Моделирование процесса отделения боковых блоков рн «Союз» в системе msc/adams



Скачать 86.52 Kb.
Дата05.05.2016
Размер86.52 Kb.

Моделирование процесса отделения боковых блоков РН «Союз» в системе MSC/ADAMS



Yudintsev V. V.


Рассматривается задача моделирования процесса отделения боковых блоков ракеты-носителя «Союз» в системе MSC/ADAMS. Проведено сравнение результатов моделирования с результатами обработки телеметрической информации состоявшихся пусков ракет-носителей «Союз».
The 1st stage separation subsystem of the “Soyuz” carrier rocket is simulated in MSC/ADAMS. Model verification is performed using telemetry data collected from several launches.
Ракета-носитель «Союз» с момента своего создания и по настоящее время является основным средством выведения пилотируемых КА на околоземную орбиту. На основе РН «Союз» разработаны и разрабатываются модификации: РН «Союз-У», «Союз-2» с большей массой выводимого полезного груза.

Рисунок 1 – Схема отделения боковых блоков РН типа «Союз»

Особенностью РН типа «Союз», которая отличает её от многих других РН, является пакетная схема отделения отработавших боковых блоков (ББ) первой ступени. Циклограмма отделения блоков предполагает их вращение вокруг верхнего узла связи – шарнирной точки «А», под действием момента, создаваемого остаточной тягой двигателей блоков. После снижения тяги начинается скольжение бокового блока по поверхности центрального блока, затем, после открытия реактивного сопла бака горючего и окислителя, отделение от РН и свободное движение (рисунок 1 и 2) [1].

Отделение боковых блоков происходит на высоте от 45 до 50 км, где еще существенна плотность атмосферы, вследствие чего значительны аэродинамические силы, препятствующие отводу бокового блока. Для подтверждения безударности отделения блоков на различных траекториях выведения и при различных сочетаниях параметров системы необходима адекватная модель, которая учитывала бы множество факторов, влияющих на безопасность процесса отделения. В настоящей работе рассматривается модель этого процесса, построенная в системе MSC/ADAMS. На рисунке 3 показан снимок экрана программы ADAMS/View с построенной моделью ракеты-носителя.



Рисунок 2 – Схема движения шарнирной точки

Для упрощения модели рассматривалось движение плоской системы, состоящей из центрального блока и двух боковых блоков, лежащих в плоскости тангажа. Воздействие на центральный блок двух других блоков определялось как удвоенное среднее значение воздействия двух рассматриваемых блоков.

Основной целью построения модели было подтверждение безударности отделения боковых блоков на траекториях выведения с большими значениями скоростного напора: в процессе своего относительного движения боковой блок не должен коснуться центрального блока. Однако при моделировании относительного движения необходимо было учесть и движение всей ракеты, поскольку за время отделения существенно меняется плотность воздуха и скоростной напор.



Рисунок 3 - Главное окно MSC/ADAMS-View c с моделью РН «Союз»

Для удобства исследования относительного движения боковых блоков в центре масс модели центрального блока был установлен цилиндрический шарнир (Revolute joint), а к активным силам, действующим на блоки, добавлена переносная сила инерции, определяемая как отношение силы реакции (в шарнире), действующей на центральны блок по направлению его продольной оси, к массе центрального блока. Учитывалось также движение центрального блока с заданным постоянным ускорением. Выражение дополнительной силы, действующей на боковой блок, имеет следующий вид:

,

где mbb – масса бокового блока; Fy – суммарная сила воздействия двух боковых блоков на центральный блок вдоль его продольной оси; nx – перегрузка центрального блока (без учета воздействия боковых блоков); mcb – масс центрального блока; g – ускорение свободного падения.

Движение центрального блока описывалось дополнительным дифференциальным уравнением, построенном при допущении того, что центр масс центрального блока в процессе отделения двигается по прямой линии. Это дифференциальное уравнение использовалось для определения текущей высоты и скорости полета, которые необходимы для вычисления аэродинамических сил и моментов, действующих на боковые блоки.

