Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов. Ч. 1: Бортовые источники рабочего тела на холодном газе
Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов: Обзор источников холодного газа
Эта статья представляет собой саммари первой части учебного пособия, посвященного бортовым газодинамическим исполнительным системам летательных аппаратов (ЛА). Основной акцент сделан на источниках рабочего тела, функционирующих на холодном газе, их устройстве, принципах работы, областях применения, а также методах расчета и проектирования.
Введение в газодинамические системы
В современных ЛА широко используются газодинамические приводы и пневматические системы для управления и выполнения вспомогательных функций. Для обеспечения работы этих систем необходим источник сжатого газа. Учебное пособие рассматривает различные типы источников рабочего тела, включая источники на холодном газе, горячем газе (твердотопливные и жидкостные газогенераторы). Первая часть пособия посвящена системам, использующим холодный газ, которые отличаются простотой и надежностью, что делает их востребованными в различных типах ЛА, особенно в космических аппаратах для газореактивных систем управления и стабилизации.
Обзор систем газообеспечения
Система газообеспечения состоит из источника сжатого газа, арматуры, приборов и устройств, обеспечивающих транспортировку газа к исполнительным устройствам и управление параметрами газового потока. Важным аспектом является выбор источника с учетом требований к массе и габаритам, особенно в системах, работающих длительное время. Исходными данными для проектирования являются давление газа, расход, температура, время работы и режимы работы привода. Необходимое количество газа определяется массой газа, которая не зависит от типа источника.
Рабочие тела и их характеристики
В качестве рабочих тел для бортовых газодинамических исполнительных систем используются различные вещества в газообразном, жидком или твердом состоянии. Наиболее распространенным является сжатый воздух, но также применяются азот, аргон, аммиак, фреон. Выбор рабочего тела зависит от его плотности, рабочего давления, температуры и других термодинамических характеристик. В таблицах приводятся данные о плотности, диапазонах давления и температуры для различных рабочих тел, а также основные термодинамические характеристики, такие как отношение теплоемкостей и удельная газовая постоянная.
Типы источников сжатого газа и их применение
Для снабжения сжатым газом применяются баллоны со сжатым газом, пороховые газогенераторы, газогенераторы на продуктах разложения жидких топлив, пироэнергодатчики, системы отбора сжатого газа от маршевого двигателя и набегающего потока. Наибольшее распространение получили первые четыре типа. Выбор конкретного типа зависит от технических задач, таких как мощность, время работы, температура рабочего тела, масса и условия эксплуатации. Удельная энергия является важным показателем, определяющим целесообразность применения различных источников. Газогенераторы горячего газа предпочтительны для кратковременной работы и при определенных условиях имеют эксплуатационные преимущества.
Аккумуляторы давления и их особенности
Системы газообеспечения на холодном газе включают аккумулятор давления (баллон со сжатым газом) и устройства управления подачей газа. Баллон хранит газ под давлением, превышающим входное давление привода. Схема системы включает зарядные горловины, запорные устройства, регуляторы давления и фильтры. Системы на холодном газе широко применяются в газореактивных системах управления, пневматических приводах, системах наддува баков и других целях. Преимуществами являются простота, быстродействие, надежность и возможность создания систем с длительным сроком работы. Недостатками являются сравнительно невысокие массовая и объемная добротность, а также ограниченный уровень достижимых тяг. В качестве рабочего тела часто используются воздух, азот и другие газы.
Пневмоаккумуляторы давления: конструкция и расчет
Пневмоаккумуляторы давления (баллоны) могут быть сферической, цилиндрической, эллипсоидальной или тороидальной формы. Форма баллона определяется удобством компоновки и стремлением к максимальной добротности. Добротность определяется отношением внутренней энергии рабочего тела к массе аккумулятора. При проектировании учитывается начальное давление, которое выбирается с учетом возможностей заправочных средств. Толщина стенок баллонов рассчитывается с использованием прочностных расчетов, учитывающих допустимое напряжение материала и коэффициент запаса прочности. В качестве материалов используются легированные стали, титановые сплавы и стекловолокнистый армированный материал.
