Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов. Ч. 1. Бортовые источники рабочего тела на холодном газе (120

темах управляемых ракет (УР). Применительно к малогабаритным УР наиболее распространены твердотопливные газогенераторы. В качестве таких газогенераторов применяют маршевые ракетные двигатели на твердом топливе (МРДТТ) или специальные газогенераторы (ТТГГ).

2. ИСТОЧНИКИ РАБОЧЕГО ТЕЛА НА ХОЛОДНОМ ГАЗЕ — АККУМУЛЯТОРЫ ДАВЛЕНИЯ

2.1. Системы газообеспечения на холодном газе

Система газообеспечения на холодном газе включает в себя аккумулятор давления (баллон со сжатым газом) и совокупность устройств, обеспечивающих управление подачей газа. Газ в баллоне находится под давлением, значительно превышающим входное давление привода. Система газообеспечения привода на холодном газе должна обеспечивать следующие функции:

–хранение сжатого газа высокого давления;

–наполнение емкости сжатым газом от постороннего источ-

ника;

–нерабочее опорожнение емкости;

–понижение и стабилизацию давления на выходе СГП до давления на входе привода pz с заданной точностью;

–предотвращение аварийных ситуаций.

Принципиальная схема СГП на холодном газе приведена на рис. 2. В этой схеме в качестве ИСГ используется баллон, объем которого зависит от количества газа, необходимого для работы потребителей в течение заданного времени. Для зарядки баллона Б сжатым газом в схеме должна быть предусмотрена зарядная горловина ЗГ1 с обратным клапаном ОК или зарядная горловина ЗГ2 с краном Кр. Контроль давления рб в баллоне Б осуществляется с помощью манометра М1. Для подачи сжатого газа из баллона к приводу Пр в схеме применяется нормально закрытое запорное устройство. В качестве основного запорного устройства в данной схеме установлен пирозатвор ПЗ. Там же показаны варианты применения электропневмоклапана ЭК или просто крана Кр. Для понижения и стабилизации давления в схеме предусмотрен регуля-

11

тор давления (редуктор) РД, с выхода которого газ поступает через фильтр Ф на вход привода Пр. Входное давление привода pz может контролироваться манометром М2. Обычно в схеме СГП предусматривают еще одну зарядную горловину ЗГ3 с обратным клапаном ОК. Такая горловина нужна для проведения проверок привода без нарушения целостности СГП. В этих случаях на вход ЗГ3 от специального источника подается сжатый газ под давлением pz.

Рис. 2. Принципиальная схема системы газообеспечения привода на холодном газе:

рвх — давление заправки компрессора; рб — давление в баллоне; pz — давление на входе привода; ра — давление окружающей среды (атмосферное)

Наполненный сжатым газом (воздухом, азотом, гелием и т. д.) баллон Б может храниться в течение нескольких лет. После включения запорного устройства, например при подаче сжатого газа от пирозатвора ПЗ, происходит опорожнение баллона Б через редуктор давления РД и привод Пр. Диаграмма изменения давления в системе показана на рис. 3. Регулятор давления в течение времени tp поддерживает давление pz постоянным.

Системы газообеспечения на холодном газе находят широкое применение на борту ЛА, в частности, в качестве газореактивных (газоструйных) систем управления полетом и стабилизации ЛА [3], пневматических приводов различных видов исполнительных устройств ракетных снарядов [4, 5], систем наддува баков жидкостных ракетных двигателей [6, 7], гидроаккумуляторов давления для систем управления ракет [4] и др. Наиболее широкое использование источники рабочего тела на сжатом газе получили при создании реактивных систем управления и стабилизации ЛА.

12

Рис. 3. Диаграмма изменения давления в системе газообеспечения в зависимости от времени:

рн — начальное давление в баллоне; рк — конечное давление в баллоне (в момент времени tp); pz — давление перед приводом

Газореактивные системы с использованием сжатого газа в качестве рабочего тела — самые простые и надежные среди всех известных реактивных систем управления [3, 7]. Их отличительными особенностями являются:

простота конструкции;

высокое быстродействие;

возможность получения малых значений тяги при их высокой стабильности;

высокая надежность;

возможность создания систем с длительным сроком работы, который обеспечивается неагрессивностью и стабильностью применяемых рабочих тел;

чистота и однофазность рабочего тела;

отсутствие прогрева элементов газопроводящего тракта при функционировании ИСГ;

простота эксплуатации;

низкая стоимость изготовления и отработки.

Основными недостатками, ограничивающими применение ИСГ на холодном газе, являются сравнительно невысокие массовая и объемная добротность и экономичность (малая удельная тяга) конструкции системы управления, что при больших значениях полного импульса тяги приводит к резкому ухудшению массогабаритных характеристик СГП. Другим недостатком газореактивных систем управления на холодном газе является ограниченный уровень значений достижимых тяг газореактивных микродвигателей. Недостатком можно считать и тот факт, что корпус баллона, внутрь которого закачан жидкий газ, в период технической эксплуатации непрерывно находится под высоким давлением, т. е. материал корпуса аккумулятора давления постоянно испытывает высокие напряжения и деформации.

