RU2791158C1 - Method for configuration of the emergency protection system of a liquid rocket engine - Google Patents
Method for configuration of the emergency protection system of a liquid rocket engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791158C1 RU2791158C1 RU2021139586A RU2021139586A RU2791158C1 RU 2791158 C1 RU2791158 C1 RU 2791158C1 RU 2021139586 A RU2021139586 A RU 2021139586A RU 2021139586 A RU2021139586 A RU 2021139586A RU 2791158 C1 RU2791158 C1 RU 2791158C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- values
- thrust
- engine
- external factors
- nominal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в ракетной технике в качестве системы аварийной защиты (САЗ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).The present invention relates to instrumentation and can be used in rocket technology as an emergency protection system (SAZ) for liquid rocket engines (LRE).
Одной из основных составляющих, обеспечивающей высокую эффективность работы САЗ, является выбор допустимых предельных значений контролируемых параметров САЗ, при выходе за пределы которых формируется команда на аварийное выключение двигателя (АВД).One of the main components that ensures high efficiency of the SAS operation is the choice of permissible limit values of the controlled parameters of the SAS, when they are exceeded, a command for an emergency engine shutdown (EAS) is generated.
Широко известно, что в СССР бортовая система аварийной защиты в период полета ракеты-носителя (РН) существовала всего два раза: для лунной программы РН «Н-1» и для РН «Энергия». При этом бортовая САЗ ЖРД настраивалась таким образом, что предельные значения контролируемых параметров САЗ назначались едиными для всех режимов работы ЖРД. Такой принцип был реализован в бортовой САЗ ЖРД РН «Энергия» (см. книгу Б.И. Губанова, «ТРИУМФ И ТРАГЕДИЯ "ЭНЕРГИИ" РАЗМЫШЛЕНИЯ ГЛАВНОГО КОНСТРУКТОРА» том 3: "ЭНЕРГИЯ" - "БУРАН", Нижний Новгород, издательство НИЭР, 1998 г).It is widely known that in the USSR the onboard emergency protection system during the flight of the launch vehicle (LV) existed only twice: for the lunar program of the N-1 launch vehicle and for the Energia launch vehicle. At the same time, the onboard SAZ of the LRE was adjusted in such a way that the limiting values of the controlled parameters of the SAZ were assigned the same for all operating modes of the LRE. Such a principle was implemented in the onboard SAZ LRE LV "Energiya" (see the book by B.I. Gubanov, "THE TRIUMPH AND TRAGEDY OF "ENERGIA" REFLECTIONS OF THE CHIEF DESIGNER" volume 3: "ENERGY" - "BURAN", Nizhny Novgorod, NIER publishing house, 1998).
Недостатком такого подхода к назначению предельных контролируемых параметров САЗ состояло в том, что он приводит к резкому расширению границ диапазона настройки САЗ ЖРД и снижению эффективности бортовой САЗ ЖРД по возможности своевременного выключения двигателя без развития аварийной ситуации на РН.The disadvantage of this approach to setting the limiting controlled parameters of the SAS was that it leads to a sharp expansion of the boundaries of the range of adjustment of the SAS of the LRE and a decrease in the efficiency of the onboard SAS of the LRE due to the possibility of timely shutdown of the engine without developing an emergency on the launch vehicle.
Задачей предлагаемого изобретения является создание САЗ ЖРД, которая осуществляет адаптивную настройку предельных значений контролируемых параметров САЗ ко всем режимам работы двигателя (тяга), включая переходные режимы (режим форсирования и дросселирования).The objective of the invention is to create a SAZ LRE, which performs adaptive adjustment of the limit values of the controlled parameters of the SAZ to all modes of engine operation (thrust), including transient modes (forcing and throttling mode).