Расчет параметров газа при опорожнении и анализ энергомассовых характеристик
При проектировании необходимо учитывать изменение параметров газа в баллоне при его опорожнении. Для этого используются различные методики, учитывающие теплообмен между газом и стенками. В качестве показателя политропы рекомендуется использовать значения в диапазоне 1,30…1,33. Массу конструкции системы газообеспечения можно оценить по основным проектным данным ракеты. Полная масса системы включает массу заправленного аккумулятора давления, агрегатов автоматики, трубопроводов, корпуса баллона, рабочего тела и фитингов. Энергетические параметры и массу конструкции можно представить в виде функциональных зависимостей.
Примеры расчетов
В книге приведены примеры расчета пневмоаккумуляторов давления, иллюстрирующие определение основных параметров баллона и общей массы системы. Рассматриваются примеры для тороидальных и шаровых баллонов, а также расчеты для газореактивных систем управления.
- ВО - Специалитет
- 24.05.01: Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
- 24.05.02: Проектирование авиационных и ракетных двигателей
- 24.05.03: Испытание летательных аппаратов
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана В.С. Владимиров, В.П. Строгалев, И.О. Толкачева БОРТОВЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Часть 1 Бортовые источники рабочего тела на холодном газе Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2011
УДК 629.7.064(075.8)
ББК 39.56
В57
Рецензенты: В.Е. Смирнов, А.И. Максимов
Владимиров В.С.
Бортовые газодинамические исполнительные системы
летательных аппаратов. Ч. 1: Бортовые источники рабочего
тела на холодном газе : учеб. пособие / В.С. Владимиров,
В.П. Строгалев, И.О. Толкачева. — М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2011. — 45, [3] с. : ил.
В первой части учебного пособия описаны устройство и
функционирование бортовых источников питания, работающих на
холодном газе, изложены основы их расчета и проектирования.
Для студентов, изучающих дисциплины «Проектирование
бортовых исполнительных систем» и «Проектирование энергетических установок ракетного оружия». Также будет полезно аспирантам и преподавателям, ведущим аудиторные занятия по этим
дисциплинам.
УДК 629.7.064(075.8)
ББК 39.56
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011
В57
ВВЕДЕНИЕ В системах управления современных летательных аппаратов (ЛА) широко применяются газодинамические силовые следящие приводы и пневматические системы различного назначения. Задачей силовых приводов является перемещение органов управления ЛА по заданному закону с заданной точностью, а задачей пневматических систем — создание управляющих моментов, прикладываемых к ЛА, преобразование энергии сжатого газа в энергию других видов (например, в электрическую) или выполнение ряда вспомогательных функций (расстыковка ступеней ракеты, раскрытие крыльев или оперения, отсечка тяги ракетного двигателя на твердом топливе, отстрел или передвижение элементов конструкции ЛА и др.). Для обеспечения работы систем управления ЛА, в которых используются газодинамические приводы и другие виды управляющих пневматических исполнительных устройств (газореактивные системы управления и стабилизации, преобразователи энергии, вспомогательные системы управления и др.), требуется наличие на борту ЛА источника (источников) рабочего тела — сжатого газа. При проектировании таких систем необходимо учитывать наличие источника сжатого газа (ИСГ) и системы газообеспечения потребителей (СГП) в целом. В настоящее время применительно к ЛА разрабатывают ИСГ на основе газообразного, жидкого или твердого первичного вещества. Подробное изложение материалов по вопросам устройства, функционирования, областей применения, расчета и проектирования источников рабочего тела на горячем газе (твердотопливных генераторов и жидкостных газогенераторов на однокомпонентном жидком топливе) приведено в частях 2 и 3 учебного пособия «Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов». Настоящее учебное пособие (часть 1) посвящено рас_____________ Владимиров В.С., Королев А.А., Никитина И.Е. Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов. Ч. 2: Бортовые источники рабочего тела на горячем газе. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002; Владимиров В.С., Строгалев В.П., Толкачева И.О. Бортовые газодинамические системы летательных аппаратов. Ч. 3: Бортовые источники рабочего тела на однокомпонентном жидком топливе. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.