Особенностью рассматриваемой системы является то, что она содержит неудерживающие связи. В процессе движения меняется число степеней свободы, структура соединений тел системы. На первом этапе отделения боковой блок вращается вокруг верхнего узла связи; в этом случае соединение центрального блока с боковым блоком можно описать сферическим или цилиндрическим шарниром. После уменьшения тяги, боковой блок начинает отставать от центрального, а точка «А» бокового блока скользить по поверхности центрального блока (рисунок 2). В дальнейшем, боковой блок теряет контакт с центральным блоком и совершает свободное движение.

MSC/ADAMS позволяет моделировать контактные взаимодействия поверхностей или плоских кривых (Contact в разделе «Силы»), что фактически и происходит в верхнем узле связи бокового блока с центральным блоком. Использование контактных сил «автоматически» позволило бы учесть неудерживающий характер соединения тел. Однако при использовании таких сил существенно снижается скорость и точность процесса интегрирования, поэтому было принято решение использовать стандартные «удерживающие» шарниры, а в процессе моделирования контролировать величину силы реакции для определения момента потери или «схода» со связи.

Соединение бокового блока с центральным моделировалось при помощи двух шарниров типа «точка на прямой» (Joint primitives: Inline). Эти шарниры расположены так, чтобы точка пересечения линий совпала с центром шарнира Аo (рисунок 2). На этапе разворота бокового блока активны оба шарнира, которые в этом случае эквиваленты цилиндрическому шарниру (для плоской модели), поскольку точка контакта – «А» вынуждена находиться на пересечении двух прямых. При изменении знака реакции связи, соответствующий шарнир «выключался» (команда сценария DEACTIVATE/JOINT) и шарнирная точка скользила по линии, определяемой оставшимся активным шарниром (см. рисунок 2 и 4).

Одним из недостатков пакета MSC/ADAMS заключается в отсутствии встроенных средств моделирования подобных систем – систем с переменной структурой. MSC/ADAMS не имеет встроенных возможностей управления сложной логикой процесса моделирования: «включение» или «выключение» сил, связей в зависимости от состояния системы. Использование объекта SENSOR для регистрации момента изменения знака силы реакции в шарнире и использование языка сценариев (ADAMS/Solver scripts) для исключения из процесса моделирования шарниров и вообще объектов (команда DEACTIVATE), позволяет это сделать лишь отчасти, поскольку при выполнении сценария нет возможности определить, какой из двух сенсоров модели «обнаружил» момент смены знака реакции, для того чтобы «отключить» соответствующий шарнир.

Для реализации сложной логики управления процессом интегрирования ADAMS/Solver позволяет использовать написанные пользователем модули управления процессом интегрирования. Для реализации циклограммы работы рассматриваемой системы отделения на языке Фортран была написана функция управления процессом интегрирования (CONSUB) в виде внешней динамически загружаемой библиотеки (dll). Функция вызывается на каждом шаге численного интегрирования, и в ней контролируется изменение реакции по времени. Так, например, при выполнении условия:



,

происходит «отключение» шарнира соответствующего бокового блока. Боковой блок начинает движение, допускаемое оставшимся шарниром. В дальнейшем также отключается и оставшийся шарнир, моделирующий поверхность центрального блока, при выполнении условия:



Аэродинамические коэффициенты боковых блоков, используемые для определения аэродинамических сил, задавались таблично, по результатам обработки «продувок» макетов центрального и боковых блоков. Для интерполяции значений использовался объект SPLINE. Также задавались и тяги двигателей блоков, тяги реактивных сопел бака окислителя и горючего. При этом учитывались возможные отклонения этих сил от своих средних значений, поскольку это существенно влияет на движение бокового блока.

Начальные кинематические параметры движения ракеты, инерционно-массовые и центровочные характеристики блоков, параметры атмосферы: плотность, скорость ветра в районе старта ракеты-носителя [2] – все эти параметры влияют на процесс отделения, и все они рассматривались как случайные величины с заданными законами и параметрами распределения.

