Система управления режимами при запуске, останове и работе на главной ступени тяги жидкостного ракетного двигателя

 

Использование: системы управления ракетных двигателе. Сущность изобретения: система состоит из двух идентичных каналов тяги (секундного расхода) и соотношения компонентов. Каждый компонент содержит последовательно включенные задатчик тактов, счетчик, сравнивающее устройство текущих тактов с заданными моментами переключения, запоминающие устройства моментов переключения и углов, усилитель мощности, электропривод, датчик кода Грея, преобразователь кода Грея. Электропривод в первом канале системы подключюн к регулятору расхода, а во втором канале - к дросселю. Система позволяет повысить надежность жидкостного ракетного двигателя любого типа на участках запуска и останова на режиме главнной ступени тяги. Система обеспечивает перемещение регулирующих органов по практически любым заданным программам,оптимальным с энергетической точки зрения на режиме главной ступени тяги. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к системам управления жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Известно, что запуск и останов ЖРД осуществляется путем срабатывания клапанов двигательной автоматики в определенной последовательности. При этом управление процессом запуска и останова производится лишь в моменты срабатывания этих клапанов, в остальное время эти процессы неуправляемы. Такого типа системы запуска и останова состоят из программного устройства формирования команд автоматики, усилителя-преобразователя и блока управления электропневмоклапанами [1] В указанных системах на переходных участках запуска и останова регулирующие органы ДУ (регулятор расхода, дроссель) находятся в исходном положении, вследствие чего такие параметры, как секундный расход и весовое соотношение компонентов, могут существенно отличаться от оптимальных с точки зрения надежности.

Это обуславливает снижение надежности ДУ на участках запуска и останова, особенно кислородно-водородных двигателей, предрасположенных к большим забросам температуры в газогенераторе, что приводит к аварии двигателя из-за выхода из строя лопаток турбины.

Для повышения надежности ЖРД, в первую очередь кислородно-водородных на запуске и останове было предложено изменять по определенной программе на этих участках положение регулирующих органов. Этим достигается более благоприятное с точки зрения надежности изменение секундного расхода и весового соотношения компонентов.

Прототипом предлагаемой автоматической системы управления режимами при запуске, останове и работе на главной ступени тяги жидкостного ракетного двигателя является двухканальное устройство управления [2] каждый канал которого состоит из микропроцессора, усилительного устройства (транзисторного коммутатора), электропривода (шагового двигателя) стр. 7 рис. 1. 2.

Однако указанное устройство не имеет контура обратной связи по положению управляющих органов ДУ, что снижает надежность реализации программ их перемещения на участках запуска и останова. Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является повышение надежности работы любого типа двигателя, особенно на участках запуска и останова, и увеличение веса полезной нагрузки за счет обеспечения возможности реализации оптимальной с точки зрения надежности и выигрыша веса программы запуска, останова и работы на главной ступени тяги.

Технический результат достигается тем, что в двухканальную систему, состоящую из каналов регулирования тяги и соотношения компонентов, каждый из которых содержит последовательно соединенные блок управления и усилитель мощности, соединенный с электроприводом, первый выход которого служит для подключения к регулятору расхода в первом канале и дросселю во втором, введены датчик кода Грея, вход которого соединен со вторым выходом электропривода, и преобразователь кода Грея, группа входов которого соединена с группой выходов датчика кода Грея, блок управления выполнен в виде запоминающего устройства моментов переключения и последовательно соединенных задатчика тактов, счетчика, сравнивающего устройства текущих тактов с заданными моментами переключения, второй вход которого подключен к запоминающему устройству моментов переключения, запоминающего устройства углов, сравнивающего устройства углов, первая группа входов которого соединена с группой выходов запоминающего устройства углов, а вторая группа входов соединена с группой выходов преобразователя код Грея, а также блока формирования команд управления, группа входов которого соединена с группой выходов сравнивающего устройства углов, а группа выходов соединена с группой входов усилителя мощности, при этом выход сравнивающего устройства текущих тактов с заданными моментами переключения соединен со входом запоминающего устройства моментов переключения, а выход задатчика тактов подключен к дополнительному входу блока формирования команд управления.

Блок формирования команд управления, усилитель мощности и электропривод охвачены обратной связью, образованной датчиком кода Грея, вход которого подключен ко второму входу электропривода, а группа выходов к группе входов преобразователя кода Грея, группа выходов которого подключена ко второй группе входов сравнивающего устройства углов.

