Главный редактор — д-р техн. наук, проф. В. Ю. Кнеллер
УДК 681.2.08
ПРОБЛЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ТОПЛИВА НА БОРТУ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ
А.Я. Андриенко, С.В. Балакин, С.М. Ломтев, Ю.П. Портнов-Соколов
Описываются этапы ре шенпя проблемы высокото чного измерения уровней компонентов топлива на борту жи д-костных ракет. Изла гается поро гово-дискретный прин цип измерения в задачах управления расхо дованием топлива ракет-носителей. Дается краткий обзор прин ципов построения бортовых датчиков уровня, описыва ются датчики нового типа для перспективных ракет-носителей и их метроло гические характеристики. Особое внимание уделяется повы шению надежности датчиков. Рассматрива ются, главным образом, датчики замкнутых систем управления расхо дованием топлива.
ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
ВВЕДЕНИЕ. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОПРОСА
Проблема точного измерения уровней компонентов топлива на борту жидкостных ракет впервые возникла в начале 1950-х гг. в связи с созданием С.П. Королевым первой межконтинентальной ракеты Р-7. На этой двухступенчатой составной (пакетной) ракете выявилась необходимость синхронизации опорожнения баков с жидкими компонентами топлива. В случае одной пары цилиндрических баков эта задача сводится к минимизации разности относительных высот
уровней 8К = Ко/ К н — Кг/ К н, где индексы "о" и " г" означают окислитель и горючее, а индекс "н" — начальные значения уровней компонентов. Если баки нецилиндрические, то минимизируется разность относительных объемов. Величины Ко и Кг измеряются в полете датчиками системы синхронизации (управления) расходования топлива, а
значения Кн и Кн устанавливаются на стартовой позиции.
Оценки показали, что для приемлемой эффективности системы синхронизации расходования топлива необходимо обеспечить терминальную погрешность не хуже 0,1 %. Это приводит к требованию достижения погрешности измерения уровней не более 0,05...0,07 %. В то время не су-
ществовало датчиков уровня даже лаборатор-но-промышленного, наземного типа с такими метрологическими характеристиками, и возникла проблема поиска новых принципов действия, схем и конструкций датчиков, обеспечивающих требуемую точность в тяжелых условиях на борту летящей ракеты.
Для решения этой проблемы сначала применительно к ракете-лаборатории М5-РД, на которой было предусмотрено испытать новую СОБ, была организована масштабная научно-исследовательская работа с выходом на опытные образцы системы. Постановлением правительства от 1954 г. были определены сроки выполнения задания и исполнители: Институт автоматики и телемеханики (ИАТ) АН СССР (ныне ИПУ РАН), Акустический институт (АКИН) АН СССР и НИИ-88 (ОКБ-1) Миноборонпрома. Цель работы состояла в выборе принципов построения и создании опытных образцов беспоплавковых датчиков уровня. Общее руководство осуществлял чл.-корр. АН СССР проф. Б.Н. Петров (ИАТ), ответственные исполнители — д-р техн. наук Ю.М. Сухаревский (АКИН) и кандидаты техн. наук Ю.П. Портнов-Соколов (ИАТ) и И.И. Уткин (НИИ-88).
Были рассмотрены различные ультразвуковые и емкостные методы измерения уровней, как диск-
ретные, так и непрерывные. В ИАТ исследовался емкостной дискретный ЧЭ в широком диапазоне температур компонента (керосина), был рассмотрен эндовибраторный метод измерения уровней, основанный на оценивании резонансной частоты бака по мере его опорожнения. Позже в ИАТ были начаты работы по высокочастотному методу, предусматривающему введение в бак многорезонансной системы в виде многоузловой линии, распределенной в объеме бака.
Для разработки аппаратной реализации СОБ было привлечено ОКБ-12 Минавиапрома под руководством А.С. Абрамова, где ведущим специалистом по созданию системы СОБ стал Г.С. Маслов. В ОКБ-12 разрабатывался свой электромеханический вариант датчика уровня СОБ с "активным" поплавком.
Рассматривался также радиоактивный метод измерения, на основе которого в НИИ "Тепло-прибор" под руководством Г.Г. Иордана быш создан стационарный датчик уровня. Однако сложность конструкц ии не позволила использовать е го на борту летящей ракеты.
В результате проведенных работ по созданию опытных образцов и сравнительного их анализа для применения в системе СОБ ракеты М5-РД был выбран дискретный емкостной датчик с не-дублированными ЧЭ и мостовой цепью для получения сигнала. Этот датчик был разработан в НИИ-88 К.И. Марксом под руководством Б.Е. Чер-тока. Усилитель-преобразователь для датчика был разработан в ОКБ-12.
При создании первых бортовых датчиков СОБ возникла проблема, без решения которой было невозможно использовать датчики на борту летящей ракеты. Ее суть состояла в поиске методов
минимизации колебаний жидкости в зоне измерения уровней в полете.