Эта задача решена за счет того, что настройку САЗ ЖРД осуществляют, используя адаптивную настройку контролируемых параметров САЗ к режимам работы двигателя, для этого по результатам контрольно-технологического испытания (КТИ) двигателя для каждого его режима работы выбирают значения контролируемых параметров САЗ, значения тяги (R) и значения внешних факторов, при этом в расчете используют номинальные значения внешних факторов, далее приводят значения контролируемых параметров САЗ к номинальным значениям внешних факторов, для чего для каждого выбранного режима работы двигателя определяют поправки к контролируемым параметрам САЗ по величине отклонения фактических значений каждого внешнего фактора от его номинального значения, далее для каждого выбранного режима работы двигателя приводят значения тяги к номинальным значениям внешних факторов по величине отклонения фактических значений всех внешних факторов от их номинальных значений, далее по всем режимам работы двигателя, определяют ожидаемую зависимость приведенных к номинальным значениям внешних факторов контролируемых параметров САЗ от приведенной к номинальным значениям внешних факторов тяги используя формулу:This problem is solved due to the fact that the adjustment of the SAZ LRE is carried out using the adaptive setting of the controlled parameters of the SAZ to the engine operating modes, for this, according to the results of the control and technological test (CTT) of the engine, for each of its operating modes, the values of the controlled parameters of the SAZ, thrust values ( R) and the values of external factors, while the nominal values of external factors are used in the calculation, then the values of the controlled parameters of the SAS are brought to the nominal values of external factors, for which, for each selected mode of engine operation, amendments to the controlled parameters of the SAS are determined by the deviation of the actual values of each external factor from its nominal value, then for each selected engine operation mode, the thrust values are brought to the nominal values of external factors by the deviation of the actual values of all external factors from their nominal values, then for all engine operation modes, the expected the calculated dependence of the external factors reduced to the nominal values of the controlled parameters of the SAZ on the external thrust factors reduced to the nominal values using the formula:
где, КП_ОЖ - ожидаемое значение контролируемых параметров САЗ;where, KP_OZH - the expected value of the controlled parameters of the SAZ;
К10, К00 - коэффициенты уравнения;K10, K00 - coefficients of the equation;
R -тягаR-thrust
дальше для задаваемых режимов работы двигателя (полет РН или повторное огневое испытание двигателя), используя указанную зависимость, определяют ожидаемые значения контролируемых параметров САЗ и по этим значениям определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки САЗ ЖРД при фактических значениях внешних факторов на входе в двигатель.further, for the given engine operating modes (LV flight or re-fire test of the engine), using the indicated dependence, the expected values of the controlled parameters of the SAS are determined, and these values are used to determine the adaptive upper and lower threshold values for setting the SAS of the LRE at the actual values of external factors at the engine inlet .
Другими отличиями предложенного способа является:Other differences of the proposed method are:
- для каждого выбранного режима работы двигателя значения- for each selected engine operating mode, the values
контролируемых параметров САЗ приводят к номинальным значениямcontrolled parameters of the SAZ lead to nominal values
внешних факторов по следующей формулеexternal factors according to the following formula
где, ΔКПВ_КМ - поправка по значению КПВ при изменении массового соотношения компонентов топлива, об/мин;where, ΔKPV_KM - correction for the value of KPV when changing the mass ratio of fuel components, rpm;
А21, А11, А00 - коэффициенты уравнения;A21, A11, A00 - coefficients of the equation;
R - тяга;R - thrust;
КМтек - текущее значение массового соотношения компонентов топлива;KM tech - the current value of the mass ratio of fuel components;
КМном - номинальное значение массового соотношения компонентов топлива;KM nom - nominal value of the mass ratio of fuel components;
- для каждого выбранного режима работы двигателя фактическую тягу, приведенную к номинальным условиям, определяют с поправками значений тяги по величине отклонений фактических значений внешних факторов от их номинальных значений по формуле- for each selected mode of engine operation, the actual thrust, reduced to nominal conditions, is determined with amendments to the thrust values by the magnitude of the deviations of the actual values of external factors from their nominal values according to the formula
где, R_ПР - тяга, приведенная к номинальным значениям внешних факторов;where, R_PR - thrust, reduced to the nominal values of external factors;
R -тяга;R - thrust;
ΔR_KM - поправка по значению тяги при изменении массового соотношения компонентов топлива;ΔR_KM - correction value of thrust when changing the mass ratio of fuel components;
ΔR_ДО - поправка по значению тяги при изменении давления окислителя на входе в двигатель;ΔR_DO - correction for the thrust value when the oxidizer pressure changes at the engine inlet;
ΔR_ТГ - поправка по значению тяги при изменении давления горючего на входе в двигатель;ΔR_ТГ - correction for the value of thrust when the fuel pressure changes at the engine inlet;
ΔR_TO - поправка по значению тяги при изменении температуры окислителя на входе в двигатель;ΔR_TO - correction for the value of thrust when the temperature of the oxidizer at the engine inlet changes;
ΔR_TT - поправка по значению тяги при изменении температуры горючего на входе в двигатель;ΔR_TT - correction for the value of thrust when the temperature of the fuel at the engine inlet changes;
- в качестве контролируемых параметров САЗ используют следующие параметры: обороты, температура, перемещение и давление;- the following parameters are used as controlled parameters of the SAZ: revolutions, temperature, displacement and pressure;
- в качестве внешних факторов используют следующие параметры: массовое соотношение компонентов топлива, температуры и давления окислителя и горючего на входе в двигатель.- the following parameters are used as external factors: the mass ratio of fuel components, temperature and pressure of the oxidizer and fuel at the engine inlet.