Рисунок 4 - График изменения компонент реакции в верхнем узле связи (точка А)

Как было отмечено выше, главной целью построения модели процесса отделения было подтверждение безударности отделения блоков на траекториях выведения с большими значениями скоростного напора с учетом возможных отклонений параметров системы от средних значений. Анализ процесса отделения при предельных возможных отклонениях параметров системы от средних значений, не позволил адекватно оценить допустимые значения скоростного напора, поскольку в реальной системе одновременное отклонение множества параметров системы в наихудшую для качества процесса сторону маловероятно. Моделирование отделения блоков производилось в статистической постановке (метод Монте-Карло). Для этого использовалось приложение пакета MSC/ADAMS – ADAMS/Insight, которое позволяет для выбранных параметров системы (DESIGN VARIABLES) задать законы и параметры распределения и сформировать исходные данные для моделирования процесса, в том числе и в статистической постановке.

Факт безударности процесса отделения, который является качественной оценкой процесса, рассматривается как случайное событие с некоторой вероятностью P(A). Необходимо показать, что вероятность события A, под которым понимается безударное отделения всех четырех блоков – будет не менее некоторой заданной величины . Последнее событие также является случайным, и поэтому в этом случае следует говорить о подтверждение вероятности безударного отделения блоков не ниже заданного уровня с доверительным уровнем . Для системы отделения ББ принято , . Таким образом, требуется подтвердить:



Вероятность появления события A подчинена биномиальному закону распределения и количество экспериментов, необходимых для подтверждения требуемого уровня безопасности процесса определяется следующим выражением [3]:



Следует учесть, что для упрощения построения математической модели процесса отделения, рассматривалось движение только двух ББ и поэтому для подтверждения безударности отделения всех четырех ББ РН “Союз” количество необходимых численных экспериментов n необходимо увеличить. Предположим, что вероятность безударного отделения каждого ББ в отдельности равна . Предполагая независимость событий безударного отделения каждого ББ вероятность отделения четырех блоков: , тогда число необходимых экспериментов равно:



.

В результате численного моделирования получены параметры процесса отделения, которые позволили оценить адекватность математической модели. На рисунке 4 показаны диаграмма размаха распределения времени срабатывания датчика потери связи, полученная по результатам моделирования, а так же диаграмма размаха, полученная по результатам обработки телеметрической информации 30 пусков РН «Союз». Датчик потери связи регистрирует перемещение шарнира (точка «А») на 5 миллиметров относительно начального положения (точка Аo). Прямоугольником на диаграмме обозначены области, где сконцентрированы 50% выборок, а отрезками – минимальные и максимальные значения.

Для сравнения экспериментальных и расчетных средних значений времени разрыва шарнира использовался непараметрический U-критерий Манна-Уитни [4]. Использование традиционного t-критерия, ориентированного на сравнение нормально-распределенных выборок невозможно, так как расчетные и экспериментальные выборки имеют различные дисперсии и объем экспериментальной выборки невелик (n<40). Установлено, что математические ожидания можно считать равными с p-уровнем не менее 0.05. Различие дисперсий экспериментальных и расчетных значений объясняется использованием завышенных («проектных») значений разбросов параметров системы.

Рисунок 4 – Экспериментальные и расчетные диаграммы размаха времени начала потери связи

Полученные результаты позволили оценить влияние параметров циклограммы работы системы отделения на кинематические параметры относительного движения ББ и подтвердить их безударность отделения на новых траекториях выведения. Таким образом, входящие в состав пакета MSC/ADAMS программы: ADAMS/View, ADAMS/Insight, ADAMS/Postprocessor, позволяют создавать модели сложных механических систем ракетно-космической техники, в том числе и системы с переменной структурой, формировать исходные данные для анализа влияния параметров на функционирование системы и наглядно представлять полученные результаты.

Литература

1. Колесников К.С., Козлов В. И., Кокушкин В. В. Динамика разделения ступеней летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1977.

2. ОСТ 92-5165-92 Методика задания горизонтальной скорости ветра и термодинамических параметров атмосферы в районе полигона “Байконур” в диапазоне высот 0 - 120 км.

3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.



4. Электронный учебник по статистике // StatSoft Inc, 2001г. URL: http://www.statsoft.ru/home/textbook/default.htm (дата обращения: 20.08.2009).


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница