов датчика;

4 — количество заправленного	водорода и телеметрия; 5 — количество жидкого водорода; 6 —
емкостной датчик количества	водорода;
7 — количество жидкого кислорода;	— емкост

ной датчик количества жидкого кислорода; 9 — дискретные датчики уровня жидкого кислорода; 10 — блок, формирующий сигнал на регулировку соотношения расходуемых компонентов; 11 — количество заправленного жидкого кислорода и телеметрия; 12 — модулятор; 13 — дроссель, ре гулирующий соотношение расходуемых компо нентов; 14 — датчики уровня, регистрирующие окончание жидкого кислорода; 15 — бак жидко го кислорода; 16 — демпфирующие перегородки 17 — сервоусилитель; 18 — сервомотор; 19 —

суммирующее устройство

Пассивная масса неиспользованного окис лителя при неизменной относительной полез ной нагрузке ЛА приводит к потере скорости, в безразмерной форме имеющей вид

Σ	( c ln.)		.ок		1 .		K	. (8.5.6)
c	c		.	.		1 K

Потеря скорости требует снятия части полезной нагрузки и вместо нее залива допол

Рис. 8.5.2. Зависимость конечной массы ступе ни ЛА от погрешности одновременного опорож нения ЛА при выключении двигателей от датчи ков окончания компонентов топлива (ОКТ):

а — возможное увеличение конечной массы без гарантийных остатков какого либо из ком понентов; б — возможное увеличение конеч ной массы при оптимальном гарантийном ос татке горючего

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

902 Глава 8.5. СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ

нительного количества топлива в целях обес печения расчетной скорости при выключении двигателя:

.п н

.п нi

1 .кi

Ki

. (8.5.7)

.

п н

.

п нi

.

кi

i

Ι n 1

K

i

i i

По формулам (8.5.6) и (8.5.7) оценим поте ри скорости в безразмерной форме и относитель ной величины полезной нагрузки при нерегули руемом опорожнении баков только одной ступе ни ЛА. Примем | K / K | 0,052 в диапазоне значений .к i 0,25...0,33, ci 3 500...4 500 м/с и при безразмерной характеристике ракетного блока i Ιi ni 015, (табл. 8.5.1).

8.5.1 Влияние погрешностей нерегулируемого опорожнения баков и характеристик ракетных блоков на конечную скорость и относительную величину полезной нагрузки ЛА

.к		0,25			0,33
K	2,5		6,0	2,5		6,0
Σ / c, %	15		18	10		12
.п н / .п н , %	38		45	18		22

Из табл. 8.5.1 следует, что случайный раз брос секундного расхода по каждому из ком понентов в пределах /5 % при нерегулируемом опорожнении баков ЛА приводит к снижению полезной нагрузки на 20...45 %.

Из формул (8.5.5) и (8.5.7) следует, что введение в состав бортовых систем ния ЛА СООБ, способной уменьшить раз брос K / K до / 0,5 %, уменьшает потери по лезной нагрузки до 2…4 %.

Таким образом, введение в состав борто вых систем СООБ по приращению полезной нагрузки эквивалентно увеличению импульса двигателей на 10...20 % (8.5.6).

Принципиальная схема работы СООБ приведена на рис. 8.5.1. Дроссели (или другие исполнительные органы) на магистралях пода чи горючего и окислителя по командам от дат чика опорожнения баков, которые могут фор мироваться непрерывно или в дискретные мо менты времени, изменяют соотношение рас ходуемых окислителя и горючего. В соответст вии с характеристиками датчиков СООБ мо жет относиться к типу непрерывных или дис кретных, расходомерных или объемомерных (датчики измеряют заполненные объемы ба ков). Если путем увеличения количества дат

чиков дискретная СООБ может быть сделана эквивалентной непрерывной СООБ, то расхо домерная и объемомерная системы в ряде слу чаев обеспечивают принципиально различную эффективность.

Для выяснения различий в возможностях расходомерной и объемомерной СООБ запи шем выражения для остатков компонентов то плива в баках в виде:

Mо ок Mз ок Мт				K		;
			1 K				(8.5.8)
Mо г Mз г Мт			K		,
	1
			K

где Mо ок и Mог — остатки окислителя и горюче го соответственно; Mз ок и Mз г — заправленные количества окислителя и горючего соответст венно; Mт — израсходованное топливо:

Mт (Mз ок Mз г ) (Mо ок Mо г ). (8.5.9)

