Оценка качества и надежности функционирования системы управления расходованием топлива при стендовых испытаниях РН на примере первой ступени РН «Союз-5»

В процессе создания жидкостных ракет-носителей (РН) важнейшим этапом являются наземные стендовые испытания изделия для проверки надежности и безопасности функционирования систем управления и основных агрегатов изделия, включая жидкостную двигательную установку (ЖРД). Стендовые испытания включают в себя так называемые «холодные» испытания (ХСИ), в процессе которых производится слив компонентов топлива из баков при неработающем двигателе. Завершаются стендовые испытания так называемыми огневыми испытаниями (ОСИ), в процессе которых компоненты топлива из баков поступают в работающий жидкостной двигатель при заданной циклограмме его работы по тяге. При проведении стендовых испытаний современных отечественных ракет-носителей в состав изделия включается бортовая система управления расходованием компонентов топлива (СУРТ), в задачу которой входит регулирование коэффициента соотношения расходов компонентов в заданных пределах и формирование команды на выключение ЖРД при минимальных остатках компонентов топлива. Условием безаварийного выключения ЖРД по команде СУРТ является недопущение режима работы ЖРД на одном компоненте, опасного для возгорания двигателя из-за повышения температуры в газогенераторе. В качестве примера рассматривается стендовое испытание первой ступени РН «Союз-5» с двигателем РД171МВС, который характеризуется высоким уровнем тяговооруженности. В данном случае при проведении огневых испытаний первой ступени для исключения возможности возгорания ЖРД, помимо мер отказоустойчивости, предусмотренных в алгоритме управления системы СУРТ, команда на останов двигателя формируется путем дублирования расчетного момента времени останова и формируемого в алгоритме СУРТ момента полной выработки компонентов топлива. В данной работе рассматриваются вопросы информационно-аналитического обеспечения надежности проведения стендовых испытаний ступени РН в части управления расходованием компонентов топлива и выключения двигателя при максимально-возможном использовании рабочих запасов топлива. На основе данных телеметрического кадра об основных параметрах и регулируемых координатах проводится анализ динамики процесса регулирования и оценка конечной точности работы системы СУРТ. Следует отметить, что наземные стендовые испытания РН являются важным этапом проверки качества и надежности функционирования системы СУРТ в составе изделия.

Каблова Елена Борисовна, научный сотрудник.

Кленовая Людмила Григорьевна, научный сотрудник.

Тропова Елена Ивановна, научный сотрудник.

2.    НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МЕТОДИКИ АНАЛИЗА РАБОТЫ СУРТ СТЕНДОВОГО БЛОКА

Основная задача анализа работы СУРТ заключается в том, чтобы по имеющейся телеметрической информации определить показатели динамики и точности системы - отклонения коэффициента соотношения расходов компонентов и остатки рабочих запасов компонентов топлива в прогнозируемый системой момент полной выработки.

Кроме того, методика предназначена для оценки возмущающих факторов и погрешностей измерения уровней компонентов топлива в баках датчиками СУРТ, воздействовавших на систему в данном конкретном испытании (пуске).

Поскольку в алгоритме предусмотрены меры отказоустойчивости, в телеметрическом кадре содержится ряд диагностических параметров, анализируя которые, можно выявлять нештатные ситуации в работе СУРТ.

Принципы построения методики и расчетные соотношения для анализа работы СУРТ существенно связаны с принципами организации управления в системе СУРТ и измерительной информацией, используемой для формирования управления [1], [2], [3].

В соответствии с принятой циклограммой режима работы двигательной установки стендового изделия расход топлива из баков изменяется в широком диапазоне. В этих условиях использование информации о моментах времени срабатывания датчиков уровней для анализа работы СУРТ потребует усложнения методики анализа и может привести к дополнительным погрешностям. В связи с этим предлагаемая методика анализа основывается на информации о рассогласованиях весовых запасов компонентов топлива в моменты срабатывания датчиков уровней, которая содержится в составе параметров алгоритма СУРТ, входящих в бортовой кадр. Состав контрольных параметров алгоритма выбирается таким образом, чтобы гарантировать проверку основных показателей работы СУРТ.

