книги / Оптимизация параметров РДТТ и топливных зарядов при автоматизированном проектировании летательных аппаратов

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование современных летательных аппаратов (ЛА) является многоэтапным итеративным процесЬоМ, базирующимся на принципах системного подхода и реализуемым благодаря ис­ пользованию метода последовательной субоптимизации. Одним из этапов этого процесса является этап разработки техническо­ го предложения, на котором решается задача общего проектиро­ вания ЛА -выбираю тся общая концепция, облик и основные кон­ структивно-баллистические параметры ЛА, удовлетворяющие тре­ бованиям технического задания (ТЗ). При этом в соответствии с методом последовательной субоптимизации сравнение альтер­ нативных вариантов ЛА и параметрические исследования позво­ ляют выбрать оптимальные, с точки зрения принятого критерия облик и параметры ЛА.

Как известно, характеристики ЛА зависят от характеристик (облика и параметров) входящих в него подсистем-блоков бор­ тового оборудования, двигательной установки, агрегатов плане­ ра и т.п., которые зависят в свою очередь от требований, предъ­ являемых к ним. Требования же к подсистемам ЛА формируют­ ся в результате решения задачи общего проектирования ЛА. Таким образом, в начале проектирования ЛА характеристики его подсистем приходится задавать JB первом приближении на осно­ вании статистических данных, эвристических оценок и прикидочных расчетов. После решения задачи общего, проектирования ЛА и выработки требований к. подсистемам характеристики послед­ них уточняются и оптимизируются в соответствии с методом последовательной субоптимизации; одновременно могут корректи­ роваться ТЗ на ЛА, после чего задача общего проектирования решается в следующем приближении, если это необходимо.

Описанный выше процесс включает в себя огромный объем расчетов по готовым алгоритмам, некоторые чертежные и дру­ гие чисто технические работы. Поэтому практическая реализа-

Постановка задачи. Критерий и метод оптимизации. Оптимиза­ цию параметров РДТТ и топливных за радов в соответствии с методом последовательной субоптимизации следует проводить пос­ ле формирования требований к характеристикам двигательной установки на основе решения задачи общего проектирования ЛА. При оптимизации параметров ЛА на этапе общего проектирова­ ния широкое распространение получил весовой критерий, в соот­ ветствии с которым стартовая масса ЛА для оптимальных пара­ метров минимальна. В качестве дисциплинирующего условия при этом используются граничные условия полета ЛА, задаваемые при баллистическом проектировании. Обычно эти граничные усло­ вия задаются как требуемое время полета по заданной траекто­ рии или требуемая скорость в некоторой точке расчетной траек­

тории [ 1 ] .

Рассмотрим в качестве примера структуру формулы старто­ вой массы одноступенчатого ЛА с РДТТ из СпП, используемой в С А П Р -602:

варьируя параметры ДУ, мы изменяем массу ЛА, но, во-первых, вместе с этим меняются его размеры, а значит, и аэродинами­ ческие характеристики, что, в свою очередь, приводит при бал­ листическом проектировании ЛА к дополнительному изменению

(даже в том случае, если удельная тяга не меняется); во-вторых, изменение стартовой массы оказывает влияние на относительную м ассу конструкции других агрегатов ЛА ((*кон) .

Анализ весовых формул, по которым рассчитываются состав­

местное решение при значительном числе варьируемых парамет­

ров (в принципе оптимизируются не только параметры ДУ) ста­ новится чрезвычайно громоздким'и трудоемким, а в некоторых случаях и невозможным.

С другой стороны, математические модели подсистем ЛА, используемые при его общем проектировании (например, весовые формулы), обычно носят приближенный характер, поэтому такое совместное решение также будет приближенным (в зависимости от точности используемых модулей). Так, например, в САПР- 6 0 2 при общем проектировании ЛА для расчета удельного им­ пульса тяги и тяговооруженности РДТТ используется специаль­

приближенные значения рассчитываемых параметров, особенно в случае расчета сложных в газодинамическом Отношении однока­

не учитывающих конструктивные и баллистические особенности некоторых схем РДТТ. Метод последовательной субоптимизации позволяет обойти указанные трудности. В соответствии с ним при оптимизации параметров РДТТ будем пренебрегать их кос­ венным влиянием на аэродинамические и массовые характеристи­ ки ЛА и других его агрегатов. Учет этого влияния осуществляет­ ся при решении задачи общего проектирования в следующем при­ ближении с учетом параметров РДТТ, полученных при их опти­ мизации. Такой подход к решению задачи позволяет, во-первых, использовать для оптимизации параметров РД ТТ и топливных зарядов более точные и строгие математические мо­ дели, во-вторых, упростить критерий оптимизации и дисциплини­ рующие условия. Действительно, если не учитывать влияние па­

Адекватными дисциплинирующими условиями при такой схеме оп­ тимизации являются неизменность определенных при общем про­ ектировании ЛА калибра, тяги и времени работы РДТТ (для двух­ режимных РДТТ на каждом режиме).

Итак, в рассматриваемых ниже методиках оптимизации пара­ метров РДТТ и топливных зарядов будем исходить из того, что считаются заданными внешние характеристики РДТТ и условия его работы ( тип и конструктивная схема РДТТ, калибр камеры, тяга и время работы на каждом режиме, характеристики атмос­ феры и траектории ЛА). Будем считать также выбранными при общем проектировании ЛА характеристики конструкционных ма-

териалов и твердых топлив. При оптимизации параметров РДТТ для газодинамического расчета двигателей используются специ­ альные программные модули С А П Р -602: СпП GURJJ1 и G JJRJJ2

[ 4 ] соответственно для расчета однорежимных и двухрежимных однокамерных РДТТ. Эти подпрограммы построены по уточнен­ ным газодинамическим моделям, базирующимся на обычно ис­ пользуемых при расчете гипотезах квазиоднородности и квази­ стационарности газодинамических процессов в РД ТТ, а также предполагают постоянство газодинамических параметров РДТТ на каждом из режимов работы.

Расчет топливных зарядов для оптимизируемых РДТТ произ­

кие размеры и условия заряжания в камере РДТТ для типовых зарядов. В качестве характеристики условий заряжания топлив­ ных зарядов в этих СпП принята максимальная приведенная ско­ рость газового потока в канале заряда, которая не должна пре­ вышать заданной величины.

В рассматриваемых методиках оптимизации варьируемыми параметрами являются номинальное давление в камере РДТТ, степень расширения сопла и форма топливного заряда. Для^двухрежимных РДТТ эти характеристики определяются для каждого режима.

Оптимизация проводится по критерию минимальной массы РДТТ с заданными внешними характеристиками.

Указанные параметры в рассматриваемой постановке задачи оказывают наиболее существенное влияние на массу РДТТ. Из­ менение давления в камере двигателя, воздействуя на величину удельного импульса тяги, приводит к изменению массы топлива, необходимого для обеспечения требуемых внешних характеристик РДТТ; с другой стороны, влияя на толщину стенок камеры, пло­ щадь критического сечения и некоторые другие элементы РДТТ

изменяет массу конструкции РДТТ.

Кроме этих прямых связей необходимо учитывать также косвенное влияние давления на массовые характеристики дви­ гателя.Действительно,изменение давления в камере приводит к тому,что скорость горения твердотопливного заряда,а следова­ тельно, и свод горения топливной шашки,необходимый для горе­ ния ее в течение требуемого времени,становятся другими.Изменение же свода горения топливного заряда влияет на коэффи­