Система управления расходованием топлива

На ракете Р7 в начале 1950-х годов возникла необходимость синхронизации опорожнения баков с жидкими компонентами топлива. Применительно к одной паре цилиндрических баков эта задача сводилась к минимизации разности относительных высот уровней dh = h^О/h^O_Н - h^Г/h^Г_Н, где индексы «о» и «г» означают окислитель и горючее, индекс «н» означает начальное значение уровней компонентов. Для нецилиндрических баков минимизируется разность относительных объемов. Величины h^О и h^Г измеряются в полете датчиками системы синхронизации (управления) расходования топлива; величины h^O_Н и h^Г_Н устанавливаются на стартовой позиции.

Назначение системы СУРТ аналогично назначению системы СИРТ – это снижение гарантийных запасов топлива, а значит – повышения эффективности ракеты или космического корабля.

В настоящее время в системе СУРТ применяются несколько различных методов и способов измерения уровней. Все они основываются на существовании скачка в значениях того или иного свойства на границе раздела жидкости и газа.

Поплавковые датчики специального исполнения с набором шариковых поплавков и с индуктивным съемом сигнала показали удовлетворительную для СУРТ точность и нашли применение на ряде РН.

Датчики других из перечисленных групп имеют существенно большие погрешности и не нашли применения в современных СУРТ. [1, 6]

Рассмотрим дискретный датчик (ДД) СУРТ емкостного типа разработки РКК «Энергия» для применения в составе РН «Энергия».

На рис. 1 представлена функциональная схема устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы с тесной индуктивной связью, где:

1. Генератор постоянной частоты

2. Мостовая схема

3. Регулируемый усилитель

4. Элемент дисбаланса

5. Усилитель

6. Фильтр

7. Первый амплитудный компаратор

8. Фазочувствительный фиксатор

9. Фазосдвигающее устройство

10. Второй амплитудный компаратор

11. Блок датчиков уровня (БДУ)

12. Трансформатор

Уровнемер системы управления расходованием топлива (УСУРТ) изделий ракетно-космической техники построено следующим образом. Параллельно соединенные емкостные дискретные датчики включены в сравниваемые плечи мостовой схемы с тесной индуктивной связью. Причем четные дискретные датчики включены в одно сравниваемое плечо мостовой схемы, а нечетные включены в другое сравниваемое плечо. При работе двигателей изделия ракетно-космической техники уровень жидкости в топливных баках последовательно проходит нечетный, четный, нечетный и т.д. дискретный датчик. Следовательно, комплексные сопротивления в сравниваемых плечах мостовой схемы изменяются за счет уменьшения электрической емкости, которая вносится диэлектрической проницаемостью e неэлектропроводной жидкости для каждого опорожняемого дискретного датчика. Комплексные сопротивления сравниваемых плеч изменяются в заданных пределах и попеременно переводят мостовую схему из одного неравновесного состояния в другое неравновесное состояние, переходя каждый раз состояние равновесия моста. Таким образом, выходным сигналом уровнемера системы управления расходом топлива является сигнал фиксации состояния равновесия мостовой схемы. Путем подключения параллельно одному из плечевых комплексных сопротивлений мостовой схемы дополнительного комплексного сопротивления эталонной величины задается эталонное значение измеряемого параметра и по отношению к сигналу генератора постоянной частоты производится сдвиг по фазе на 90^° сигналов, сформированных в плечах мостовой схемы. Сдвиг по фазе на 90^° производится для обеспечения устойчивого сравнения фазы сигнала разности с фазой сигнала генератора постоянной частоты. Сравнение фаз осуществляется на несущей частоте генератора постоянной частоты. Следовательно, параметры, характеризующие сравнение фазы сигнала разности с фазой сигнала постоянной частоты, обеспечивают максимальное быстродействие измерения комплексных сопротивлений мостовой схемы. Для увеличения динамической точности работы уровнемера системы управления расходом топлива время фиксации должно быть минимальным, поэтому фиксация сдвига фазы на 180^° сигнала разности осуществляется с частотой генератора. Таким образом, временная задержка фиксации равенства плечевых сопротивлений соизмерима с длительностью периода частоты генератора. Отсюда следует, что повышение точности измерения уровнемера системы управления расходованием топлива как системы динамической обеспечивается благодаря параметрам, характеризующим фиксацию момента уравновешенного состояния моста в момент сдвига измеренной фазы сигнала разности на 180^°.

