Разнообразие задач, выполняемых летательными аппаратами с ракетными двигателями в условиях автономности, потребовало создания сложных систем автоматического управления. Изложению основ теории автоматического управления ракетными двигательными установками и выявлению свойств ракетных двигателей различного типа и установок с ними как объектов автоматического регулирования и посвящен настоящий учебник.
Поскольку во всех выполненных конструкциях современных космических кораблей и околоземных летательных аппаратов системы автоматического управления объектами в целом и их двигательными установками тесно переплетаются, авторы посчитали необходимым дать классификацию систем автоматического управления, показав 'возможность их получения, используя один и тот же объект регулирования и изменяя лишь структуру автоматического регулирующего устройства.
Значительное место в книге занимает раздел статических характеристик объекта регулирования. Однако, имея в виду, что пневмогидравлические схемы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) большей частью разрабатываются для каждого задания самостоятельно и что поэтому дать общую методику построения их статических характеристик не представляется возможным, этот материал изложен на примере одной из простейших схем ЖРД. На примере такой же двигательной установки изложена методика построения динамических характеристик объекта.
*. Большое внимание уделено динамическим свойствам двига-
тельных установок с ракетными двигателями твердого топлива (РДТТ), что особенно важно, так как расширение пределов регулирования двигателей этого типа является весьма насущным вопросом. _,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Двигательные установки с ядерным источником энергии заслу- < женно привлекают внимание молодых специалистов. Поэтому авторы посчитали необходимым дать основные понятия о методах регулирования подобных установок, применение которых в принципе возможно на космических кораблях транспортных линий и на кораблях, предназначенных для исследований космического пространства в пределах как Солнечной системы, так и вне ее.
Материал книги изложен в расчете на студентов и инженеров, не имеющих специальной подготовки в области теории автоматического регулирования, но хорошо знакомых со схемами ракетных двигательных установок (РДУ).
Главы I и II написаны д-ром техн. наук Н. Б. Рутовским, III, IV, V, VI — канд. техн. наук Е. В. Соловьевым, VII, VIII—д-ром техн. наук С. В. Бело^вым, IX, X, XI, XII—-канд. техн. наук А. И. Бабкиным.
Авторы выражают признательность проф. А. В. Нетушилу и коллективу кафедры технической кибернетики Московского института радиотехники, электроники и а;втоматики за денные замечания при рецензировании книги, во многом способствовавшие ее улучшению.
Одной из самых молодых отраслей современной техники является ракетнчя техника. По уровню ее развития в настоящее время оценивают технический потенциал страны. Это происходит потому, что достижение больших успехов в ракетной технике возможно только в том случае, когда хорошо развиты все основные отрасли промышленности и уделено особое внимание проведению научно-исследовательской работы.
Основным источником энергии летательного аппарата —• ракеты является его двигательная установка, которая должна обеспечивать ракете необходимую тягу независимо от скорости ее движения и от наличия или отсутствия земной атмосферы. Такими свойствами обладает в настоящее время только двигательная установка, снабженная ракетным двигателем.
Ракетный двигатель отличается тем, что его рабочее тело приготавливается из весьма активных компонентов, а его камера испытывает большие удельные тепловые нагрузки при высоких внутренних давлениях. Главной же особенностью ДУ с ЖРД является очень сильная взаимная связь ее отдельных узлов при работе и значительное влияние этих связей на свойства установки в целом. Кроме того как на особое свойство ракетной двигательной установки следует указать на взаимное влияние корпуса ракеты и двигателя при их совместной работе. Все это требует тщательного изучения динамических свойств всей установки в целом и отдельных ее узлов, что является основой создания надежных систем автоматического управления ракетной ДУ.
Разнообразие задач, выполняемых ракетными двигательными установками, привело к созданию обширного их семейства — от самых простых с одноре-жимными ракетными двигателями твердого топлива до сложнейших ДУ с жидкостными ракетными двигателями для многоступенчатых систем и космических кораблей.
