Устройство для автоматического запуска и останова кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя

 

Использование: в автоматических устройствах управления жидкостными ракетными двигателями в режимах запуска и останова. Сущность: устройство, содержащее блок 1 формирования управляющих команд, два согласующих блока 2 и 3, два широтно-импульсных преобразователя 4 и 5, два электронных коммутатора 6 и 7, два усилительных устройства 8 и 9, два шаговых двигателя 10 и 11, позволяет расширить функциональные возможности и упростить устройство. 4 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к ракетно-космический технике, а более конкретно к автоматическим устройствам управления жидкостного ракетного двигателя на режимах запуска и останова.

До настоящего времени обеспечение запуска и останова (выключения) ЖРД реализовалось путем выбора определенной последовательности команд на срабатывание пуско-отсечных клапанов (Федосьев В.И. Основы техники ракетного дела. М. Наука, 1981, с.135, рис.3.20), В этом случае протекание процесса запуска (останова) между двумя последовательными командами может идти произвольно и при резком изменении внешних и внутренних факторов может возникнуть аварийная ситуация. Особенно положение усложняется для кислородно-водородного ЖРД, где при запуске из-за этого возникает превышение допустимой величины температуры генераторного газа, поступающего на турбину ТНА и происходит выход из строя турбины.

Прототипом предлагаемого автоматического устройства запуска и останова кислородно-водородного ЖРД является двухканальное устройство управления, каждый канал которого состоит из микропроцессора, усилительного устройства (транзисторного коммутатора), шагового двигателя. Связи между усилительным устройством (транзисторным коммутатором) и шаговым двигателем и их количество (восемь выходов усилительного устройства соединены с восемью входами шагового двигателя) показаны на с. 93, рис.4.17.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей и упрощение устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для автоматического запуска и останова кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя, состоящее из двух усилительных устройств, и двух шаговых двигателей, при этом восемь выходов первого усилительного устройства соединены с восемью входами первого шагового двигателя, а восемь выходов второго усилительного устройства соединены с восемью входами второго шагового двигателя, введены двухканальный блок формирования управляющих команд, два блока согласования, два широтно-импульсных преобразователя и два электронных коммутатора, при этом выходы блока формирования управляющих команд соединены со входами первого и второго блоков согласования соответственно, выходы первого и второго блоков согласования соединены со входами первого и второго широтно-импульсных преобразователей cоответcтвенно, два выхода каждого широтно-импульcного преобразователя соединены с двумя входами соответствующего электронного коммутатора, четыре выхода каждого электронного коммутатора связаны с четырьмя входами соответствующего усилительного устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 схема одного канала двухканального блока формирования управляющих команд; на фиг. 3 схема согласующего блока; на фиг.4 устройство широтно-импульсного преобразователя; на фиг. 5 схема электронного коммутатора; на фиг.6 состав усилительного устройства; на фиг.7 электрическая схема шагового двигателя.

Предложенное устройство содержит: блок 1 формирования управляющих команд, два согласующих блока 2 и 3, два широтно-импульсных преобразователя 4 и 5, два электронных коммутатора 6 и 7. два усилительных устройства 8 и 9, два шаговых двигателя 10 и 11, причем выходы блока формирования управляющих команд 1 соединены с входами блоков 2 и 3, выходы которых связаны с входами преобразователей 4 и 5 соответственно, два выхода каждого преобразователя 4 и 5 соединены с двумя входами электронных коммутаторов 6 и 7 соответственно, четыре выхода каждого электронного коммутатора соединены с четырьмя входами усилительных устройств 8 и 9 соответственно, восемь выходов каждого усилительного устройства связаны с восемью входами шаговых двигателей 10 и 11 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