Регулируемыми координатами в системе СУРТ являются рассогласования между заданными дискретными значениями величины относительного веса рабочего запаса каждого компонента топлива ( G_н(( ')) и оценкой этой величины, формируемой в алгоритме СУРТ ( G j ( n ), где n =1,2; n - условный номер компонента топлива). Заданные дискретные значения G_н( ') относительного веса соответствуют геометрической расстановке дискретных чувствительных элементов (измерительных точек датчиков уровней), установленных на заданных уровнях по высоте баков (j - номер измерительной точки). В алгоритме СУРТ путем интегрирования заданной циклограммы расходования топлива, поступающего из баков в двигатель, формируется оценка текущего запаса компонентов топлива в баках ( G ). Значения этой оценки в моменты срабатывания чувствительных элементов датчиков уровней ( G_j ( n )), фиксируются в алгоритме СУРТ. В каждый такой момент определяются измеренные дискретные значения рассогласований A G j ( n )= G j ( n )- G _н( ').

На основе измеренных дискретных значений регулируемых координат формируется управление в системе СУРТ. Измеренные значения, зафиксированные при стендовом испытании, используются для анализа работы системы СУРТ и оценки возмущающих факторов и погрешностей измерения уровней компонентов топлива в баках датчиками СУРТ.

3.    МЕТОДИКА АНАЛИЗА СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СУРТ В СОСТАВЕ ИЗДЕЛИЯ

Процесс расходования компонентов топлива из баков двухкомпонентного ракетного блока описывается уравнениями, характеризующими зависимость величин A G j ( n ), j =1,2,... J , от возмущающих факторов, погрешностей измерения датчиков уровней и управляющих команд системы. Основными возмущающими факторами в системе являются погрешности заправки баков компонентами топлива и погрешности настройки двигателя по суммарному расходу и соотношению расходов компонентов. Указанные возмущения являются случайными факторами, которые, как правило, характеризуются нормальным или равномерным законом распределения. Исходя из этих уравнений, находятся расчетные соотношения для оценки параметров возмущающих факторов, погрешностей измерения и показателей динамики и точности работы СУРТ.

Формируемая в алгоритме СУРТ величина G относительного веса рабочего запаса каждого компонента топлива и рассогласования D G j ( n ), j =1,2,... J , порождаемые возмущающими факторами, представляют собой низкочастотный, медленно меняющийся процесс, который может описываться линейной моделью:

G = G_-1 - A g (1 + Л ) , (1)

где A g — изменение относительного веса топлива за навигационный такт бортовой вычислительной машины; l - корректирующая поправка, учитывающая результаты измерений датчиков уровней СУРТ;

В момент срабатывания j -го чувствительного элемента датчика уровней, установленного в баке окислителя (горючего), определяется величина G_j ( n ) как значение G в этот момент времени. Далее определяется величина Δ G_j ( n ), j =1,2,… J .

В моменты срабатывания чувствительных элементов датчиков уровней определяются величины

• X: = X, .+ЛХ ,.\X , = Km HOM ДХо +-----!-----AX^, A8K. = AX° - AX',      (2)

j   j-1    j j  Km ит, +1 j Km hom +1 j j j j где λj – значение λ в момент срабатывания измерительных точек окислителя и горючего; Δλj – изменение величины lj на j-ой измерительной точке; AX°, A! у - изменение величины X на j-ой измерительной точке (окислителя, горючего), формируемое в алгоритме СУРТ га основе рассогласований ΔGj(n); Km, Km ном – коэффициент соотношения расходов компонентов из баков и его номинальное значение; ΔδKj – относительное отклонение параметра Km.

Анализ работы системы при стендовом испытании производится на основе телеметрической информации.

Данные телеметрического кадра представляют собой дискретные временные последовательности значений параметров СУРТ в тактах работы ЦВМ.

Телеметрических информация дается только на специально выделенных тактах работы алгоритма СУРТ: начальные такты работы алгоритма; такты, на которых происходит смена входных сигналов с датчиков уровней любого из баков при срабатывании измерительных точек, и изменяется номер точки j (n); такты, на которых фиксируется пропуск точки (сигнала) с датчика уровня.

Значения телеметрируемых параметров СУРТ в данной методике представляются в виде массивов данных. Эти массивы зависят от номера j -ой сработавшей измерительной точки: G_j ( n ), Δδ K_j , l_j . Отметим, что телеметрируемые параметры G_j ( n ) содержат случайные ошибки измерения датчиков уровней СУРТ.