Пример осуществления способа.An example of the implementation of the method.
В качестве примера адаптивной настройки САЗ рассмотрим аварийное огневое стендовое испытание двигателя, проведенного в АО «НПО Энергомаш», где штатная система аварийной защиты не смогла выключить двигатель, когда разрушился трубопровод подвода горючего к приводам автоматики. Двигатель был выключен на 325 с при достижении параметром обороты вала турбонасосного агрегата - КПВ верхнего предельного порогового значения. Покажем, что эту аварию можно было парировать адаптивной настройкой САЗ ЖРД по контролируемому параметру САЗ -КПВ.As an example of the adaptive adjustment of the SAZ, let's consider an emergency firing bench test of an engine carried out at JSC NPO Energomash, where the standard emergency protection system could not turn off the engine when the fuel supply pipeline to the automation drives collapsed. The engine was turned off for 325 s when the turbopump unit shaft speed parameter - CPV reached the upper limit threshold value. Let us show that this accident could be parried by the adaptive adjustment of the SAZ LRE according to the controlled parameter SAZ -KPV.
Для осуществления адаптивной настройки одного из контролируемых параметров САЗ -КПВ по результатам проведенного КТИ товарного двигателя, для каждого из 39-ти стационарных режимов выбирают: значения КПВ, значения тяги (R) и значения внешних факторов, которые сведены в таблицу 1:To carry out the adaptive adjustment of one of the controlled parameters of the SAZ-KPV according to the results of the carried out KTI of a commercial engine, for each of the 39 stationary modes, the following are selected: the values of the PPV, the values of thrust (R) and the values of external factors, which are summarized in Table 1:
- R - значения тяги;- R - thrust values;
- КМ - массовое соотношение компонентов топлива;- KM - mass ratio of fuel components;
- ДГ - давление горючего на входе в двигатель, кгс/см2;- DG - fuel pressure at the engine inlet, kgf/cm 2 ;
- ДО - давление окислителя на входе в двигатель, кгс/см2;- TO - oxidant pressure at the engine inlet, kgf/cm 2 ;
- ТГ - температура горючего на входе в двигатель, °С;- TG - fuel temperature at the engine inlet, °C;
- ТО - температура окислителя на входе в двигатель, °С;- TO - temperature of the oxidizer at the engine inlet, °C;
- КПВ - значение оборотов вала ТНА, об/мин;- KPV - the value of the revolutions of the THA shaft, rpm;
При расчете используют следующие номинальные значения внешних факторов:The following nominal values of external factors are used in the calculation:
- номинальное массовое соотношение компонентов топлива в камере КМ ном=2,75.- nominal mass ratio of fuel components in the KM chamber nom=2.75.
- номинальное значение давления окислителя на входе в двигатель ДО ном=5 кгс/см2.- the nominal value of the pressure of the oxidizer at the inlet to the engine TO nom=5 kgf/cm 2 .
- номинальное значение давления горючего на входе в двигатель ДГ ном=2,8 кгс/см2.- the nominal value of the fuel pressure at the inlet to the DG engine nom=2.8 kgf/cm 2 .
- номинальное значение температуры окислителя на входе в двигатель- nominal value of the temperature of the oxidizer at the inlet to the engine
ТОном=минус 182,5°С.TO nom = minus 182.5°С.
- номинальное значение температуры горючего на входе в двигатель ТГном=минус 5°С.- the nominal value of the fuel temperature at the inlet to the engine TG nom = minus 5°C.
Приводят значения КПВ к номинальным значениям внешних факторов и определяют значение КПВ, приведенное к номинальным значениям внешних факторов, используя поправки к КПВ.The CPV values are brought to the nominal values of external factors and the CPV value reduced to the nominal values of external factors is determined using corrections to the CPV.
В таблице 2 для каждого из режимов работы двигателя приведены значения влияний каждого внешнего фактора отдельно на КПВ и значение КПВ приведенное к номинальным значениям внешних факторов.Table 2 for each of the engine operating modes shows the values of the influence of each external factor separately on the CPV and the CPV value reduced to the nominal values of external factors.