Данное устройство характеризуется подключением в мостовой схеме параллельно цепи дискретных датчиков последовательно соединенных регулируемого усилителя и элемента дисбаланса мостовой схемы, которые обладают характеристикой идентичной плечевым сопротивлениям для задания эталонной величины измеряемого параметра. По отношению к сигналу генератора постоянной частоты сдвиг по фазе на 90^° сигналов, сформированных в плечах мостовой схемы, осуществляется на дискретном датчике как на реактивном элементе.

«Уровнемер системы управления расходованием топлива включает в свой состав блок датчиков уровня (БДУ), блок усилителей преобразователей (БУП) и бортовую кабельную сеть (БКС), соединяющую блок датчиков уровня и блок усилителей преобразователей. Блок датчиков уровня – это конструкция, размещенная внутри топливного бака и охватывающая всю его высоту, в которой размещены емкостные дискретные датчики. При этом все четные и нечетные емкостные дискретные датчики размещены на строго определенной высоте бака. Блок усилителей преобразователей – это электронный прибор, производящий измерения комплексного сопротивления дискретных датчиков. Этот прибор передает сигналы фиксации равновесного состояния мостовой схемы в систему управления изделия ракетно-космической техники для решения задачи управления расходом топлива.

Для измерения уровня топлива дискретными датчиками используется мостовая схема с тесной индуктивной связью. В её сравниваемые плечи включены нечетные дискретные датчики в одном плече, четные – в другом. Измерение уровня топлива как динамического параметра осуществляется по значению комплексного сопротивления мостовой схемы. Данное значение является переменной величиной.

Устройство измерения комплексного сопротивления с тесной индуктивной связью (рис. 1) содержит генератор 1 постоянной частоты, подключенный к диагонали мостовой 2 схемы между сопротивлениями, которые включены дифференциально (к средней точке обмоток трансформатора с тесной индуктивной связью и между плечами сравниваемых сопротивлений). Помимо того, генератор 1 постоянной частоты подключен к последовательно соединенным регулируемому 3 усилителю и элементу 4 дисбаланса мостовой схемы. А выход мостовой 2 схемы через последовательно соединенные усилитель 5, фильтр 6 и первый амплитудный 7 компаратор подключен к первому входу фазочувствительного 8 фиксатора. Последовательно соединенные фазосдвигающее 9 устройство и второй амплитудный 10 компаратор подключены ко второму входу фазочувствительного 8 фиксатора, выход которого является выходом устройства измерения комплексного сопротивления с тесной индуктивной связью. Мостовая 2 схема включает в себя блок датчиков уровня 11 и трансформатор 12 с тесной индуктивной связью. Генератор 1 постоянной частоты и трансформатор 12 с тесной индуктивной связью показаны на рис. 1 с минусовым выводом. Это необходимо для обозначения подключения генератора 1 постоянной частоты к одной диагонали мостовой 2 схемы (к средней точке обмоток трансформатора 12 с тесной индуктивной связью и между сопротивлениями сравниваемых плеч) и усилителя 5 через третью обмотку трансформатора 12 к другой диагонали мостовой 2 схемы. Блок датчиков уровня включает (n=1…N) емкостных дискретных датчиков, из которых (2n-1) -ые нечетные дискретные датчики включены параллельно в одно сравниваемое плечо мостовой 2 схемы, а (2n) -ые четные дискретные датчики включены параллельно в другое сравниваемое плечо. Отметим, что количество дискретных датчиков (N) в составе блока датчиков уровня изделия ракетно-космической техники составляет, как правило, от 8 до 16 штук в зависимости от изделия ракетно-космической техники и точности изготовления дискретных датчиков. Значение электрической емкости дискретного датчика составляет от 20 до 40 пФ, при этом значение паразитной электрической емкости линии связи (бортовой кабельной сети) составляет 2500 – 7000 пФ (на рис. 1 паразитные емкости обозначены пунктиром). Так как трансформатор 12 с тесной индуктивной связью выполнен в виде трансформатора тока, имеющего низкое входное сопротивление, то эта паразитная емкость шунтируется низким входным сопротивлением трансформатора 12 и практически не оказывает влияния на результат измерения». [7]