Повышение надежности работы ДУ на участках запуска и останова достигается за счет того, что на этих участках может быть реализовано любое программное изменение секундного расхода и соотношения компонентов по времени, в том числе и оптимальное с точки зрения надежности для данного типа двигателя. Задание указанных программ обеспечивается ступенчатой или линейной аппроксимацией их значений между узловыми точками, заданными в запоминающих устройствах моментов переключений и углов, а их отработка организацией контура обратной связи фактического значения углов поворота регулирующего органа по отношению к программным.

Наличие обратной связи в отличие от прототипа обеспечивает контроль текущего положения регулирующих органов ДУ и исключает влияние на точность отработки программных законов других побочных факторов (например, самохода электропривода при повышенных вибрациях и т.д.).

На главной ступени тяги аналогичным образом могут быть реализованы программы, оптимальные с точки зрения выигрыша полезного груза.

На фиг. 1 представлена блок схема предлагаемой системы. Она состоит из двух идентичных каналов секундного расхода и весового соотношения компонентов, каждый из которых содержит последовательно включенные задатчик тактов 1, счетчик 2, сравнивающее устройство текущих тактов с заданными моментами переключения 3, выход которого подключен ко входам запоминающих устройств моментов переключения 4 и углов 5, выход запоминающего устройства моментов переключения 4 подключен ко второму входу сравнивающего устройства текущих тактов с заданными моментами переключения 3, а семь выходов запоминающего устройства углов 5 подключены к семи первым входам сравнивающего устройства углов 6, девять выходов которого соединены с девятью входами блока формирования команд управления 7, к десятому входу которого подключен выход задатчика тактов 1.

Перечисленные выше блоки с номера 1 по 7 образуют блок управления, выход которого реализован тремя выходами блока формирования команд управления 7, подключенным параллельно к трем входам усилителя мощности 8, к которому последовательно подключены электрический привод 9 и исполнительный орган 10, в качестве которого в первом канале используется регулятор, а во втором - дроссель. Ко второму выходу электропривода 9 подключен датчик кода Грея 11, семь выходов которого через преобразователь кода Грея 12 в качестве обратной связи подключены ко вторым семи входам сравнивающего устройства углов 6.

Блок формирования команд управления 7 реализован в виде трех подблоков - блока прореживания 13, формирователя управляющих кодов 14 и блока управляющих импульсов 15. При этом девять входов блока 13, которые являются первыми девятью входами блока формирования команд управления 7, соединены с девятью выходами сравнивающего устройства углов 6, девять выходов блока 13 подключены к девяти входам формирователя управляющих кодов 14, а три его выхода будучи группой выходов блока формирования команд 7, соединены с тремя входами усилителя мощности 8. Вход блока прореживания 15, являясь дополнительным входом блока формирования команд управления 7, соединен с выходом задатчика тактов 1, его первый выход с десятыми входами блока прореживания 13 и формирователя управляющих кодов 14, а выходы 2-4 со входами формирователя управляющих кодов с 10 по 13 (см. фиг 1).

Перед стартом в запоминающие устройства моментов переключения 4 и углов 5 вводятся соответственно значения i_к, α_к, где i_к номер такта, а α_к программное значение угла поворота (регулятора или дросселя ), соответствующее текущему i_к. Во время запуска, останова и на режиме главной ступени заданная программа изменения тяги (весового соотношения компонентов) осуществляется путем линейной или ступенчатой апроксимации этих значений.

Система работает следующим образом. Задатчик тактов 1, счетчик 2, запоминающие устройства моментов переключения 4 и углов 5 формируют программу изменения угла поворота α_к в зависимости от номера текущего такта i_к. Значение программы в виде семиразрядного двоичного кода поступает с 1-7 выходов 3У углов 5 на 1-7 входы сравнивающего устройства углов 6, на 8-14 входы которого поступает код с 1-7 выходов преобразователя кода Грея 12. В сравнивающем устройстве углов 6 формируется модуль рассогласования α_к и d_к d_к и код знака рассогласования Р₇, , которые пересылаются на 1-9 входы блока формирования команд управления 7 (т.е. на 1-9 входы блока прореживания 13). В зависимости от значения кодов d_к, Р₇, в блоке 7 формируется следующие команды на электропривод: поворот вправо; поворот влево; динамическое торможение; обесточивание.

Через усилитель мощности 8 эти команды поступают на электропривод, вызывая поворот его выходного вала и регулятора расхода ( дросселя) 10. С выходного вала электропривода 9, датчика кода Грея 11 и преобразователя кода Грея 12 формируется сигнал обратной связи. Второй канал регулирования соотношения компонентов работает аналогично.