13

В качестве рабочего тела газореактивных систем управления ЛА применяют воздух, азот, аргон, аммиак, фреон и др. [3].

Азот и воздух обеспечивают наилучшие энергомассовые характеристики газореактивных систем управления ЛА (рис. 4, 5). Эти рабочие тела обладают удовлетворительными эксплуатационными свойствами, широко используются в промышленности и имеют низкую стоимость.

Рис. 4. Зависимость массы М газореактивной системы с двенадцатью двигателями от полного импульса тяги I при использовании в качестве рабочего тела различного сжатого газа (параметры системы:

рбн 21,0 МПа; рк = 0,35…1,40 МПа; R = 4,5…45,0 Н):

а — водород; б — гелий; в — воздух; г —азот; д — метан

Рис. 5. Зависимость массы газа с баллонами МВАД (а) и массы рабочего тела тт (б) от полного импульса тяги Iz при использовании в качестве рабочего тела различного сжатого газа (начальное давление газа в баллонах 2,0…4,5 МПа; конечное давление в баллонах 0,7 МПа; материал баллонов — титан; коэффициент запаса прочности 2,2):

а — водород; б — гелий; в — неон; г — ксенон; д — аргон; е — азот, воздух; ж — фреон; з — метан

14

Водород, гелий, неон, хотя и дают возможность получить высокую удельную тягу, не нашли практического применения в газореактивных системах вследствие малой плотности, поскольку с увеличением полного импульса тяги размеры и масса баллонов для размещения газа возрастают.

Схема газореактивной системы, обеспечивающая постоянную управляющую силу при многократных включениях системы, приведена на рис. 6. В этой системе сжатый газ хранится на борту в баллоне 1. Через заправочно-дренажный клапан 2 происходят заправка и дренаж газа, а также необходимые проверочные операции. Предварительное включение системы осуществляется путем подачи электрического сигнала на клеммы 10 пускоотсечного клапана 3, который в период хранения герметично закрывает доступ газа в систему. После срабатывания пускоотсечного клапана 3 газ через фильтр 4, устанавливаемый для предотвращения проникания в магистраль случайных посторонних частиц, поступает в регулятор давления 5. Назначение регулятора — редуцировать высокое давление до заданного значения и поддерживать это значение в определенных пределах. Редуцированный газ низкого давления по трубопроводу 6 поступает в коллектор низкого давления 9, а оттуда подводится к газореактивным микродвигателям 11, установленным в соответствующих каналах стабилизации.

Включение двигателей осуществляется при подаче электрического сигнала от системы управления на клеммы 10 питания электромагнитного клапана двигателя. При этом клапан двигателя открывается и газ поступает в сопло двигателя. При истечении газа из сопла создается постоянная управляющая сила, а при многократном включении двигателя импульсы тяг почти полностью повторяют по форме командные электрические сигналы системы управления. В результате на ЛА действуют строго определенные управляющие моменты, с помощью которых осуществляется управление положением аппарата в пространстве.

Предохранительный клапан 12 предназначен для исключения аварийной ситуации при чрезмерном повышении давления газа в коллекторе 9, например, вследствие выхода из строя регулятора давления 5. Чтобы предотвратить возникновение возмущения при срабатывании предохранительного клапана в результате истечения из него сжатого газа, предусмотрен безмоментный выход газа из предохранительного клапана, т. е. истечение газа в противополож-

15

ные стороны через одинаковые проходные сечения. Контроль низкого давления газа в коллекторе 9 (т. е. косвенный контроль тяги микродвигателей 11) осуществляется с помощью датчика низкого давления 7 путем снятия с его клемм 8 электрического напряжения; а контроль высокого давления газа в баллоне 10 — с помощью датчика высокого давления 13 путем снятия с его клемм 8 электрического напряжения.

Рис. 6. Принципиальная схема реактивной системы управления, в которой в качестве рабочего тела используется сжатый воздух:

1 — баллон со сжатым газом; 2 — заправочно-дренажный клапан; 3 — пускоотсечной клапан; 4 — фильтр; 5 — регулятор давления газа; 6 — трубопровод; 7 — датчик низкого давления газа в коллекторе; 8 — клеммы подвода электрического питания к датчикам; 9 — коллектор газа низкого давления; 10 — клеммы подвода электрического питания к клапанам; 11 — газореактивный микродвигатель, работающий на сжатом газе; 12 — предохранительный клапан с безмоментным выходом; 13 — датчик высокого давления газа в баллоне

16

Принципиальная схема газореактивного двигателя, в котором для улучшения условий его работы электронагревательный элемент (или радиоизотопный источник энергии) расположен непосредственно перед соплом двигателя, приведена на рис. 9. В этом случае клапанная пара и электропривод двигателя соприкасаются только с холодным газом, так как подогрев последнего осуществляется непосредственно перед соплом, а нагревательный элемент отделен от клапанного устройства теплоизолирующей прокладкой.