За некоторое время до запуска кислородно-водородного ЖРД привод системы регулирования кажущейся скорости (РКС) устанавливается в положение ϕ₁^о а привод системы регулирования соотношения компонентов (РСК) в положение ϕ₂^о После выработки СУ команды на запуск ЖРД в момент t_зап и при достижении давления в камере сгорания 30 40% от номинала, в момент t_зап+ t₁ в блоке 1 формируются два кода. Первый код пропорционален повороту привода РКС, а второй повороту привода РСК. В каждом такте работы блока 1 коды пересылаются в согласующие блоки 2 и 3. После преобразования в ШИМ сигналы поступают на входы широтно-импульcных преобразователей 4 и 5 и далее на входы электронных коммутаторов 6 и 7. С выходов электронного коммутатора 6 сигнал через усилительное устройство 8 поступает на шаговый двигатель 10, который переводит привод РКС в номинальное положение (задается в полетном задании). С выходов электронного коммутатора 7 сигнал через усилительное устройство 9 поступает на шаговый двигатель 11, который поворачивает привод РСК для поддержания заданного соотношения компонентов (задается в полетном задании).

В конце активного участка система управления выдает команду на останов ЖРД, по которой в блоке формирования управляющих команд формируются два кода. Первый код пропорционален повороту привода РКС, а второй повороту привода РСК. Эти коды тем же путем, что и при запуске ЖРД, попадут на шаговые двигатели 10 и 11.

Шаговый двигатель 10 переводит привод РКС в ϕ₁^о а шаговый двигатель 11 будет поворачивать привод РСК для поддержания массового соотношения компонентов в заданном диапазоне. После перевода привода РСК в ϕ₁^o вырабатывается команда на полное перекрытие топливных магистралей и происходит полный останов (выключение) ЖРД.

Каждый канал блока 1 формирования управляющих команд состоит из трех регистров 12 14, четырех сумматоров 15 18, двух инверторов 19 и 20, двух компараторов 21 и 22, трех элементов И 23 25 и элемента модуль 26, причем выход регистра 12 связан с входами сумматоров 15 и 16, выход сумматора 15 связан с входом регистра 12, выход регистра 13 связан с входом сумматора 16 через инвертор 19, выход сумматора 16 связан с первым входом цифрового компаратора 21 через элемент 26 получения модуля, а также с входом элемента И 23, выход регистра 14 связан со вторым входом компаратора 21, а также с входами элементов И 24 и через инвертор 20 с 25, первый выход компаратора 21 связан с входом элемента И 23, а второй выход с входами элементов И 24 и 25, первый вход цифрового компаратора 22 связан с выходом регистра 12, а второй с выходом регистра 13, первый выход компаратора 22 связан с входом элемента И 24, а второй выход с входом элемента И 25, выходы элементов И 24 и 25 связаны с входами сумматора 17, выход которого связан с входом сумматора 18, выход элемента И 23 связан с входом сумматора 18, выход которого связан с входом сумматора 15 и выходом всего блока 1.

Схема (фиг.2) работает следующим образом.

В регистры 12, 13 и 14 вводятся начальные значения соответственно ϕ₁^o, ϕ₁^п,ϕ_лΔ, являющиеся константами, где ϕ₁^o код, характеризующий положение привода РКС в начальный момент, ϕ₁^п код, характеризующий положение привода РКС в режиме номинальной тяги, ϕ₁Δ код, эквивалентный максимальному углу поворота привода РКС за один такт. С выхода регистра 12 сигнал о текущем положении привода РКС ϕ₁^* в виде кода поступает на вход сумматора 16 и на вход сумматора 15, на второй вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 18 ϕ₁^вых Выход с сумматора 15 ϕ₁^*+ ϕ₁^вых идет на вход регистра 12. На второй вход сумматора 16 поступает сигнал с регистра 13 через инвертор 19 ϕ₁^п. Выход с сумматора 16 ϕ^*₁ ϕⁿ₁ попадает на элемент И 23, а также через элемент 26, преобразуяcь в| попадает на первый вход компаратора 21, на второй вход которого приходит ϕ₁Δ с регистра 14. Если ≅ ϕ^Δ₁ то с первого выхода компаратора 21 сигнал идет на вход элемента И 23 и на сумматор 18 идет сигнал . Если > ϕ^Δ₁ то со второго выхода компаратора 21 сигнал идет на входы элементов И 24 и 25. Сигнал ϕ₁Δ с регистра 14 попадает на вход элемента И 24, а через инвертор 20 на элемент И 25. В компараторе 22 происходит сравнение величин ϕ₁^* с регистра 12 и ϕ₁^п с регистра 13. Если ϕ₁^*≥ϕ₁^п то сигнал поступает на элемент И 24, в противном случае на элемент И 25. При условии ≥ ϕ^Δ₁ на сумматор 17 поступает сигнал: или ϕ₁Δ с элемента И 24 при ϕ₁^*≥ϕ₁^п, или ϕ₁Δ,c элемента И 25 при ϕ₁^*<ϕ₁^п На выходе сумматора 17 будем иметь сигнал ϕ^Δ₁· sgn , поступающий на сумматор 18, с которого сигнал ϕ₁^выхидет на выход блока 1, а также на сумматор 15.

