Системное проектирование тепловой машины однократного действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Нго Чи Ньят Линь

• Нго Чи Ньят Линь
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нго Чи Ньят Линь

Список основных обозначений и сокращений ^

Введение.

Гл 1. Анализ и расчет рабочего процесса в ракетном двигателе ТМОД

1.1 Разновидности баллистических двигателей

1.2 Характеристика рабочего процесса в ракетно-ствольном 15 баллистическом двигателе

1.3 Характеристика рабочего процесса в ракетном двигателе

1.4 Краткий анализ развития внутренней баллистики

1.5 Математическое описание процесса в камере ТМОД

1.6 Исследование внутрибаллистических параметров

Выводы по главе

Гл.2 Анализ и расчет теплового процесса в двигателе

2.1 Анализ литературных данных по тепловым процессам в 30 двигателях

2.2 Математическая модель нагрева и упруго- пластического 30 деформирования элементов системы

2.3 Исследование тепловых процессов, протекающих в 37 камере сгорания

Выводы по главе

Гл.З Математическая модель динамики функционирования 43 системы «пусковая установка - ТМОД».

3.1 Анализ литературных данных по динамике 43 функционирования системы.

3.2 Анализ функционирования системы «пусковая установка 44 -ТМОД»

3.3 Система уравнений движения ТМОД, качающейся части 47 ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках

3.4 Математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины

3.5 Система уравнений силового и теплового взаимодействия 54 газовой струи с преградой

3.6 Определение динамических характеристик ПМ ТМОД

Выводы по главе

Гл.4 Системное проектирование ТМОД

4.1 Общие положения теории технических систем

4.2 Формулировка задачи проектирования

4.3 Формирование критериев

4.4 Методология системного подхода определения 79 параметров

4.5 Синтез параметров системы

4.5.1 Ограничения при синтезе параметров

4.5.2 Процедура синтеза основных конструкционных и 86 эксплуатационных характеристик

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системное проектирование тепловой машины однократного действия»

Актуальность работы. Тепловые машины однократного действия (ТМОД), рассматриваемые в работе представляют собой разновидность многозарядных ракетных образцов вооружения. Анализируя развитие ТМОД за последние десятилетия, можно сделать вывод: внимание специалистов к этому классу систем, как в нашей стране (СРВ) так и за рубежом, возрастает. Если до середины 60-х годов разработки этих систем велись в основном в СССР, США, ФРГ, Китае, то в последние десятилетия число государств, разрабатывающих и эксплуатирующих ТМОД превысило 70 [7-9].

В 50 - 60-е годы задачи огневой поддержки в армиях ведущих стран НАТО возлагались, в основном, на ствольную артиллерию. При этом предполагалось, что ядерные боеприпасы артиллерийских систем калибров 203,2 и 155 мм. являются достаточным средством для поражения живой силы и защищенных целей, расположенных на значительных площадях. Исходя из этого тепловые машины однократного действия состоящие на вооружении армий США и некоторых европейских стран НАТО могли выполнять ограниченное число боевых задач и дальнейшего развития не получали .

Повышению интереса к тепловым машинам однократного действия способствовала в известной степени возросшая необходимость борьбы с бронированными целями, а также заинтересованность ряда стран (ФРГ, Италии, Испании, Израиля, Индии, Китая и др.) в приобретении и разработки эффективных систем, способных в какой-то мере восполнить отсутствие в их армиях тактического ядерного оружия.

Тепловые машины однократного действия способны решать большой круг огневых задач. Обладая высокой плотностью огня, внезапностью и мобильностью, имея в большинстве случаев досягаемость значительно выше, чем ствольная артиллерия среднего калибра, многоствольные установки с ТМОД могут применяться для поражения различных групповых и малоразмерных целей в тактической зоне, успешно вести борьбу с живой силой и огневыми средствами противника в различных условиях. При этом большинство огневых задач решается с меньшими затратами сил и средств, а эффективность воздействия по групповым целям приближается к тактическому ядерному оружию малой мощности.

Боевые машины с ТМОД работают залпом, группами и одиночными выстрелами, а также предназначены для транспортирования ТМОД в направляющих.

Для обеспечения подготовки ТМОД к полету и управления ими применяются разнообразные бортовые, наземные и другие устройства и оборудование. Особенности функционирования ТМОД обеспечивают малую продолжительность работы боевой машины. Их боевая эффективность в огромной степени зависит от боевых характеристик образца ТМОД.

Задачами ТМОД могут быть: уничтожение, разрушение, подавление и изнурение противника.

Уничтожение цели заключается в нанесении ей таких потерь (повреждений), после которых она полностью теряет свою боеспособность.

Разрушение цели заключается в приведении ее в непригодное для дальнейшего использования состояние.

Подавление цели заключается в нанесении ей потерь (повреждений) и в создании таких условий, при которых она временно лишается боеспособности, ограничивается ее маневр или нарушается управление.

Изнурение заключается в морально-психологическом воздействии на живую силу противника ведением беспокоящего огня ограниченным количеством орудий и боеприпасов в течение установленного времени.