Рассмотрим реализацию новых блоков. В качестве задатчика тактов 1, счетчика 2, сравнивающего устройства текущих тактов с заданными моментами переключения 3, запоминающих устройств моментов переключения 4 и углов 5 используются известные устройства цифровой техники. Задатчик тактов 1 реализован как обычный тактовый генератор, с которого поступают импульсы требуемой частоты. Очередной импульс, приходя на вход двоичного счетчика 2, вызывает увеличение его содержимого на 1. Таким образом в счетчике 2 имитируется текущее время, которое пропорционально содержимому счетчика i_т. Значение i_т сравнивается в каждом такте со значением i_к двоичным кодом, поступающим на второй вход сравнивающего устройства текущих тактов с заданными моментами переключения 3.

Как только текущая сумма тактов сравнивается с заданным моментом переключения, с выхода блока 3 поступает управляющий импульс, идущий на управляющие входы запоминающих устройств 4 и 5. С его приходом значение i_к меняется на i_к+l, а значение угла α_к, представляющее собой программное значение, потребное для поворота регулятора (или дросселя), меняется на α_к+1.

Сравнивающее устройство углов 6 состоит (см. фиг. 2) из первой группы сумматоров (16₁ 16₇), второй группы сумматоров (17₁ - 17₇), третьей группы сумматоров по модулю 2 (18₁ 18₇) и логического элемента НЕ19.

Первые входы сумматоров первой группы 16 связаны с семью входами сравнивающего устройства углов 6 вторые входы с его 8-14 входами, сигнал переноса сумматоров 16₁ 16₆ связан с третьим входом сумматоров 16₂ 16₇, соответственно, сигнал переноса сумматора 16₇ связан со вторым входом сумматора 17₁, а также с восьмым выходом сравнивающего устройства и со входом элемента НЕ19. Выход элемента НЕ19 соединен со вторыми входами сумматоров 18₁ 18₇ и девятым выходом блока 6. Выходы сумматоров первой группы связаны с первыми входами сумматоров второй группы попарно 16₁ 17₁, 16₂ 17₂ и т.д. Выходы сигналов переноса сумматоров 17₁ 17₆ связаны со вторыми входами сумматоров 17₂ 17₇. Выходы сумматоров второй группы соединены соответственно с первыми входами сумматоров третьей группы попарно 17₁ 18₁, 17₂ 18₂ и т.д. Выходы сумматоров третьей группы связаны соответственно с 1-7 выходами сравнивающего устройства углов. Функцией сравнивающего устройства 6 является получение рассогласования между угловым положением вала электропривода и программным углом α_к.

Устройство работает следующим образом. Из запоминающего устройства углов 5 на первую группу входов сравнивающего устройства поступает параллельный двоичный семиразрядный код α_к, а на вторую группу входов параллельный семиразрядный код сигнала обратной связи . Результат поразрядного сложения суммируется с сигналом Р₇ (сигнал переноса при сравнении старших разрядов кодов α_к) в_к, начиная с младшего разряда S₁ и с учетом сигнала переноса для остальных разрядов (S₂.S₇). Полученный результат (к 1 7) как следствие описанных операций поразрядно суммируется (по модулю 2) с сигналом . В результате получается параметр d_к (к 1 7) в виде параллельного двоичного семиразрядного кода.

Как указывалось выше блок формирования команд управления 7 состоит из трех подблоков блока прореживания 13, формирователя управляющих кодов 14 и блока управляющих импульсов 15(фиг.1). Блок прореживания 13 (см. фиг. 3) состоит из девяти триггеров 20₁ 20₉, причем i-й вход блока (i 1 9) связан со входом данных i-го триггера, а 10-й вход с тактовым входом каждого триггера. Блок работает следующим образом. На 1 7 входы поступают значения d_к (к l 7) с предыдущего блока 6. На 8-й вход -Р₇ (код знака), на 9-й -код, противоположный коду знака Р₇. Десятый вход блока 13 соединен с первым выходом блока управляющих импульсов 15, с которого поступает каждый первый из серии четырех импульсов блока 1. Таким образом на входы с 1 по 9 поступают коды с блока 6 в каждом такте, а на тактовый вход - один раз в четыре такта. Прореживание осуществляется с целью необходимого распределения сигналов управления внутри "большого" такта (состоящего из 4-х элементарных тактов), что производится следующим блоком, и придания им необходимых динамических свойств.

Формирователь управляющих кодов 14 состоит из 15 элементов И, 4 элементов ИЛИ и 4 элементов НЕ, имеет 13 входов и 3 выхода (см. фиг. 4).

Входы с 1 по 9 соединены соответственно с 1 по 9 выходами блока прореживания 13, а 10-13 входы с j-ми выходами блока управляющих импульсов 15 где j 1 4.