Покажем назначение некоторых блоков функциональной схемы. Для питания мостовой 2 схемы переменным током предназначен генератор 1 постоянной частоты. Для измерения комплексного сопротивления предназначена мостовая 2 схема. Выходным сигналом этой схемы является ток сигнала разности с измеренной фазой. Для задания эталонного значения измеряемого параметра предназначен элемент 4 дисбаланса. Для точной настройки эталонного значения измеряемого параметра предназначен регулируемый 3 усилитель. В данном случае элемент 4 дисбаланса выполнен в виде конденсатора, обеспечивающего состояние равновесия мостовой 2 схемы при нахождении уровня топлива в середине опорожняемого дискретного датчика. Для компенсации технологического разброса электрической емкости этого конденсатора от номинального значения и для обеспечения высокой точности задания эталонного значения введен регулируемый 3 усилитель, который обеспечивает точную настройку задания эталонного значения измеряемого параметра. Тем самым обеспечивается равновесное состояние мостовой 2 схемы при нахождении уровня топлива в середине текущего опорожняемого дискретного датчика. За счет внесения в емкостное сопротивление плеча нечетных дискретных датчиков омической составляющей осуществляется настройка. Омическая составляющая является внутренним сопротивлением регулируемого 3 усилителя. Величина омического сопротивления регулируемого 3 усилителя незначительна по отношению к величине емкостного сопротивления плеча нечетных дискретных датчиков. Таким образом, фазовый сдвиг тока в этом плече, вносимый при настройке заданного эталонного значения, незначителен. Указанный незначительный фазовый сдвиг тока, сформированного в плече нечетных дискретных датчиков, на работоспособность устройства не повлияет. Запас по фазе на 90^°, необходимый при сравнении фаз сигнала разности и сигнала постоянной частоты, обеспечивают признаки, которые характеризуют сдвиг по фазе токов, сформированных в плечах мостовой схемы по отношению к фазе тока генератора постоянной частоты на 90^°. Таким образом, незначительный фазовый сдвиг, который вносится регулируемым 3 усилителем, компенсируется запасом по фазе в 90^°. Регулируемый 3 усилитель выполнен в виде цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Настроить заданное эталонное значение измеряемого параметра с требуемой точностью можно при подаче на вход ЦАП 12-ти разрядного кода.