смотрению вопросов расчета и проектирования источников рабочего тела на холодном газе. Системы управления с использованием холодного сжатого газа в качестве рабочего тела являются самыми простыми и надежными из всех известных систем, в связи с чем они находят достаточно широкое применение на различных типах ЛА, в частности, они используются на космических ЛА в качестве газореактивных (газоструйных) систем управления полетом и стабилизации. Несмотря на то что рассматриваемой теме посвящено достаточно большое количество работ, до настоящего времени не существует необходимого для изучения ряда разделов дисциплины «Проектирование бортовых газодинамических исполнительных систем» систематизированного материала по вопросам расчета и проектирования источников рабочего тела и СГП на холодном газе. Опубликованные в семидесятых и восьмидесятых годах прошлого столетия материалы разобщены, имеют узкоспециализированный или отрывочный характер и методически неоднородны. В данном учебном пособии сделана попытка систематизированно изложить опубликованные ранее материалы об устройстве, о функционировании, об областях применения, о преимуществах и недостатках бортовых источников рабочего тела на холодном газе, о расчете и проектировании СГП на холодном газе, а также об анализе энергомассовых характеристик бортовых источников рабочего тела и систем управления на холодном газе. 1. ИСТОЧНИКИ РАБОЧЕГО ТЕЛА (ГАЗА) БОРТОВЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 1.1. Основные сведения о системах газообеспечения Система газообеспечения потребителей состоит из источника сжатого газа, арматуры, приборов и устройств, обеспечивающих транспортировку газа ко входу исполнительных устройств и управление параметрами газового потока. Для большинства автономных систем управления ЛА масса и габариты СГП определяют выбор типа привода, да и всей системы
управления в целом, особенно в тех случаях, когда система управления работает в течение длительного времени. В связи с этим приходится проектировать ИСГ с минимально необходимым запасом энергии, однако уменьшение запаса энергии при неизменном времени работы системы ведет к уменьшению располагаемой мощности ИСГ. При соизмеримости мощностей конечных потребителей и ИСГ начинает проявляться их взаимное влияние; особенно это сказывается в динамических процессах. Обоснованный выбор мощности ИСГ подразумевает знание расходных характеристик потребителей сжатого газа и зависимость этих характеристик от режимов работы исполнительного устройства или группы исполнительных устройств потребителей. Исходными данными при выборе или проектировании ИСГ являются давление газа на входе в привод (исполнительное устройство) pz; входной расход привода Gz; допустимая температура газа на входе в привод Tz; время работы привода tp; изменение условий окружающей среды; зависимость входного расхода Gz от режимов работы привода; режим работы привода. Как известно, масса и габариты СГП определяются в основном массой и габаритами ИСГ. Режим работы привода или группы приводов, подключенных к данному ИСГ, заранее не известен. При этом его характеристики являются случайной функцией времени. Отметим также, что привод может работать в режимах, существенно различающихся по потребляемой мощности, например в режиме управления и в режиме стабилизации. Кроме того, оказывается целесообразным использовать для питания нескольких приводов один ИСГ, поскольку при этом из системы управления исключаются автоматические устройства синхронизации работы ИСГ. Отметим, что требуемая для нормального функционирования системы управления масса газа тг не зависит от вида ИСГ и природы первичного вещества, из которого получается сжатый газ в ИСГ. 1.2. Рабочие тела бортовых газодинамических исполнительных систем Необходимое количество газа хранится или создается в ИСГ. В настоящее время применительно к ЛА разрабатываются ИСГ на основе газообразного, жидкого или твердого первичного вещества.
Похожие