Приводят значения тяги к номинальным значениям внешних факторов и определяют значение тяги, приведенное к номинальным значениям внешних факторов, используя поправки к значениям тяги.The thrust values are brought to the nominal values of external factors and the thrust value reduced to the nominal values of external factors is determined using corrections to the thrust values.
В таблице 3 для каждого из режимов работы двигателя приведены значения влияний каждого внешнего фактора отдельно на значение тяги и значение тяги приведенное к номинальным значениям внешних факторов.Table 3 for each of the engine operating modes shows the values of the influence of each external factor separately on the thrust value and the thrust value reduced to the nominal values of external factors.
На фиг. 1 для всех режимов работы двигателя приведена ожидаемая зависимость приведенных к номинальным значениям внешних факторов КПВ от приведенных к номинальным значениям внешних факторов тяги. Полученная зависимость ожидаемых значений КПВ от тяги приведена в формуле 1.In FIG. 1 for all modes of engine operation, the expected dependence of the external factors of CPV reduced to the nominal values on the external factors of thrust reduced to the nominal values is shown. The resulting dependence of the expected CPV values on thrust is given in formula 1.
где, КПВ_ОЖ - ожидаемое значение КПВ.where, CPV_OZH - expected value of CPV.
Для заданного профиля тяги, приведенного на фиг. 2, определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки системы аварийной защиты по КПВ.For a given thrust profile shown in FIG. 2, determine the adaptive upper and lower limit values for setting the emergency protection system according to the CPV.
По полученной зависимости (1) и по формулам (2) и (3) определяют адаптивные предельные верхние и нижние пороговые значения настройки системы аварийной защиты по КПВ для заданных режимов работы двигателя.According to the obtained dependence (1) and according to formulas (2) and (3), the adaptive limiting upper and lower threshold values of the emergency protection system setting according to the CPV are determined for the given engine operation modes.
Значения КПВ, определенные по формулам (1), (2) и (3) для различных уровней тяги сведены в таблицу 4.The CPV values determined by formulas (1), (2) and (3) for different thrust levels are summarized in Table 4.
где, КПВ_НН - верхнее предельные значения КПВ;where, KPV_NN - upper limit values of KPV;
КПВ_LL - нижние предельные значения КПВ;KPV_LL - lower limit values of KPV;
ΔКПВ - отклонение КПВ от ожидаемых значений КПВ;ΔKPV - deviation of the KPV from the expected values of the KPV;
ΔКПВ_Ф - влияние внешних факторов на КПВ (массовое соотношение компонентов топлива, температуры и давления окислителя и горючего на входе в двигатель).ΔKPV_F - the influence of external factors on the KPV (mass ratio of fuel components, temperature and pressure of the oxidizer and fuel at the engine inlet).
Значение ΔКПВ равно 657 об/мин и определено исходя из:The value of ΔKPV is 657 rpm and is determined based on:
- статических разбросов контролируемых параметров работы ЖРД в зависимости от внутридвигательных факторов, определяемых особенностями изготовления ЖРД;- static spreads of controlled parameters of LRE operation depending on intra-engine factors determined by the features of LRE manufacturing;
- необходимых гарантийных запасов на выбросы параметров, не допускающих формирование ложной команды АВД.- necessary safety margins for outliers of parameters that do not allow the formation of a false AED command.
Значение ΔКПВ_Ф равно 275 об/мин и определено исходя из:The value of ΔKPV_F is equal to 275 rpm and is determined based on:
- заданных отклонений температуры и давления окислителя и горючего на входе в двигатель от их номинальных значений;- specified temperature and pressure deviations of the oxidizer and fuel at the engine inlet from their nominal values;
- максимально-допустимого отклонения по массовому соотношению компонентов топлива.- the maximum allowable deviation in the mass ratio of the fuel components.
На фиг. 3 в интервале времени с 271 по 277 с приведено пересечение контролируемым параметром КПВ адаптивного предельного верхнего порогового значения КПВ.In FIG. 3 in the time interval from 271 to 277 s shows the intersection of the controlled parameter of the CPV of the adaptive limiting upper threshold value of the CPV.
Как видно из фиг. 3, команда на авариное выключение двигателя могла быть сформирована начиная с 275,23 с, то есть раньше срабатывая штатной САЗ ЖРД на 49,77 с.As can be seen from FIG. 3, the command for emergency shutdown of the engine could be generated starting from 275.23 s, i.e., by 49.77 s before the standard LRE fired.