Вместе с усложнением схем ракетных ДУ усложнялись и системы управления как всем изделием в целом, так и двигательной установкой в частности Это, в свою очередь, потребовало подробного изучения динамических свойств Двигательной установки и ее узлов.
Под динамическими свойствами ДУ и ее узлов в дальнейшем будем понимать способность каждого из входящих в состав ДУ узлов (звеньев), а отсюда и всей установки в целом, искажать проходящие через них сигналы по амплитуде и сдвигать их во времени, что определяется видом их частотных характеристик.
Динамические свойства ДУ определяются также ее способностью находить новый установившийся режим работы после внесения различных возмущений. Возмущения эти могут иметь различное происхождение: изменения внешних условий, в которых работает в данный момент ДУ; командные воздействия, поступающие от наземного или бортового центра управления; влияние отдельных узлов ду; как например камеры сгорания или газогенератора при работе их ниже порога возникновения низкочастотных колебаний.
Кроме этого возникновению неустойчивой работы ДУ способствуют также и сложные внешние и внутренние связи между узлами ДУ, приводящие к возникновению целого ряда отдельных замкнутых колебательных контуров, в каждом из которых самостоятельно могут развиваться резонансные явления. Кроме
ВВЕДЕНИЕ
этого на ДУ во время работы воздействует целый ряд внешних возмущений: продольные и поперечные ускорения; вибрации, возбуждаемые аэродинамическими и гидродинамическими силами; изменение режимов работы двигателей и др.
Учитывая указанные выше свойства двигательной установки с ракетным двигателем, необходимо при ее проектировании уметь анализировать ее динами ческие свойства, чтобы иметь возможность строить отдельные узлы ДУ с заданными динамическими характеристиками. Особенно важное значение приобретает знание динамических свойств двигательной установки тогда, когда она включается в систему автоматического управления ракетой в целом. Однако анализ динамических свойств двигательной установки может быть произведен только в том случае, если хорошо известны физические процессы, протекающие в отдельных ее узлах. Особенно это важно при создании стендов для испытаний целых установок или отдельных узлов и агрегатов двигателей в условиях, близких к Натурным. В этом случае необходимо соблюдать подобие динамических свойств систем питания, с которыми работает установка или двигатель на изделии и на стенде.
uiЛАБЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие ................ 3
Введение ................. 5
Часть 1 Принципы построения систем автоматического управления
Глава I. Основные понятия и классификация систем автоматического управления .............. 7
1.1. Принципиальные схемы ракетных двигательных установок . . 7
1.2. Основные понятия............ 11
1.3. Принципы классификации САУ ......... 12
1.4. Обыкновенные разомкнутые САУ . ....... 18
1.5. Обыкновенные замкнутые САУ......... 20
1.6. Самонастраивающиеся САУ.......... 21
Часть 2 Двигательные установки с жидкостными ракетными двигателями
Глава II. Статические свойства ЖРД как объекта регулирования ... 28
2.1. Основные понятия о статических характеристиках .... 28
2.2. Статические характеристики отдельных узлов ДУ .... 29
2.3. Статические характеристики гидравлических систем подачи компонентов . . . ........... 46
2.4. Статическая характеристика объекта регулирования .... 50
2.5. Исследование статических характеристик методом малых отклонений ............... 68
2.6. Влияние на статические характеристики ДУ внешних и внутренних возмущений . . . ......... 72
2.7. Выбор регулируемой величины при необходимости применения автоматического регулятора . ......... 74
Глава III. Динамические свойства ЖРД как объекта регулирования . . 76
3.1. Система и звено цепи автоматического регулирования ... 76
3.2. Переходные, передаточные и частотные функции звеньев САУ . 79
3.3. Формы записи уравнений динамики, виды входных сигналов и классификация звеньев САУ . ......... 86