Рис. 9. Схема газореактивного двигателя, работающего на сжатом газе, с устройством подогрева рабочего тела:

1 — трубопровод подвода рабочего тела; 2 — пружина; 3 — обмотка электромагнитного привода клапана; 4 — якорь электромагнитного привода клапана; 5 — клапан; 6 — седло; 7 — камера; 8 — спиральный трубопровод подвода рабочего тела; 9 — нагревательный элемент; 10 — кожух с теплоизоляцией; 11 — сопло; 12 — клеммы подвода электрического питания к нагревательному элементу; 13 — теплоизолирующая вставка; 14 — корпус клапана; 15 — клеммы подвода электрического питания к электромагнитному приводу клапана

В реактивных системах на холодном газе в качестве рабочего тела обычно используют азот, аммиак, аргон, фреон. При этом

система может обеспечивать тягу R 2 10–2…45 Н, удельную тягу Rуд 500…720 Н с/кг и полный импульс тяги I 5850 Н с при времени запаздывания системы 0,9 0,005…0,008 с и 0,10,01…0,02 с, где 0,9 — время запаздывания (время, за которое тяга увеличится от нуля до 90 % номинального значения); 0,1 —

18

время спада тяги (время, за которое тяга уменьшится от номинального значения до 10 % номинального значения).

Другой областью широкого использования ИСГ, находящихся на борту ЛА являются пневматические следящие приводы систем управления ЛА. Задача силовых приводов — перемещение органов управления ЛА по заданному закону с заданной точностью.

Пневматический привод с поршневым двигателем и дроссельным пневматическим распределительным устройством (ПРУ) получил широкое распространение в системах управления ракет в качестве исполнительного механизма автопилота, перемещающего органы управления ЛА [1, 4]. Диапазон применения газовых поршневых приводов по мощности достаточно широк — от нескольких сот ватт до нескольких киловатт. Привод в состоянии воспроизводить гармонический сигнал частотой до 40…60 Гц без применения корректирующих устройств.

Широко распространенный вариант построения автономного пневмопривода на холодном газе состоит из пневматического двигателя (ПД) со встроенным потенциометром обратной связи (ПОС), ПРУ, струйная трубка которого перемещается электромеханическим преобразователем (ЭМП). Суммирование сигналов на входе привода осуществляется преобразующе-суммирующим устройством ЭМП с помощью усилителя мощности (УМ).

Сжатый газ подается на вход прибора от ИСГ через арматуру, аналогичную описанной выше (см. рис. 2). ИСГ обеспечивает работу привода в течение заданного промежутка времени, а также выполнение проверочных операций.

Рассматриваемая схема поршневого пневматического привода может служить наглядным примером объединения узлов привода в агрегаты. Данный привод состоит из четырех агрегатов: воздушно-арматурного блока (ВАБ), чаще называемого системой газообеспечения на холодном газе (СГП), ПРУ, пневмодвигателя (ПД) и электронного блока, включающего сумматор (ПСУ) и усилитель мощности (УМ) с необходимыми цепями коррекции. При этом ВАБ проектируется для каждой конкретной системы в соответствии с требуемым временем работы, количеством приводов и условиями применения. В отличие от ВАБ распределители и двигатели могут быть разработаны для данной области использования, при этом можно ограничиться конечным числом моди-

19

фикаций ПД и ПРУ, которые позволят обеспечить выполнение всех требований к располагаемым силам на штоке и скоростям его движения.

Наиболее широкое распространение в качестве рабочего тела пневматических приводов нашли азот и воздух.

Основным недостатком пневматических поршневых приводов является высокая сжимаемость газа, осложняющая применение привода при больших инерционных нагрузках на выходном валу. Для уменьшения сжимаемости газа в полости ПД желательно увеличивать давление питания pz, которое для ИСГ на холодном газе обычно составляет 1…3 МПа, однако при больших значениях давления pz трудно обеспечить устойчивую работу ЭМП при перемещении подвижного элемента ПРУ. Воздействие газовых потоков в ПРУ на подвижный элемент (струйную трубку, заслонки, золотник) при больших значениях давления питания приводит к появлению автоколебаний. Для автономных пневматических приводов увеличение давления pz ведет к увеличению остаточного давления, а следовательно, и остаточного количества сжатого газа в баллоне.

В случае применения вытеснительной системы подачи ЖРД ее недостаток состоит в том, что в ней баки находятся под давлением подачи компонентов топлива, вследствие чего масса баков, которые должны быть очень прочными, получается очень большой. Баллон со сжатым газом, нагруженный высоким давлением, также имеет большую массу. Кроме того, масса газа, необходимая для вытеснения компонентов, может составлять десятки и сотни килограммов.

Системы газообеспечения на холодном газе, установленные на борту ЛА, достаточно широко применяются и для других целей: питания или предстартовой раскрутки газовых турбин, турбонасосных агрегатов, турбогенераторов, гидроаккумуляторов давления для систем управления ЛА, вспомогательных систем ракетнокосмической техники и др. [5, 7, 8].

2.2. Пневмоаккумуляторы давления

Наиболее простым и надежным ИСГ является баллон. Форма баллона определяется удобством его компоновки в отсеке ЛА. Следует стремиться к обеспечению максимальной добротности

20