Сотрудник М.В. Келдыша канд. физ.-мат. наук Д.Е. Охоцимский, ныне действительный член РАН, решил эту проблему. Он аналитически исследовал процессы движения жидкости в баке, и предложил изящный метод резкого снижения амплитуды колебаний жидкости в зоне установки ЧЭ за счет разнесения частот колебаний в баке и в измерительной трубе с ЧЭ: было предложено дополнить измерительные трубы, содержащие ЧЭ уровнемера, горизонтальными отростками труб ("усами"), размещаемыми у днища бака. Влияние приведенной массы жидкости, протекающей в этих тонких трубах (существенно меньшего диаметра, нежели основная труба, и сравнительно большой длины), приводило к снижению частоты колебаний в измерительной трубе. Предложенный гидромеханический фильтр позволил решить задачу "успокоения" в измерительном тракте датчиков СОБ и был впервые применен на ракете М5-РД. Этот "успокоитель" стал неотъемлемой частью всех жидкостных ракет с уровнемерными СУРТ.
Созданный емкостной датчик совместно с успокоителем был испытан в филиале НИИ-88 на "холодном" стенде с качанием бака, и после лабораторной и стендовой отработки был допущен к летным испытаниям в составе СОБ ракеты М5-РД на полигоне в Капустином Яру (1955—1956 гг.). Он и послужил прототипом для датчиков ракеты Р-7.
С появлением в ракетной технике горячего (газогенераторного) наддува баков емкостные ЧЭ стали для некоторых КТ неприемлемыми. Например, для такого горючего, как диметилгидразин, газы наддува придавали верхнему слою компонента свойство электропроводности. Пришлось обратиться к поплавковым датчикам индуктивного типа. Была предложена и реализована оригинальная конструкция поплавка в виде набора нескольких плавающих тонкостенных шариков из ферромагнитного материала. Опускаясь в трубе и проходя мимо катушки индуктивности, шарики генерировали в ней сигнал о прохождении катушки уровня КТ. Надежность обеспечивалась избыточностью шариков-поплавков (например, в одной из реализаций датчика допускался выход из строя четырех из шести шариков).
Особые трудности возникли при построении уровнемеров для криогенных КТ ракеты — комбинации ЖО2 и ЖН2. Надежно работающие в некриогенных компонентах, характерных для межконтинентальных баллистических ракет, индуктивные поплавковые датчики потребовали длительной и тяжелой отработки применительно к условиям эксплуатации на ЖО2. Сказалась малая информи-
Список сокращений БД — блок датчиков БКС — бортовая кабельная сеть ДДУ — дискретный датчик уровня ДУЗ — датчик уровня заправки ЖН2 — жидкий водород ЖО2 — жидкий кислород ИТ — измерительная точка КТ — компонент топлива РН — ракета-носитель СИ — система измерений СОБ — система регулирования опорожнения баков
СУ — система управления
СУРТ — система управления расходованием
топлива
УСУРТ — уровнемер системы управления расходованием топлива Э — чувствительный элемент
рованность об изменении свойств магнитных материалов при температурах ниже —100 °С. Но в конечном итоге быша обеспечена надежность действия индуктивных датчиков в ЖО2. Что же касается ЖН2, то из-за весьма низкой плотности этого
компонента (~0,07 г/см3) оказалось невозможным изготовить достаточно прочные шарики-поплавки.
В ракетной технике наших дней и в перспективных проектах приняты два принципа построения ЧЭ уровнемеров СУРТ — индуктивный и емкостной. В настоящей статье, посвященной в основном измерениям в криогенных КТ, главное внимание уделяется емкостным датчикам нового типа, отличающимся от датчиков ракет семейства Р-7 повышенной надежностью за с чет аппаратного троирования ЧЭ. Рассматриваются уровнемеры, в которых реализуется порогово-дискретный принцип измерения управляемой координаты.
Другая область применения бортовых датчиков уровня, кроме СУРТ — системы заправки ракеты компонентами топлива. Здесь не требуется столь высокая точность, как в СУРТ, поскольку, в частности, погрешности датчиков в значительной мере компенсируются (как возмущения) системой управления расходованием топлива. Ниже рассматриваются новые высоконадежные емкостные датчики контроля уровня системы заправки, допускающие вариацию номинального уровня заправляемого топлива до 1 м (для крупных РН типа "Энергия") и выполненные в виде коаксиальных секционированных труб в дублированном варианте.
ПОРОГОВО-ДИСКРЕТНЫЙ ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОВАНИЕМ ТОПЛИВА
Важнейший шаг в решении проблемы высокоточного управления расходованием топлива жидкостных РН быи сделан в 1950-х гг., когда в основу действия бортовых уровнемеров быш положен по-рогово-дискретный принцип измерения. Его суть состоит в следующем.
В процессе управления техническим объектом с несколькими координатами [(и), п = 1, 2, ..., 1 относительно их программных значений, задавае-мы1х в виде монотонных функций текущего времени Х(п) = )п(/), п = 1, 2, ..., 1, каждый п-й датчик системы фиксирует момент времени п) достижения координатой [(п) заданного порогового
значения п) = )п(?г), где = 1, 2, ..., I, некоторая выбранная временная последовательность (/соответствует конечному моменту времени управления).
Рис. 1. Формирование значений координаты объекта управления системы регулирования опорожнения баков
При отсутствии ошибок измерений и возмущений соблюдаются равенства ?-п) = ?г-, п = 1, 2, ..., 1; / = 1, 2, ...,
В реальных условиях вследствие действия возмущений возникают отклонения величин
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.