Промышленное применение.Industrial application.
Данное изобретение может применятся для настройки системы авариной защиты ЖРД (ракеты-носителя или стенда при проведении повторного испытания двигателя) в период их эксплуатации. This invention can be used to set up the LRE emergency protection system (launcher rocket or stand during engine retesting) during their operation.
Claims (24)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2791158C1 true RU2791158C1 (en) | 2023-03-03 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2166661C1 (en) * | 1999-12-09 | 2001-05-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | Method of operation of liquid-propellant rocket engine at turbopump delivery of oxygen-methane propellant |
WO2002103199A2 (en) * | 2001-05-22 | 2002-12-27 | Lockheed Martin Corporation | Method and apparatus for ignition detection |
KR100911454B1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-08-11 | 한국항공우주연구원 | System for emergency protection of liquid rocket engine |
RU2674112C1 (en) * | 2017-12-25 | 2018-12-04 | Акционерное общество "Корпорация "Московский институт теплотехники" (АО "Корпорация "МИТ") | Engine starting during the bench testing parameters experimental determination method |
RU2752727C1 (en) * | 2020-10-08 | 2021-07-30 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" | Method for operation of propulsion system of first stage of super-heavy launch vehicle to ensure flight safety |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2166661C1 (en) * | 1999-12-09 | 2001-05-10 | Бахмутов Аркадий Алексеевич | Method of operation of liquid-propellant rocket engine at turbopump delivery of oxygen-methane propellant |
WO2002103199A2 (en) * | 2001-05-22 | 2002-12-27 | Lockheed Martin Corporation | Method and apparatus for ignition detection |
KR100911454B1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-08-11 | 한국항공우주연구원 | System for emergency protection of liquid rocket engine |
RU2674112C1 (en) * | 2017-12-25 | 2018-12-04 | Акционерное общество "Корпорация "Московский институт теплотехники" (АО "Корпорация "МИТ") | Engine starting during the bench testing parameters experimental determination method |
RU2752727C1 (en) * | 2020-10-08 | 2021-07-30 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" | Method for operation of propulsion system of first stage of super-heavy launch vehicle to ensure flight safety |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2952710B1 (en) | Model-based optimal control for stall margin limit protection in an aircraft engine | |
US2971097A (en) | Control for a semi-solid monofuel driven turboalternator and pump system | |
US9303565B2 (en) | Method and system for operating a turbine engine | |
US11391218B2 (en) | Method and system for setting power of an aircraft engine | |
RU2791158C1 (en) | Method for configuration of the emergency protection system of a liquid rocket engine | |
EP3399171B1 (en) | Method and system for setting fuel flow for engine start as a function of aircraft speed | |
US2953691A (en) | Speed control for auxiliary power supply systems | |
Davis et al. | Variable thrust solid propulsion control using labview | |
US2651911A (en) | Power plant having a common manual control for the fuel valves of the compressor and power turbines | |
Enalou et al. | Nonlinear aircraft engine model for future integrated power center development | |
Petkovic et al. | Modelling the transient behaviour of gas turbines | |
EP3835199A1 (en) | System and method for propeller speed governing | |
US3078668A (en) | Gas generator regulating system | |
RU2800833C1 (en) | Method for adaptive adjustment of controlled parameters of the emergency protection system of a liquid-propellant rocket engine for the first firing test | |
Tudosie | Mathematical model of a two-spool jet engine with coolant injection into the compressor | |
Naderi et al. | Modeling and simulation of staged comubstion cycle LPRE | |
Stekhareh et al. | One dimensional internal ballistics simulation of solid rocket motor | |
Beyene et al. | Comparative analysis of gas turbine engine starting | |
Živković et al. | Experimental Determination of Rocket Motor Internal Ballistic Coefficients and Performance Parameters | |
Lipanov | Calculation of pressure in a solid-propellant rocket motor with the use of a real dependence of the solid propellant burning rate on pressure | |
Shinskey | The power of external reset feedback | |
RU2756558C2 (en) | Method for regulating parameters of liquid propellant engine | |
Ivanov et al. | Pressure control in a semi-closed volume upon combustion of solid propellants with an exponent in the combustion law greater than unity | |
RU2739203C1 (en) | Deep control engine control method | |
Allahverdizadeh et al. | A fuzzy logic controller for thrust level control of liquid propellant engines |