3.4. Уравнения динамики звеньев ДУ как объекта регулирования . 100
3.5. Уравнение динамики и структурная схема ДУ как объекта регулирования .............. 126
Глава IV. Элементы автоматических регуляторов и их характеристики . 130
4.1. Принципы действия регуляторов . ....... 130
4.2. Чувствительные и сравнивающие элементы...... 134
4.3. Усилительные элементы........... 142
Глава V. Качество и устойчивость систем автоматического регулирования 147
5.1. Оценка качества переходных процессов замкнутых САР . . . 147
5.2. Понятие устойчивости линейных систем регулирования . . . 152
5.3. Критерии устойчивости........... 157
5.4. Метод выделения областей устойчивости....... 165
5.5. Особенности динамических свойств систем регулирования с учетом нелинейных характеристик ее элементов . .... 172
Глава VI. Характеристики типовых замкнутых систем автоматического
регулирования ............ 185
6.1. САР с регулятором прямого действия....... 185
6.2. САР с регулятором, имеющим интегрирующий усилитель . . . 193
6.3. САР с регулятором, имеющим инерционный усилитель . . . 197
6.4. САР с изодромным регулятором........ 202
Часть 3
Двигательные установки с ракетными двигателями твердого топлива
Глава VII. Свойства РДТТ как объекта регулирования и способы регулирования параметров ДУ .........208
7.1. Характеристики твердых топлив и процессов горения .... 209
7.2. Давление в камере, тяга и удельный импульс тяги РДТТ . . 213
7.3. Разброс и предельные отклонения параметров РДТТ .... 215
7.4. Способы уменьшения предельных отклонений основных парамет- ; ров РДТТ..............225
7.5. Системы автоматического регулирования параметров РДТТ . . 229
7.6. Многорежимные двигатели твердого топлива.....233
7.7. Системы торможения и отсечки тяги ДУ с РДТТ .... 233 Глава VIII. Динамические характеристики РДТТ......244
8.1. Уравнения переходных процессов в РДТТ при регулировании даз-ления в камере изменением площади критического сечения сопла | для случая малых отклонений параметров......244
8.2. Уравнения переходных процессов в РДТТ при регулировании тяги ! изменением площади критического сечения сопла для случая малых отклонений параметров .......... 248
8.3. Уравнения переходных процессов в РДТТ с учетом нелинейности закона горения твердого топлива . . . ..... 250
8.4. Уравнения изменения параметров в камере РДТТ после открытия сопел отсечки тяги...........252
Часть 4 Двигательные установки с ядерным ракетным двигателем
Глава IX. Двигательные установки с ЯРД........ 263
9.1. Основные понятия и определения......... 263
9.2. Особенности ядерных ракетных двигателей...... 269
9.3. Принципиальные схемы двигательных установок с ЯРД . . . 270 Глава X. Нейтронно-физические процессы в ядерном реакторе ракетного
двигателя как объекта регулирования....... 273
10.1. Элементарное уравнение кинетики и период реактора . . . 273
10.2. Кинетика реактора с учетом запаздывающих нейтронов . . , 275
10.3. Динамические характеристики ядерного реактора как объекта регулирования ............. 280
10.4. Линеаризация уравнений кинетики реактора...... 286
10.5. Передаточная функция и частотная характеристика реактора 288
10.6. Температурный эффект и его влияние на свойства реактора . 289 |
10.7. Способы управления мощностью реактора и выбор регулирую- : -щих органов............. 294
Глава XI. Динамика процессов теплообмена в ЯРД как объекте регу.ш- ;
рования..............299
11.1. Особенности и основные уравнения процессов теплопередачи . 2S9
11.2. Динамика распространения тепла через тонкую стенку с высокой j теплопроводностью............301
11.3. Нестационарный процесс теплообмена в ЯРД с твердой активной зоной и газовым теплоносителем . .......308
Глава XII. Управление ядерными ракетными двигателями .... 310
12.1. Особенности процессов управления ЯРД...... 310
12.2. Физический пуск реактора.......... 312
12.3. Режимы прогрева и запуска двигательной установки . . . 314
12.4. Номинальный режим работы ЯРД........ 315
12.5. Режим останова ЯРД........... 321
Список литературы . ............ 323
Цена: 300руб.