Случайный разброс остатков компонентовMо ок и Mо г существенно зависит от ошибок заправки Mз о и Mз г и от типа СООБ. Объе момерная СООБ ошибки заправки восприни мает в виде рассогласования начальных уров ней в баках, которое в процессе опорожнения будет сведено к нулю, следовательно, суммар ные ошибки заправки будут распределены меж ду окислителем и горючим в соотношении для K. Расходомерная СООБ принципиально не может отреагировать на ошибки заправки, и рассогласование начальных уровней целиком войдет в рассогласование уровней компонентов при выключении двигателя. Объемомерная СООБ допускает разброс остатков компонен тов топлива, выражаемый формулами:

Mо ок ( Mз ок Mз г )

K

1

K

Mт

K

K

M

т ;

(K 1)2

K 1

(8.5.10)

1

Mо г ( Mз ок Mз г )

1

K

Mт

K

1

Mт ,

(K 1)2

K 1

Допустимый разброс остатков компонен

тов топлива в расходомерной СООБ:

Mо ок Mз ок Mт

K

K

Mт ;

(K 1)2

K 1

(8.5.11)

K

1

Mо г Mз г Mт

Mт ,

(K 1)2

K

1

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ	903

где Mт — дополнительный расход топли ва, зависящий от алгоритма выключения двигателя, т.е. от принципа управления дви жением ЛА.

Из (8.5.10) очевидны преимущества объе момерных СООБ в случае относительно боль ших погрешностей заправки компонентами, например, при изменении плотности компо нентов в зависимости от температуры воздуха и соответственно массы заправленного компо нента. Так, при заправке керосином в диапа зоне возможных температур /50 С плотность компонента, вместе с ней и масса горючего, изменяются в пределах /5 %.

При использовании расходомерной СООБ, измеряющей массовый расход керосина, по грешность одновременного опорожнения ба ков (8.5.3) составит порядка Kз г / K − 0,05, а снижение полезной нагрузки в соответствии с табл. 8.5.1 достигнет 15...30 %.

При использовании объемомерной СООБ ( K / K + 0,001) при K 2,5 заметного снижения полезной нагрузки не будет из за малых оши бок одновременного опорожнения (8.5.10):

.п н

М0

Мз г

Мз г Мг

.п н

М0

М0

KМ0

Kз г

1 .к

0,05

1 0,25

−1 %.

K

K 1

2,5 1

Таким образом, в случае применения компонентов, начальная температура которых и заправляемая в баки масса существенно ме няются, в состав БСУ должна быть включена объемомерная СООБ. Такие компоненты топ лива, как криогенные, при температуре кипе ния не меняют плотность с изменением тем пературы воздуха, для них возможно исполь зование расходомерной СООБ, если ее аппа ратурное решение проще и эффективность в соответствии с критерием приведенных потерь в полезной нагрузке выше:

N	N 1
min ( ma yi mи 0i mКОН i)β.п нj (.п н N 1 1),
i 1	j 1

где ma yi , mи 0i и mКОНi — потери в массах ап паратуры управления с источниками энергопи

тания, исполнительных органов с запасами ра бочего тела, силовых элементов конструкции и гарантийных запасов топлива соответственно.

Рассмотрим только объемомерную СООБ, так как приводимые рассуждения справедливы и для расходомерной СООБ.

Определим дополнительный расход топ лива Mт в зависимости от принципа управле ния и конкретной задачи запуска ЛА. Команда на выключение двигателя формируется в мо мент, когда измеренное значение управляемо го отклонения равно нулю:

Lсу grad L,( nSи nSп ) grad L, nSп . (8.5.12)

Принцип жесткого управления ЛА пред полагает строго определенное направление ка жущегося ускорения nSи по времени, поэтому строго определенно меняются проекции дан ного ускорения на программные оси, в част ности на направления xKпр в расчетный момент выключения двигателя. Это позволяет равен

ство (8.5.12)		в виде функционала
		nsxK 0,	(8.5.13)
где nп	— инструментальная погрешность из
sxк

мерителей, приводящая к дополнительному рас ходу топлива.

Воспользуемся

соотношениями nsxK

g

p

ln.

к

;

.

к

Mк

1

Mт

,

чтобы

запи

0 уд

M0

M0

сать равенство (8.5.13) в виде nп

g

p

.к nп

sxк

0

уд

ln.

к

g

p

g

p ln.

к

g

p

0

уд

.к

sxк

0

уд

0

уд

Mк

g

p

M0

0,

так как

M

з ок

Mк

0

уд Mк

Mз г Mкон , то

Mт (.к

1)( Mз ок

Mз г

Mкон )

Mк

nп

pуд

M

к

ln.

к

,

(8.5.14)

g0 pуд

sx

к

g0 pуд

где Mз ок , Mз г , Mкон

— случайные отклоне

ния масс заправляемых компонентов (окисли теля и горючего) и конструкции.