Задача анализа работы СУРТ стендового блока РН состоит в том, чтобы, используя уравнения (1), (2) и телеметрическую информацию ( G_j ( n ), Δδ K_j , λ _j ), определить оценки случайных возмущений, погрешностей измерения, относительные остатки компонентов топлива в момент выключения двигателя, отклонения коэффициента соотношения расходов компонентов в процессе регулирования.

На основе уравнений (1), (2) могут быть получены линейные соотношения, определяющие величины рассогласований Δ G_j ( n ), j =1,2,… J , как функции начальных значений рассогласований D G ₀( n ), относительного отклонения параметра K_m от номинального значения δ K ₀, относительного отклонения от номинала суммарного расхода компонентов топлива λ ₀. С помощью метода наименьших квадратов (МНК) производится сглаживание совокупности измерений D G_j ( n ) и определяются оценки начальных возмущений. Далее определяются оценки динамических и точностных показателей работы системы: отклонения параметра K_m на измерительных точках и остатки компонентов топлива в момент выключения двигателя.

4.    РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА РАБОТЫ СУРТ СТЕНДОВОГО ИЗДЕЛИЯ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

Ниже приводятся основные параметры, характеризующие динамику процесса регулирования и точностные показатели системы СУРТ, полученные по результатам анализа телеметрических данных, зафиксированных при стендовом испытании первой ступени РН «Союз-5».

Результаты анализа приводятся в табл. 1, табл. 2, табл. 3 и на рис. 1.

Как следует из результатов стендового испытания, регулирование процесса выработки компонентов топлива системой СУРТ позволяет минимизировать остатки компонентов в момент выключения двигателя. Тем самым существенно улучшаются энергетические характеристики РН «Союз-5» и возможность выведения полезной нагрузки большей массы или на более высокие околоземные орбиты.

Значения регулируемых координат на измерительных точках датчиков уровней свидетельствуют о том, что процессы регулирования в системе СУРТ характеризуются монотонным уменьшением рассогласований D G_j ( n ) к концу процесса регулирования, что отвечает используемому в алгоритме СУРТ принципу терминального управления. Это позволяет минимизировать отклонения коэффициента соотношения расходов компонентов через двигатель. Тем самым повышается эффективность работы двигателя в части увеличения удельной тяги и снижения риска аварийной ситуации из-за повышения параметра K_m .

Отметим, что огневому испытанию стендового изделия предшествовали так называемые «холодные» испытания путем слива компонентов топлива в баках при неработающем двигателе, подтвердившие надежность функционирования измерительного тракта системы СУРТ.

Таблица 1 . Оценка относительных начальных отклонений суммарного расхода топлива Х о и коэффициента соотношения расходов компонентов 8 K 0

Обозначение	Единицы измерения	Величина
δ K 0	%	-0,98
λ 0	%	-0,80

Таблица 2. Величины начальных рассогласований Д G ₀ ( n )

Обозначение	Единицы измерения	Величина
Δ G 0 (1)	%	1,217
Δ G 0 (2)	%	2,192

Таблица 3. Остатки рабочих запасов компонентов топлива в момент выключения двигателя M г , M ₀

Обозначение	Единицы измерения	Величина
M г	кг	66,30
M о	кг	94,73

Рис. 1. Графики изменения фактических значений регулируемых координат: 1 – относительное отклонение коэффициента соотношения расходов компонентов δ K_j ;

2 – величина рассогласования Δ G_j (2); 3 – величина рассогласования Δ G_j (1);

4 – разность Δ G_j (1) и Δ G_j (2)

5.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные наземные стендовые испытания первой ступени РН «Союэ-5» с двигательной установкой РД171МВС, системой управления расходованием топлива с измерительным трактом и алгоритмом штатного варианта изделия подтвердили работоспособность изделия и готовность его применения для запусков в составе РН «Союз-5».

Система управления расходованием топлива функционировала без замечаний. Полученные оценки динамики и точности работы системы подтверждают эффективность ее применения для повышения энергетических характеристик изделия и обеспечения допустимых отклонений параметра K_m двигателя и условий его надежного выключения.