Первый вход блока 14 связан с первым входом элемента И21, второй вход с первым входом элемента И22, третий вход с первым входом элемента И23, 4 7 входы блока с 1 4 входами элемента ИЛИ24, 8-й вход блока со вторыми входами элементов И25, 26, 27, 28, девятый вход блока связан со вторыми входами элементов И29, 30, 31, 32, десятый вход с третьими входами элементов И25, 26, 29, 30, 31, одиннадцатый вход -со вторым входом элемента И33, 12-й вход со вторыми входами элементов И34, 35, 13-й вход с третьими входами элементов И27,31.

Выход элемента ИЛИ24 соединен со входом элемента НЕ34а и первыми входами элементов И28, 32. Выход элемента НЕ34а связан со вторыми входами элементов И21, 22, 23, 36, выход элемента И23 соединен со входом элемента НЕ37 и первыми входами элементов И27, 31, выход элемента НЕ37 с третьими входами элементов И21, 22, 36, выход элемента И22 со входом элемента НЕ38 и первыми входами элементов И26, 30, выход элемента НЕ38 связан с четвертым входом элементов И21, 36. Выход элемента И21 связан со входом элемента НЕ39 и с первыми входами элементов И25, 29, 34, выход элемента И36 с первыми входами элементов И33, 35. Входы с 1 по 4 элемента ИЛИ40 связаны соответственно с выходами элементов И28, 27, 26 и 25. Первый вход элемента ИЛИ41 соединен с выходом элемента И32, второй вход с выходом элемента И31, третий вход с выходом элемента И30, четвертый вход с выходом элемента И29. Первый вход элемента ИЛИ42 связан с выходом элемента И34, второй вход с выходом элемента И36, третий вход -с выходом элемента И33.

Формирователь управляющих кодов имеет 3 выхода первый, соединенный с выходом элемента ИЛИ42, второй с выходом элемента ИЛИ40, третий с выходом элемента ИЛИ41. Эти три выхода соединены с тремя входами усилителя мощности 8.

Задачей формирователя управляющих кодов является формирование серии из четырех трехразрядных управляющих кодов. В зависимости от того, в каком разряде формируется "1", на обмотку электродвигателя (ЭД) с усилителя мощности 8 подается напряжение соответствующей полярности или электродвигатель включается в режим динамического торможения, а именно: "1" в первом разряде динамическое торможение, "1" во втором вращение на увеличение угла поворота ЭД, "1" в третьем вращение на уменьшение угла поворота ЭД.

Отсутствие "1" во всех разрядах соответствует обесточиванию электропривода.

Принята следующая логика формирования управляющих команд в зависимости от рассогласования d_к фактического и программного углов поворота ЭД (b_к и α_к соответственно).

Если d_к > 7 (коды 0001000,0001001.1111111), то в зависимости от знака рассогласования параметров α_к и b_к (+ соответствует Р₇ 1 при α_к> b_к; соответствует при α_к b_к) формируется код 010 (вращение на увеличение угла поворота ЭД) или код 100 (вращение на уменьшение угла поворота ЭД), которые сохраняются на выходе формирователя в течение четырех тактов до прихода следующего для анализа набора кодов d_к (к 1 7), Р₇, Если 4 < d_к < 7, то на протяжении четырех тактов на выходе формируется следующая последовательность кодов: 100, 100, 000, 000 если 1,
010, 010, 000, 000 если Р₇ 1.

Если 2 < d_к < 4, то аналогичным образом формируется следующая последовательность:
100, 000, 000, 000 если 1,
010, 000, 000, 000 если Р₇ 1.

Если 1 < d_к < 2 то имеем:
100, 000, 001, 000 если 1,
010, 000, 001, 000 если Р₇ 1. Если d_к 0, тo на протяжении 4-х тактов формируются коды 000, 001, 001, 000.

Благодаря описанной логике, формирователь управляющих кодов изменяет среднюю скорость вращения вала за 4 такта, обеспечивая этим самым требуемые динамические качества системы.

Блок управляющих импульсов 15 (см. фиг. 5) состоит из двух триггеров 43 и 44, сумматора ( по модулю 2) 45, трех элементов И46, 47, 48, причем вход блока управляющих импульсов, соединенный с задатчиком тактов 1, связан со входом триггера 43, его Q-выход связан со входом триггера 44, первыми входами сумматора 45 и элементов И47, 48, его -выход с первым входом элемента И46, Q-выход триггера 44 связан со вторыми входами сумматора 45 и элементов И46, 47, а -выход -со вторым входом элемента И48. Выходы элементов И48, 46, 47 и сумматора 45 связаны соответственно с 1 4 выходами блока управляющих импульсов.