Ток сигнала разности с измеренной фазой с диагонали мостовой 2 схемы поступает на вход усилителя 5. В усилителе 5 осуществляется усиление тока с заданным коэффициентом, затем с его выхода ток сигнала разности поступает в фильтр 6. В фильтре сигнал фильтруется от помех, которые могут создавать бортовые потребители изделия ракетно-космической техники. Фильтр 6 является элементом, которому характерна временная задержка t. Поэтому ток сигнала разности с выхода фильтра 6 будет иметь некоторый фазовый сдвиг. Этот сдвиг нежелателен для дальнейшего преобразования тока сигнала разности. Для того, чтобы компенсировать данный фазовый сдвиг, ток генератора 1 постоянной частоты подают на фазосдвигающее 9 устройство. С помощью этого устройства обеспечивается аналогичный фильтру 6 фазовый сдвиг t. В результате, перед операцией сравнения фаз ток сигнала разности с выхода фильтра 6 и ток сигнала постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 9 устройства остаются взаимно ортогональными. Указанные сигналы преобразуются в дискретные, потому как при их обработке устройство использует информацию только о состоянии их фазовых сдвигов. Для преобразования синусоидальных сигналов в дискретные сигнал разности с выхода фильтра 6 подают на первый 7 амплитудный компаратор, а сигнал генератора постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 9 устройства – на второй 10 амплитудный компаратор. Если амплитуда синусоидального сигнала отрицательна, то это соответствует логическому нулю, а если амплитуда синусоидального сигнала положительна, то это соответствует логической единице. Следовательно, сигналы с выходов первого амплитудного 7 компаратора и второго амплитудного 10 компаратора представляют собой последовательности прямоугольных импульсов. Однако, последовательность прямоугольных импульсов сигнала разности сдвинута по фазе на 90^° относительно последовательности прямоугольных импульсов сигнала постоянной частоты. Указанные последовательности прямоугольных импульсов с выходов амплитудных 7 и 10 компараторов поступают на входы фазочуствительного 8 фиксатора для сравнения фаз. Фазочуствительный 8 фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера. На его D-вход подается последовательность прямоугольных импульсов, содержащая информацию о фазе сигнала разности. На счетный вход D-триггера подается последовательность прямоугольных импульсов, содержащая информацию о фазе сигнала генератора постоянной частоты. Переднему фронту последовательности импульсов генератора постоянной частоты соответствует середина скважности последовательности импульсов сигнала разности, поэтому результатом сравнения фаз последовательностей прямоугольных импульсов является состояние логического нуля. Фазочувствительный 8 фиксатор является динамическим D-триггером, поэтому результат сравнения фаз по переднему фронту импульса фиксируется в виде логического нуля и подтверждается каждый период последовательности импульсов генератора постоянной частоты.

При запуске двигателей изделия ракетно-космической техники уровень топлива в баке уменьшается. Процесс опорожнения первого нечетного дискретного датчика от топлива приводит к изменению сопротивления плеча нечетных дискретных датчиков мостовой 2 схемы. Соответственно, ток в этом плече уменьшается. Сравнение токов осуществляется на трансформаторе с тесной индуктивной связью. Результатом этого сравнения является ток сигнала разности. Плечевые сопротивления мостовой схемы соответствуют соотношению X_НЧ< X_ЧТ, ток сигнала разности находится в фазе с током, который сформирован в плече нечетных дискретных датчиков. При прохождении уровнем топлива середины дискретного датчика справедливо соотношение X_НЧ> X_ЧТ. Таким образом, ток сигнала разности находится в фазе с током, который сформирован в плече четных дискретных датчиков, т.е. ток сигнала разности сдвигается по фазе на 180^°. Затем сдвинутый по фазе на 180^° ток сигнала разности поступает в усилитель 5. Далее сигнал разности поступает через фильтр 6 в первый амплитудный 7 компаратор. Там он фильтруется и преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов, содержащую информацию о фазе сигнала разности. Последовательность прямоугольных импульсов с выхода первого амплитудного 7 компаратора поступает на D-вход триггера 8, чтобы произвести сравнение с фазой сигнала генератора постоянной частоты. В данном случае переднему фронту последовательности прямоугольных импульсов генератора постоянной частоты будет соответствовать середина импульса последовательности прямоугольных импульсов сигнала разности. Фаза сигнала разности и фаза сигнала генератора постоянной частоты сравниваются на триггере 8. После сравнения фаз триггер 8 переходит в состояние логической единицы. Это состояние фиксируется передним фронтом счетного импульса и подтверждается с каждым периодом последовательности импульсов генератора постоянной частоты. По данному сигналу, который фиксирует сдвиг фазы сигнала разности на 180^°, можно судить о том, что уровень топлива находится в середине опорожняемого дискретного датчика.

Соответственно, описанный выше процесс повторяется для каждого опорожняемого дискретного датчика. Различие заключается только в том, что результат сравнения фаз для нечетных опорожняемых дискретных датчиков изменяется из нулевого состояния в единичное, а для четных – из единичного состояния в нулевое. [7]

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: