НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПИТАНИЯ

Системы питания ЛА с ЖРД предназначены для подачи компонентов топлива в двигатель под определенным давлением. Обычно система питания включает топливные системы (системы окислителя и горючего), системы наддува топливных баков, а при больших запасах топлива — и систему одновременного опорожне­ния баков (СОБ). Элементами топливных систем являются баки, трубопроводы, фланцевые, ниппельные и спарны. е соединения тру­бопроводов, коллекторы, компенсаторы сильфонного типа, датчики уровней компонентов в баках, разделительные мембранные клапа­ны, заправочно-сливные клапаны и вентили.

В состав систем наддува в зависимости от их типа и принципи­альной схемы входят газогенераторы, смесители или теплообменни­ки (испарители), баллоны с запасом сжатого газа, электропневмо­клапаны, пироклапаны, дренажно-предохранительные клапаны, мембранные клапаны, реле давления и др., а также трубопроводы и их ниппельные или сварные соединения. Элементы СОБ конструк­тивно входят в различные системы: в топливную систему (датчики уровней), в систему управления (усилительно-преобразовательные и командные приборы) и двигатель (исполнительные органы). Они должны учитываться в ССН соответствующих систем. Поэтому рас­смотрим здесь СОБ лишь с точки зрения параметрической надеж­ности.

Таким образом, в состав системы питания обычно входят все че­тыре вида элементов (см. § 1.2); они могут находиться в рабочем режиме и в режиме хранения, а следовательно, для расчета струк­турной надежности необходимо воспользоваться зависимостью

(3.1) . В качестве примера на рис. 3.3 изображена принципиальная схема топливной системы ступени «Аджена» ракеты-носителя [16] и составлена соответствующая ей ССН.

Часто топливные баки являются несущими, т. е. частью корпуса ЛА. Тогда их можно отнести в ССН корпуса. Надежность баков и трубопроводов как элементов конструкции рассчитывают метода­ми, изложенными в гл. II. Об интенсивностях отказов других эле­ментов можно в первом приближении судить по данным, получае­мым при стендовых испытаниях.

Основные отказы системы питания — негерметичность и утрата работоспособности элементов, в частности несрабатывание или са­мопроизвольное срабатывание. Негерметичность особенно опасна, если компоненты топлива самовоспламеняемы или токсичны. Для ряда элементов характерно наличие нескольких видов отказов. Так,

отказами электропневмоклапанов могут быть негерметичность в за­крытом положении, неоткрытое при подаче напряжения, самопро­извольное закрытие под напряжением, незакрытое при снятии напряжения; отказами дренажно-предохранительных клапанов — негерметичность при давлении, меньшем давления настройки, неот­крытое под давлением, превышающим давление настройки, или при подаче управляющего давления; отказами мембранных клапанов — прорыв мембраны при давлении, меньшем расчетного, и непрорыв при подаче расчетного давления; отказами нормально замкнутых

реле давления — размыкание контактов без давления или замыка­ние под давлением. При необходимости в число «фиктивных» эле­ментов ССН можно включить отдельные дефекты одного и того же клапана: заклинивание подвижных деталей, поломку или снижение жесткости пружин, негерметичность уплотнений и т. п.

Параметром состояния топливной системы является давление Рвх на входе в насос двигателя, ограниченное снизу величиной ртр из условия его бескавитационной работы. Согласно уравнению Бернулли для потока жидкости в магистрали

Рм=РБ + g&nji — PV*J2 — Ар, (3.14).

где рБ—давление наддува бака; go — ускорение силы тяжести у поверхности Земли; р — плотность жидкости; пх — коэффициент продольной перегрузки; h — высота столба жидкости в магистрали и баке; VHx —скорость жидкости на входе в насос; Ар — суммар­ные гидравлические потери давления на трение и преодоление мест­ных сопротивлений.

Из гидравлики известно, что

АР=№ (3.15)

4—4218

где £ — коэффициент суммарных гидравлических потерь; Q — объ­емный секундный расход жидкости.

Из условия неразрывности потока

VBX=QtF,

где Fех — площадь сечения входного патрубка насоса. Плотность жидкости зависит от температуры:

Р = Ро+Є(^-5го), (3.17)

где р0 и То — номинальные плотность и температура; р — коэффи­циент теплового расширения жидкости.

В текущий момент времени t высота столба жидкости

A=A*+(Q0-Q№, (3.18)

где hM — высота столба жидкости в магистрали; Q0 — объем за­правки бака; FB ■— площадь поперечного сечения бака.