Предложенная схема дает при поступлении на вход блока 15 серии из четырех последовательных импульсов следующие значения на выходе: на первом выходе импульс появляется только при первом импульсе на входе, на втором -только при втором импульсе на входе и т.д. Блок управляющих импульсов 15 осуществляет этим самым синхронизацию работы блока прореживания 13 и формирователя управляющих кодов 14. Благодаря этому обеспечивается требуемое прореживание информации со сравнивающего устройства углов 6 со сменой один раз в 4 такта, а также синхронное формирование управляющих кодов в блоке 14 в серии каждых четырех импульсов.

Преобразователь кода Грея 12 (см. фиг. 6) состоит из 6 сумматоров 49_i (i 1 6) и 7 элементов HE501 (i l 7), при этом i-й вход (i 1 6) связан через первые входы сумматоров 49_i, с элементами НЕ50₁. Седьмой вход преобразователя связан с элементом НЕ50₇ и вторым входом сумматора 49₆. Выходы сумматоров 49_i (i 2 6) связаны соответственно со вторыми входами сумматоров 49_i-1. Выходы элементов HE5O₁ связаны соответственно с i- ми выходами блока 12 (i l 7).

Информация о положении выходного вала электропривода 9 поступает с датчика кода Грея 11 на преобразователь 12, с помощью которого преобразуется в обратный параллельный семиразрядный двоичный код . Старший разряд кода Грея α_г инвертируется и в результате получаем старший разряд обратного двоичного кода . Одновременно суммируя α_г по модулю 2 с соседним разрядом получаем следующий разряд двоичного кода b₆, а после инвертирования обратный код и т.д.

В качестве усилителя мощности 8, электропривода 9, регулятора 10 и датчика кода Грея 11 используются известные устройства автоматики ЖРД. Примеры реализации усилителя мощности и электропривода постоянной скорости приведены в книгах:
Герман Галкина С.Г. "Цифровые электропривода с транзисторными преобразователями" Энергоатом, 1986 г.

Борисов С. М. Нагорский В.Д. "Электропривод летательных аппаратов". Машиностроение, 1977 г.

Пример реализации регулятора ЖРД дан в книге Разыграев А.П. "Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей". Машиностроение, 1977 г.

Пример реализации датчика кода Грея дан в книге Аренс К.Д. и другие "Динамика систем управления с бортовыми ЦВМ", Машиностроение, 1972 г.

Реализованная таким образом система обеспечивает решение задачи по заданию и отработке практически любого программного закона изменения секундного расхода и весового соотношения компонентов.

Формула изобретения

1. Система управления режимами при запуске, останове и работе на главной ступени тяги жидкостного ракетного двигателя, состоящая из каналов регулирования тяги и соотношения компонентов, каждый из которых содержит последовательно соединенные блок управления и усилитель мощности, соединенный с электроприводом, первый выход которого служит для подключения к регулятору расхода в первом канале и дросселю во втором, отличающаяся тем, что в нее введены датчик кода Грея, вход которого соединен с вторым выходом электропривода, и преобразователь кода Грея, группа входов которого соединена с группой выходов датчика кода Грея, блок управления выполнен в виде запоминающего устройства моментов переключения и последовательно соединенных задатчика тактов, счетчика, сравнивающего устройства текущих тактов с заданными моментами переключения, второй вход которого подключен к запоминающему устройству моментов переключения, запоминающего устройства углов, сравнивающего устройства углов, первая группа входов которого соединена с группой выходов запоминающего устройства углов, а вторая группа входов соединена с группой выходов преобразователя кода Грея, а также блока формирования команд управления, группа входов которого соединена с группой выходов сравнивающего устройства углов, а группа выходов соединена с группой входов усилителя мощности, при этом выход сравнивающего устройства текущих тактов с заданными моментами переключения соединен с входом запоминающего устройства моментов переключения, а выход задатчика тактов подключен к дополнительному входу блока формирования команд управления.

2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что блок формирования команд управления выполнен в виде блока прореживания, группа входов которого является группой входов блока формирования команд управления, формирователя управляющих кодов, первая группа входов которого соединена с группой выходов блока прореживания, а группа выходов является группой выходов блока формирования команд управления, а также блока управляющих импульсов, вход которого является дополнительным входом блока формирования команд управления, группа выходов соединена со второй группой входов формирователя управляющих кодов, а первый выход из группы выходов с дополнительным входом блока прореживания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6