Каждый согласующий блок фиг. 3 состоит из последовательно соединенных регистра приема 27, рабочего регистра 28, компаратора 29, триггера 30 и вентиля 31, второй вход которого соединен с выходом источника питания 32, а выход с выходом согласующего блока. Первый выход задатчика тактовых импульсов 33 соединен со вторым входом регистра приема 27, первый вход которого соединен со входом согласующего блока, второй выход задатчика тактовых импульcов cоединен cо вторым входом триггера 30, а третий выход соединен через счетчик 34 со вторым входом компаратора 29.

Согласующий блок работает следующим образом.

Из блока 1 формирования управляющих команд на регистр приема 27 поступает цифровой код. По сигналу от задатчика тактовых импульсов 33 этот код пересылается в рабочий регистр 28. По этому же сигналу запускается счетчик 34 и переключается триггер 30, который в свою очередь открывает вентиль 31, в результате чего по цепи начинает идти ток от источника питания 32. В компараторе 29 происходит сравнение содержимого рабочего регистра 28 и счетчика 34. В момент их совпадения сигнал с выхода компаратора 29 меняет знак и триггер 30 закроет вентиль 31. Следовательно, время в такте, в течение которого в цепи идет ток, будет пропорционально коду, поступившему из блока 1.

Каждый широтно-импульсный преобразователь фиг.4 состоит из триггера 35, вход которого соединен со входом широтно-импульсного преобразователя, а выход через вентиль 36 соединен со входом счетчика 37, два выхода которого соединены с выходами широтно-импульсного преобразователя соответственно, второй вход вентиля 36 соединен с выходом задатчика частоты 38.

Широтно-импульсный преобразователь работает следующим образом.

Ненулевой сигнал ШИМ поступает на триггер 35, который открывает вентиль 36, и импульсы от задатчика частоты 38 начинают поступать на счетчик 37. Когда количество импульсов достигает емкости счетчика 37, с одного из двух выходов счетчика поступает импульс, а содержимое счетчика обнуляется. В момент, когда сигнал ШИМ становится нулевым, триггер 35 перекроет вентиль 36 и импульсы от задатчика частоты 38 прекращают поступать на счетчик 37. Выбор выхода счетчика 37 определяется величиной ШИМа, поступающего на вход блока.

Каждый электронный коммутатор фиг.5 состоит из четырех элементов И 39 42 первой группы, четырех элементов И 43 46 второй группы, четырех элементов ИЛИ 47 50 и двух триггеров 51 и 52, причем первые входы элементов И 39 42 первой группы связаны параллельно с первым входом электронного коммутатора, а выходы соединены соответственно с первыми входами элементов ИЛИ 47 50. Первые входы элементов И 43 46 второй группы связаны параллельно с вторым входом электронного коммутатора, а выходы соединены соответственно со вторыми входами элементов ИЛИ 47 50.