Подставив выражения (3.15)4-(3.18) в (3.14), получим

Х[Ро+Р(7,-7’о)1- (3.19)

Величины hu, FB, FBX и g примем неслучайными в силу малости их допусков по сравнению с вариациями остальных параметров. Таким образом, интересующий нас параметр /?Вх — известная функ­ция (3.19) случайных возмущений ръ, пх, Qо, Q, ро, Т. Считая их независимыми и распределенными по нормальному закону, найдем математическое ожидание тр и дисперсию о2Рвх параметра со­стояния методом линеаризации. По зависимости (1.101) для опре­деления величины тр т достаточно подставить в выражение (3.19) математические ожидания перечисленных выше возмущений. Про­дифференцировав по всем возмущениям выражение (3.19) и вос­пользовавшись для определения дисперсии о2рвХ выражением (1.103), получим

Волнистая черта сверху в (3.20) означает, что указанные пара^ метры при вычислении с/>вх принимают математическими ожида­ниями. Параметрическая надежность топливной системы

Рл=вер іРвх — Ргр > 0) = Ф[(тРвх — рт, р)/0рвх]. (3.21)

Заметим, что вероятность Рп изменяется во времени за счет из­менения продольной перегрузки и высоты столба жидкости. Есте — ‘ ственно, что в расчете надежности системы питания следует принять наименьшее значение Рп. *

Параметром состояния системы наддува является давление рБ в баке. Зависимость величины рБ от различных возмущений можно получить аналогично рассмотренному по модели функционирования конкретной системы наддува (газогенераторной, газобаллонной и т. п.). При этом один и тот же параметр р 6 является выходным для системы наддува и возмущающим для «опливной системы. По­этому отказ системы наддува может привести к снижению давле­ния рвх, а следовательно, к отказу ЖРД из-за кавитации.

Особенностью системы питания с точки зрения расчета надеж­ности является наличие элементов, отказы которых не обязательно приводят к отказу системы в целом. К ним относятся СОБ и дре­нажно-предохранительные клапаны (ДПК)- При негерметичности ДПК давление в баке понизится, но отказ системы питания и дви­гателя может и не наступить. Функцию фдпк (t) влияния отказа ДПК на надежность системы можно получить, используя выраже­ние (3.19) и имея зависимость давления рБ от расхода газа через неплотно закрытый или самопроизвольно открывшийся ДПК. Сте­пень влияния отказа ДПК на систему питания существенно зависит от того, в какой момент времени появится негерметичность: в нача­ле полета или перед выключением двигателя. Иными словами, Фдпк (0 есть монотонно возрастающая функция времени, зави­сящая от производительности ДПК.

Отказ СОБ также относят к категории частичных. Случайный процесс расходования компонентов топлива из баков ракеты может протекать так, что к моменту tK выключения двигателя остаток ка­кого-либо из компонентов окажется чрезмерно большим. Следстви­ем этого явится отличие конечной массы ракеты от расчетной, что скажется на точности пуска. Таким образом, основываясь на на­значении СОБ, можно оцепить качество ее функционирования (од­новременность израсходования компонентов) случайной величиной разности масс остатков компонентов и /пг(У и определить

параметрическую надежность СОБ как

рп =вер {I mok (У — тт (У | < Дтдоп}, (3.22)

где Дшд0П—-допустимая разность масс остатков компонентов.

При отказе СОБ в условиях неблагоприятно сложившихся воз­мущений гарантийного запаса топлива, предусмотренного для ком­пенсации возмущений в расчете на безотказную работу СОБ, мо-

4*

жет оказаться недостаточно. Тогда двигатель может самопроиз­вольно выключиться в результате отказа системы питания из-за преждевременного израсходования какого-либо из компонентов топлива. На основании этих рассуждений можно определить функ­цию фс01, (t) влияния отказа СОБ на надежность системы питания как вероятность того, что при отказе СОБ в момент t0тк к моменту tK выключения двигателя в баках еще сохранится некоторое коли­чество топлива, т. е.

ФсОБ(0=вер{ток(-*к)>0; mr(/J>0//OTK=^. (3.23)

Аналогично функции грдпк (і) функция фСОБ (t) является моно­тонно возрастающая. Эту функцию можно получить по результатам статистического моделирования возмущенного процесса расходо­вания компонентов топлива из баков в полете с имитацией наступ­ления отказа СОБ в различные фиксированные моменты времени.