ISBN 978-5-8149-2009-6 Изложены основы теории, расчета и проектирования пневмогидравлических систем (ПГС) и агрегатов автоматики жидкостных ракетных двигательных установок (ЖРДУ). <...> Рассмотрены основные принципы построения систем управления и расстановки агрегатов управления ЖРДУ. <...> УДК 621.454.2 + 629.7.036.54(075) ББК 39.651.11+39.63я73 Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета ISBN 978-5-8149-2009-6 2 © ОмГТУ, 2015 ВВЕДЕНИЕ Жидкостная ракетная двигательная установка (ЖРДУ) является сложным техническим комплексом, объединяющим в своем составе пневмогидравлическую систему и систему управления. <...> Пневмогидравлическая система (ПГС) обеспечивает хранение и подачу топлива к камерам двигателя и газогенераторам, а также подачу рабочих тел для наддува баков и питания агрегатов автоматики. <...> Система управления обеспечивает функционирование ЖРДУ и выполнение полетных задач летательными аппаратами (ЛА). <...> ЖРДУ применяются во всех случаях, когда питание топливом камеры двигателя исключает применение забортного окислителя (в виде воздуха) либо ввиду его низкой эффективности, либо при его отсутствии (в условиях космической среды). <...> Основные задачи, решаемые маршевыми ЖРДУ: 1) вывод на орбиту искусственных спутников Земли и других планет Солнечной системы; ЖРДУ в этом случае обеспечивает носителям всех ступеней составных ракет необходимый потребный импульс тяги; 2) обеспечение полета баллистических ракет, перемещающих полезные грузы из одной точки земной поверхности в другую; 3) выполнение народно-хозяйственных задач в атмосферной зоне Земли маневренными беспилотными ЛА; 4) обеспечение причаливания, стыковки и расстыковки пилотируемых космических летательных аппаратов (КЛА); 5) управление движением центра масс КЛА, связанных с поддержанием или изменением заданной орбиты полета и реализацией тормозного импульса тяги для спуска ЛА с орбиты. <...> ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ <...>
Пневмогидравлические__системы_и_автоматика_жидкостных_ракетных_двигательных_установок.pdf
УДК 621.454.2 + 629.7.036.54(075)
ББК 39.651.11+39.63я73
К88
Рецензенты:
В. В. Косицын, канд. техн. наук, ведущий специалист КБ «Полет» –
филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева»;
В. А. Федорук, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой
«Физика» ФГБОУ ВПО «СибАДИ»
Куденцов, В. Ю.
К88
Пневмогидравлические системы и автоматика жидкостных ракетных
двигательных установок : учеб. пособие / В. Ю. Куденцов, А. Б. Яковлев ;
Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. – 220 с. : ил.
ISBN 978-5-8149-2009-6
Изложены основы теории, расчета и проектирования пневмогидравлических
систем (ПГС) и агрегатов автоматики жидкостных ракетных
двигательных установок (ЖРДУ). Рассмотрены основные принципы построения
систем управления и расстановки агрегатов управления ЖРДУ.
Уделено внимание описанию гидродинамики внутрибаковых процессов,
вопросам выбора основных параметров ПГС. Описаны основные методы
контроля герметичности ПГС.
Предназначено студентам, обучающимся по специальности 24.05.02
(160700.65) «Проектирование авиационных и ракетных двигателей», при
изучении курса «Конструирование жидкостных ракетных двигательных
установок». Может быть полезно студентам, обучающимся по специальностям
(направлениям подготовки) 24.05.01 и 24.03.01, при изучении курса
«Пневмогидросистемы и автоматика ЛА», аспирантам и специалистам,
интересующимся проблемами создания ПГС ЖРДУ.