Выход элемента ИЛИ 47 связан с первым входом плеча триггера 51, а выход элемента ИЛИ 48 с вторым входом плеча этого же триггера. Выход элемента ИЛИ 49 связан с первым входом плеча триггера 52, а выход элемента ИЛИ 50 с вторым входом плеча этого же триггера. Первый выход плеча триггера 51 идет на первый выход блока (далее на управление фазы первого шагового двигателя (ШД)) и связан с вторыми входами элементов И 44, 45, 40 и 42. Второй выход плеча триггера 51 идет на второй выход блока (далее на управление фазы второго ШД) и связан с вторыми входами элементов И 43, 45, 39 и 41. Первый выход плеча триггера 52 идет на 3 выход блока (далее на управление фазы третьего ШД) и связан с третьими входами элементов И 44, 46, 39 и 42. Второй выход плеча триггера 52 идет на четвертый выход блока (далее на управление фазы четвертого ШД) и связан с третьими входами элементов И 43,45,40 и 41.

Электронный коммутатор работает следующим образом.

Допустим, что в исходном состоянии открыты первые выходы плеча триггера 51 и вторые выходы плеча триггера 52, т.е. получают питание фазы первые и четвертые ШД. Очередной импульс, появившийся на первом входе блока, пройдет через элемент И 40, имеющий на втором и третьем входах сигналы с первых выходов плеча триггера 51 и второго плеча триггера 52. Затем он пройдет на элемент ИЛИ 48 и поступит на второй вход плеча триггера 51. В новом устойчивом положении триггеров единичный сигнал будет поступать с вторых выходов плеча триггера 51 и вторых выходов плеча триггера 52, в результате чего получат питание вторые фазы и четвертые ШД.

Электронный коммутатор обеспечивает при подаче импульсов по первому входу блока чередование фаз 1,4 4,3 2,3 3,1 1,4 при подаче импульсов по второму входу блока, 4,1 1,2 3,2 2,4 4,1 -. тем самым осуществляется движение шагового двигателя.

К числу известных блоков также относятся усилительное устройство и шаговый двигатель (Брандина Е.П. Леонтьев В.В. и Пусина Т.Ю. Шаговые электродвигатели. Л. Северо-Западный заочный политехнический институт, 1986).

Усилительное устройство (фиг. 6) состоит из четырех тиристоров 53 56, связанных с минусом источника питания, подведенного к входу 57. Каждый управляющий вход тиристоров связан с cоответcтвующим входом блока. Первый вход блока cвязан c тиристором 53, второй с 54, третий с 55 и четвертый с 56. Тиристор 53 связан с диодом 58, связанным с плюсом источника питания, подведенного к входу 59, и вторым выходом блока, а также через емкость 60 с выходом тиристора 54 и первым выходом блока. Тиристор 54 связан с третьим выходом блока, а также с диодом 61, связанным с входом 59 и четвертым выходом блока. Тиристор 55 связан с диодом 62, связанным с входом 57 и шестым выходом блока, а также через емкость 63 с выходом тиристора 56 и пятым выходом блока. Тиристор 56 связан с седьмым выходом блока, а также с диодом 64, связанным с входом 59 и восьмым выходом блока.

Усилительное устройство работает следующим образом.

Сигналы от электронного коммутатора поступают через первые четвертые входы на тиристоры 53 56, вызывая появление напряжения на выходах усилительного устройства в случае единичного сигнала и снятие напряжения в случае нулевого сигнала. Включение диодов вызвано необходимостью защиты обмоток ШД от перенапряжений, индуцируемых в соответствии с законом Ленца, при отключении работающего тиристора.