Подстановка (8.5.14) в (8.5.10) дает выра

жение

для

разброса остатков компонентов

Mо ок , Mо г

в виде линейных функций незави

симых

случайных отклонений 1 Mз ок ;

2 Mз г ; 3 Mкон и т.д.:

Mо ок

0Mо ок

i

0Mо ок

K;

(8.5.15)

i

0i

0K

Mо г

0Mо г

i

0Mо г

K,

i

0i

0K

причем

0Mо ок

0Mо г

, а

0Mо ок

0Mо г

K с

0K

0K

0i

0i

допустимым для практических целей прибли жением.

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

904 Глава 8.5. СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ

Таким образом, случайный остат ков компонентов топлива ЛА характеризуется

дисперсиями Dо ок , Dо г

и корреляционным мо

ментом K

ок г

:

D

D

D

;

ог

Dок

D ;

о ок

ок

к

K 2

к

K

ок г

Dок

D

, где

D

— дисперсия остатков

K

к

ок

окислителя при идеальной работе СООБ; Dк —

дисперсия остатков окислителя или горючего в случае 1 2 ... n 0.

При идеально работающей СООБ ( K 0) разбросы остатков окислителя и горючего на

ходятся в соответствии с величиной K Dо0,5ок

Dо0,5г

Αо ок .

Αо г

При больших погрешностях одновремен ного опорожнения или в случае 1 2 ...

... 0, Dк 66 Dок соотношение разбросов остат ков компонентов приближается к 1,0.

Для успешного выполнения задач выпус ка ЛА необходимо, чтобы выключение двига теля произошло по команде от функционала (8.5.13). С этой целью помимо рабочих запасов компонентов Mок и Mг в баках ЛА от преду сматривают гарантийные остатки компонен тов Mг ок и Мг г , величины которых достаточ ны для компенсации возможного разброса ос татков с заданной вероятностью.

В случае идеально работающей СООБ га рантийные остатки минимальны при данныхi и назначаются в соотношении K, например,

Mг ок 3Αо ок и Мг г 3Αо г 3Αо ок / K.

Погрешности реальной СООБ увеличива ют разбросы остатков компонентов и потреб ные для их компенсации гарантийные остатки.

Одним из эффективных путей уменьшения гарантийных остатков компонентов топлива и соответственно увеличения массы полезной на грузки является выключение двигателей проме жуточных ступеней ЛА после израсходования одного из компонентов топлива. При этом до полнительные возмущения в виде случайных от клонений скорости передаются на последнюю ступень ЛА, в результате ее гарантийные остатки компонентов топлива растут. Такое техническое решение возможно только при «гибком» прин ципе управления движением ЛА.

Оценим эффективность переноса гаран тийных остатков на последнюю ступень ЛА при идеальной работе СООБ. Пусть многоступенча тый ЛА составлен из ракетных блоков с близ

кими характеристиками и относительными ко нечными массами в диапазоне .кi 0,25...0,30 на каждой ступени.

По статистике величина гарантийных остатков для каждой ступени n 50 м/с ско рости.

Суммарная потеря скорости для ЛА с N ступенями при наличии на каждой ступени га

N

рантийных остатков составляет n8 ni

i 1

nN.

Считая возмущения на каждой ступени ЛА независимыми и с нормальным распреде лением, суммарную величину возмущения по скорости, компенсировать которую должны гарантийные остатки на последней ступени,

N

оценим по формуле nк8 ( ni )2 nN .

i 1

Отношение суммарного возмущения по скорости при переносе гарантийных остатков на последнюю ступень ЛА к суммарному возмуще нию при гарантийных остатках на каждой сту пени ЛА характеризует в относительных величи нах приведенные к полезной нагрузке гарантий ные остатки в зависимости от числа ступеней:

	к		1
Χ	Σ8	N 2.			(8.5.16)
	Σ
	8

Приведенные к полезной нагрузке гаран тийные остатки при выключении промежуточ ных ступеней по ОКТ могут быть уменьшены приблизительно на 30 % для двухступенчатого и на 40 % для трехступенчатого ЛА. Реальные погрешности СООБ уменьшают прирост по лезной нагрузки вследствие выключения про межуточных ступеней по ОКТ. Влияние коли чества ступеней ЛА и погрешностей СООБ на гарантийные остатки, приведенные к полез

ной	при выключении промежуточ
ных	приведено на рис. 8.5.3.
До	погрешностей СООБ | K / K |

убедимся в целесообразности при выключении по ОКТ иметь на каждой ступени гарантийные остатки горючего. Пассивная масса Mк неис пользованных компонентов неодинакова при разных знаках ошибки K:

	Mк Moк Moк K Mт					K			при	K 6 0;
						K	1
		K
	Mк Mг Mг	K	M	т		K			при	K + 0.
		K			(K 1)K
										(8.5.17)