УДК 621.454.2 + 629.7.036.54(075)
ББК 39.651.11+39.63я73
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Омского государственного технического университета
ISBN 978-5-8149-2009-6
2
© ОмГТУ, 2015
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 3
1. ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ................ 4
1.1. Области применения и классификация ЖРДУ ......................................... 4
1.2. Требования к ЖРДУ .................................................................................. 12
2. СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЖРДУ ....................................... 27
2.1. Принципы устройства ЖРДУ ................................................................... 27
2.2. Системы управления ДУ и ее агрегаты ................................................... 36
2.3. Системы управления конечными параметрами траектории
движения ЛА .............................................................................................. 38
2.3.1. Система регулирования кажущейся скорости .............................. 39
2.3.2. Система опорожнения баков .......................................................... 41
2.4. Системы управления процессом функционирования ДУ ..................... 45
2.4.1. Условная принципиальная обобщенная схема регулятора
тяги .................................................................................................... 47
2.4.2. Условная принципиальная обобщенная схема
стабилизатора соотношения компонентов топлива ..................... 48
2.4.3. Правила расстановки регуляторов ................................................. 49
2.5. Принципиальные схемы расстановки регуляторов ................................ 51
2.5.1. ЖРДУ с автономным топливом для питания турбины ................ 51
2.5.2. ЖРДУ с насосной системой подачи без дожигания .................... 53
2.5.3. ЖРДУ с насосной системой подачи с дожиганием
генераторного газа ........................................................................... 56
3. РЕГУЛЯТОРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЖРДУ ........................................ 62
3.1. Классификация регуляторов ЖРДУ ........................................................ 62
3.2. Пневмогидравлический мембранный регулятор давления
прямого действия ....................................................................................... 66
3.3. Гидромеханический сильфонный регулятор давления
прямого действия ....................................................................................... 67
3.4. Гидромеханический плунжерный регулятор расхода
прямого действия (исполнение 1) ............................................................ 69
3.5. Гидромеханический плунжерный регулятор расхода
прямого действия (исполнение 2) ............................................................ 70
3.6. Регулятор расхода с гидромеханическим усилителем ........................... 71
3.7. Регулятор давления с гидромеханическим усилителем ........................ 73
3.8. Регулятор давления с пневмомеханическим усилителем ...................... 75
3.9. Газовые редукторы .................................................................................... 76
3.9.1. Устройство газовых редукторов .................................................... 76
3.9.2. Статические характеристики газовых редукторов ....................... 80
216
Стр.216
4. КОНЕЧНЫЕ АВТОМАТЫ ЖРДУ ................................................................. 87
4.1. Классификация конечных автоматов ЖРДУ .......................................... 87
4.2. Мембрана принудительного прорыва ...................................................... 94
4.3. Обратный и предохранительный клапаны .............................................. 96
4.4. Главные топливные клапаны ЖРДУ ........................................................ 97
4.5. Заправочно-дренажный топливный клапан .......................................... 103
4.6. Электропневмоклапаны .......................................................................... 104
4.7. Клапанный распределитель расходов топлива
с механическим приводом ....................................................................... 108
4.8. Уравнение движения тарели гидропневмоклапана .............................. 109
4.9. Гидравлический расчет агрегатов автоматики и выбор
конструкции уплотнений ......................................................................... 113
5. ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЖРДУ .................................. 120
5.1. Назначение, состав и особенности устройства ПГС ............................ 120
5.2. Топливные баки ........................................................................................ 123
5.2.1. Конструкция топливных баков ..................................................... 123
5.2.2. Устройство топливных баков ....................................................... 126
5.2.3. Арматура и устройства топливных баков ................................... 128
5.2.4. Массовые характеристики топливных баков .............................. 133
5.3. Трубопроводы ........................................................................................... 137
5.3.1. Назначение трубопроводов ........................................................... 137
5.3.2. Конструкции трубопроводов и элементы их крепления ............ 138
5.3.3. Расчет трубопроводов .................................................................... 140
5.3.4. Потери давления в магистралях ................................................... 142
5.4. Заборные устройства ............................................................................... 143
5.4.1. Физическая картина прорыва газа в сливной трубопровод ....... 143
5.4.2. Воронкообразование без вращения при сливе жидкости
через донное отверстие .................................................................. 144
5.4.3. Предотвращение кавитации в заборном устройстве .................. 145
5.4.4. Конструкции заборных устройств ................................................ 148
5.5. Системы наддува ...................................................................................... 153
5.5.1. Назначение и особенности устройства систем наддува ............ 153
5.5.2. Основные требования к системам наддува ................................. 157
6. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ ................................................................................................... 160
6.1. Процессы в топливных баках ракет при их наддуве ............................ 160
6.2. Основные уравнения термодинамического тела переменной массы ..... 163
6.3. Определение расхода газа при его истечении ....................................... 167
6.4. Опорожнение емкости через отверстие постоянной площади ............ 169
6.5. Опорожнение емкости через отверстие переменной площади ........... 173
6.6. Опорожнение емкости через газовый редуктор ................................... 175
217
Стр.217
6.7. Наполнение емкости постоянного объема ............................................ 179
6.8. Наполнение емкости переменного объема ........................................... 183
6.9. Динамика работы системы регулирования давления наддува
топливных баков ...................................................................................... 184
7. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ........................................ 189
7.1. Запуск ЖРДУ ............................................................................................ 190
7.2. Останов ЖРДУ ......................................................................................... 194
7.3. Способы воспламенения горючих смесей ............................................ 201
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................. 212
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................... 214
218
Стр.218