Электрическая схема шагового двигателя приведена на фиг. 7. Она включает обмотки 4 фаз. Первые и вторые входы служат для запитки фазы 1, третьи и четвертые фазы 2, пятые и шестые входы фазы 3, седьмые и восьмые фазы 4.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАПУСКА И ОСТАНОВА КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОГО ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ, состоящие из двух усилительных устройств и двух шаговых двигателей, при этом восемь выходов первого усилительного устройства соединены с восемью входами первого шагового двигателя, а восемь выходов второго усилительного устройства соединены с восемью входами второго шагового двигателя, отличающееся тем, что в него введены двухканальный блок формирования управляющих команд, два блока согласования, два широтно-импульсных преобразователя и два электронных коммутатора, при этом выходы блока формирования управляющих команд соединены с входами первого и второго блоков согласования, выходы первого и второго блоков согласования связаны с входами первого и второго широтно-импульсных преобразователей соответственно, два выхода каждого широтно-импульсного преобразователя соединены с двумя входами соответствующих электронных коммутаторов, четыре выхода каждого электронного коммутатора соединены соответственно с четырьмя входами соответствующего усилительного устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый канал двухканального блока формирования управляющих команд состоит из трех регистров, четырех сумматоров, двух инверторов, двух компараторов, трех элементов И и элемента МОДУЛЬ, причем выход первого регистра соединен с первыми входами первого и второго сумматоров и второго компаратора, выход второго регистра соединен с вторым входом второго компаратора и через первый инвертор - с вторым входом второго сумматора, выход второго сумматора подключен к первому входу первого элемента И и через элемент МОДУЛЬ к первому входу первого компаратора, выход третьего регистра соединен с вторым входом первого компаратора, первым входом второго элемента И и через второй инвертор - с первым входом третьего элемента И, первый выход первого компаратора соединен с вторым входом первого элемента И, второй соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И, первый выход второго компаратора соединен с третьим входом второго элемента И, второй соединен с третьим входом третьего элемента И, выходы второго и третьего элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом четвертого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход - с вторым входом первого сумматора и с выходом блока формирования управляющих команд, выход первого сумматора соединен с входом первого регистра, а входы второго и третьего регистров - с входами формирователя управляющих команд.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из согласующих блоков состоит из последовательно соединенных регистра приема, рабочего регистра, компаратора, триггера и вентиля, второй вход которого соединен с выходом источника питания, а выход - с выходом согласующего блока, первый выход задатчика тактовых импульсов соединен с вторым входом регистра приема, первый вход которого соединен с входом согласующего блока, второй выход задатчика тактовых импульсов соединен с вторым входом триггера, а третий выход соединен через счетчик с вторым входом компаратора.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый широтно-импульсный преобразователь состоит из триггера, вход которого соединен с входом широтно-импульсного преобразователя, а выход через вентиль соединен с входом счетчика, два выхода которого соединены с выходами широтно-импульсного преобразователя соответственно, второй вход вентиля соединен с выходом задатчика частоты.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый электронный коммутатор состоит из первой группы из четырех элементов И, связанных параллельно с первым входом электронного коммутатора, второй группы из четырех элементов И, связанных параллельно с вторым входом электронного коммутатора, четырех элементов ИЛИ, двух триггеров, причем выходы первых элементов И в первой и второй группах связаны соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выходы вторых элементов И в первой и второй группах связаны соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выходы третьих элементов И в первой и второй группах связаны соответственно с первым и вторым входами третьего элемента ИЛИ, выходы четвертых элементов И в первой и второй группах связаны соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента ИЛИ, выходы первого и второго элементов ИЛИ связаны соответственно с первым и вторым плечами первого триггера, выходы третьего и четвертого элементов ИЛИ связаны соответственно с первым и вторым плечами второго триггера, выход с первого плеча первого триггера соединен с первым выходом электронного коммутатора, а также с вторыми входами второго и третьего элементов И из первой группы и второго и четвертого элементов И из второй группы, выход с второго плеча первого триггера соединен с вторым выходом электронного коммутатора, а также с вторыми входами первого и четвертого элементов И из первой группы и первого и третьего элементов И из второй группы, выход с первого плеча второго триггера соединен с третьим выходом электронного коммутатора, а также с третьими входами второго и четвертого элементов И из первой группы и первого и четвертого элементов И из второй группы, выход с второго плеча второго триггера соединен с четвертым выходом электронного коммутатора, а также с третьими входами первого и третьего элементов И из первой группы и второго и третьего элементов И из второй группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7