Исследование и разработка системы измерения расхода газообразного рабочего тела для испытательного стенда электроракетного двигателя

• Автор: Гуськов, Константин Викторович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Калининград
• Количество страниц: 184 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА
1.1 Электроракетные двигатели и новые полетные задачи
космических аппаратов
1.2 Стендовая система подачи рабочего тела, ее недостатки
1.3 Анализ результатов испытаний комплектующих и двигателей
1.3.1 Блок газораспределения и комплектующие
1.3.2 Статистический анализ результатов испытаний двигателей
1.4 Принципы и средства определения расхода газа
1.5 Тепловые расходомеры. Термокомпенсация в расходомерах
1.6 Требования к измерительной системе и к показателям
расходомера газа
ГЛАВА 2. МЕТОД АВТОНОМИЗАЦИИ ТЕПЛОВОГО РАСХОДОМЕРА
2.1 Выбор типа термоприемника и определение его параметров
2.2 Конструкция газодинамического тракта
2.3 Принцип работы системы термостабилизации теплоносителя
2.4 Тепловая модель газодинамического тракта
2.5 Теплообменник и расчет его параметров
2.6 Оценка чувствительности системы термостабилизации
ГЛАВА 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ
3.1 Функциональная схема расходомера
3.2 Тепловые модели измерительной системы расходомера
3.2.1 Расходомер постоянной мощности
3.2.2 Расходомер с постоянным температурным напором
3.2.3 Расходомер с задаваемым значением чувствительности
3.2.4 Расходомер переменной мощности
3.3 Оценка тепловой инерции измерительной системы

3.4 Анализ влияния помехосоздающих факторов
ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИЯ РАСХОДОМЕРОВ
4.1 Корпус расходомера
4.2 Фланец
4.3 Теплообменник
4.4 Газораспределительная камера с каналами
4.5 Размещение термистора в канале
4.6 Лабораторная система измерения расхода газа
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
МОДЕЛЕЙ РАСХОДОМЕРОВ
5.1 Исследование схемы резистивного деления напряжения
5.2 Результаты экспериментального исследования расходомеров
5.2.1 Оценка температурной автономности расходомера
5.2.2 Оценка постоянства задаваемых параметров
5.2.3 Расходные характеристики расходомеров
5.2.3.1 Режим постоянной мощности
5.2.3.2 Режим постоянного температурного напора
5.2.3.3 Режим переменной мощности
5.2.4 Исследование ориентационной зависимости
5.3 Анализ результатов и оценка их объективности
5.4 Результаты имитационных экспериментов
5.4.1 Исследование работы расходомера в вакуумной камере
5.4.2 Расходные характеристики ксенона
5.4.3 Учет изменения давления газа на входе в расходомер
5.4.4 Исследование влияния электромагнитной помехи
5.5 Методика выполнения измерений расхода на стенде
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Особенностью динамики полета космического аппарата (КА) является то, что для межорбитальных переходов (изменение высоты, наклонения и других параметров орбиты, перехода с орбиты на траекторию спуска и т.п.) и поддержания определенной ориентации КА в космическом пространстве, он должен иметь бортовую энергосиловую установку (ЭСУ), содержащую энергетическую установку (ЭУ) и реактивную двигательную установку (РДУ).
К бортовым РДУ, работающим в условиях невесомости, предъявляются различные требования по: длительности активного существования (САС), мощности, ресурсу, тяге, суммарному импульсу, величине удельного импульса тяги, точности поддержания тяги и удельного импульса тяги, по величине тяги и ее направлению, количеству включений, импульсу последействия и т.д.
В настоящее время достаточно широко используются двигательные установки, базирующиеся на электроракетных двигателях малой тяги (ЭРД МТ), а сравнительно высокое отношение тяги к мощности, обеспечиваемой ЭРД МТ, является важным фактором в случае, если существен вопрос времени полета КА.
Число задач, решаемых ЭРД, увеличивается, и возрастают требования к тяговым, удельным и ресурсным характеристикам двигателей. В современных технических заданиях на разработку электроракетных двигателей одним из основных является требование обеспечения срока активного существования КА до 12... 15 лет, что возможно при существенном увеличении суммарного импульса и ресурса ЭРД до 6--9-и тысяч часов и более. Кроме того, в перспективных программах в ходе выполнения маневров требуется многорежимность работы ЭРД по мощности, тяге, скорости истечения рабочего тела. Эти требования существенно усложняют и удорожают разработку и создание новых двигателей, что определяет необходимость исследования характеристик уже существующих ЭРД и выявление возможностей улучшения их параметров, а также разработки эволюционных моделей ЭРД для решения новых полетных задач КА, в том числе, - маршевых. Именно поэтому проблемам ЭРД посвящено множество как теоретических [1-15], так и экспериментальных исследований, наиболее значимые из которых приведены в работах [16-61].
Для повышения эффективности КА необходима оптимизация его характеристик, в первую очередь, массовых. Она использует, в частности, оптимизацию по массе или эффективности использования ЭСУ. Определять оптимальную массу ЭСУ удобнее, т.к. имеется больше возможностей для обоснованных оценок массы ее систем - ЭУ и ЭРДУ. К тому же удельные параметры, характеризующие их удельные массы, аддитивны.

5« 5

1520 1570 1620 1670 1720 |уд, с
Рис. 12 Погрешность определения параметров двигателей описывается функцией, не зависящей от расхода с практически нулевой степенью достоверности - 310'5. Разброс параметров большой: по тяге - (6,5 %); по расходу -(9%); по удельному импульсу тяги - (13,2 %).
Рис. 13 Иллюстрация связи между параметрами двигателей
Результаты статистического анализа по объему выборки, обеспечивающей достоверность анализа, представлены в таблице 9. Значения и знак коэффициента асимметрии SK показывают: симметричность плотности распределения тяги - SK(F) ~ 0; левостороннюю асимметричность плотности распределения расхода - SK(G) < 0 и по модулю больше единицы; правостороннюю асимметричность плотности распределения удельного импульса - 0 < SK(IyA) < 2,7. Сопоставление модулей SK показывает, что | SK(IyA) | « 2,5 | SK(G) |, т.е. смещение по удельному импульсу значительно превосходит таковое по расходу. Эксцесс EX(F) < 0, но близок к нему. Эксцессы смещенных распределений больше единицы, а соотношение между ними Ек(1уд) =1,5 EK(G).
Убедиться в слабости связи между FT и G позволяют данные двухпараметрического анализа, приведенные в последних двух столбцах таблицы. Видна слабая связь между тягой и расходом, и довольно хорошая связь между тягой и удельным импульсом тяги, и между расходом и удельным импульсом тяги. Знак “ показывает, что Iya~l/G. Коэффициент совпадения знаков Vc хорошо согласуется с коэффициентом г линейной корреляции (К.Пирсона). Так, r(F,G) » 0, в то время как r(F,IyA) ~ 1, а r(G,Iyjl) < 0,