При дистанционном минировании задачей стрельбы может быть постановка прикрывающих и сковывающих минных полей.

При световом обеспечении боевых действий общевойсковых подразделений и стрельбы артиллерии ночью задачами стрельбы могут быть освещение местности, ослепление наблюдательных пунктов (электроннооптических средств) и огневых средств противника, постановка световых ориентиров (створов).

При задымлении противника задачами стрельбы могут быть постановка дымовых завес, задымление (ослепление) огневых средств противника, его командных и наблюдательных пунктов.

При стрельбе агитационными снарядами задачей стрельбы является доставка агитационного материала в расположение противника.

Для повышения эффективности и сокращения времени работы целесообразно привлекать максимально возможное в данных условиях количество ТМОД.

Сложившаяся в СРВ система ТМОД является экономически оправданной, поскольку позволяет решать типовые задачи в ближней зоне 122-мм тепловыми машинами (ТМ) в 1,5-3 раза дешевле, чем при использовании дальнобойных систем.

В табл.1, приведены сравнительные характеристики некоторых ТМОД («Град»), используемых в СРВ (полученных из России), с иностранными системами.

Добиться улучшения показателей функционирования анализируемых ТМОД можно за счет использования системного подхода при их проектировании. Расчет и обоснование выбора проектных параметров проводится путем использования комплекса математических моделей логически увязанных между собой с использованием критерия эффективности.

Настоящая диссертация посвящена разработке такого математического аппарата, который позволяет проводить расчеты в условиях установившихся и нестационарных режимов и находить конструктивные параметры ТМОД , обеспечивающие повышение эффективности их работы в составе технического объекта.

Таблица 1. Сравнительные характеристики некоторых ТМОД

Система

Наименование характеристики «Град»(Россия) FIROS 25/30 «Valkiry» ВМ-П SAKR-36 «Тип 90В»

ВСР) (Италия) (ЮАР) (КНДР) (Египет) (Китай)

Тип шасси Колесное 6x6 «Урал - 375 Д», Колесное 6x6 «Ивеко» Колесное 4x4 SAMIL 100 Колесное 6x6 «Урал - 375 Д», Колесное 6x6 «3ил-131», Колесное 6x6 «Норд

У рал-4320» «Isuzu» Mercedes-Benz 4x4 Бенц»2629

Калибр системы, мм 122 122 127 122 122 122

Количество направляющих 40 30 40/30 40 осколочно-фугасная; осколочно-фугасная осколочно- осколочно

Тип головной части кассетная с КОБЭ; кассетная с противотанковыми минами фугасная; кассетные с ППМ и птм фугасная

Максимальная дальность ОФС, км 16.0-40,0 25,0/34,0 36 20,5 36,0 40

Масса, кг 66.5 58.0/65.0 62,7 66,0 56.5 61,0

Масса головной части, кг 21,0 19,0/26,0 20.6 18,4 17,5 18.3

Масса ВВ. кг 6.0 3,3/4,5 4,0 6,4 6,0 6.4

В связи с этим, определение оптимальных параметров и повышение эффективности функционирования тепловых машин однократного действия является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в построении комплекса математических моделей функционирования ТМОД в составе технического объекта и разработке инструмента теоретической оценки технических решений, позволяющего определить параметры тепловой машины, обеспечивающие повышение эффективности ее работы.

Цель была реализована в результате решения следующих задач:

- построение математической модели внутрибаллистического процесса в двигателе;

- построение математической модели термонапряженного состояния стенки двигателя;

- построение математической модели динамики функционирования технического объекта;

- разработка алгоритма синтеза параметров, позволяющего обоснованно находить рациональные параметры тепловой машины;

- разработка методологии системного подхода определения параметров тепловой машины;

- создание пакета прикладных программ на ЭВМ и исследование влияния ряда конструктивных параметров ТМОД на эффективность функционирования системы.

Объект исследования: тепловая машина однократного действия к системе «Град», разработанная в СССР и стоящая на вооружении СРВ.

Метод исследования: - комплексный, включающий анализ и синтез параметров, математическое моделирование, вычислительный и производственный эксперимент, методы теории вероятностей и математической статистики с использованием ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1 .Рассмотрение тепловой машины как единой энергетической системы. Это дает возможность применять комплекс математических моделей для описания различных режимов работы системы.

2. Разработка комплекса математических моделей, позволяющего установить связи параметров тепловой машины с ее выходными характеристиками.

3. Обоснованное определение требований к выходным характеристикам машины как подсистемы технического объекта. Разработка алгоритма синтеза параметров для рационального определения конструктивных параметров ТМОД, обеспечивающих выполнение этих требований.

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке математического описания и программного обеспечения для расчета процессов, протекающих в тепловой машине; все это дает возможность проводить исследование функционирования системы на стадии проектирования;

- в оценке влияния конструктивных параметров тепловой машины на эффективность функционирования системы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- VII Всероссийской научно - технической конференции по проблемам специального машиностроения (Тула, ТулГУ, 2004 гг.).

- XVII научно - технической конференции «Пути совершенствования ракетно - артиллерийской техники» (Тула, ТАИИ, 2005 гг.).

- Юбилейной научно - технической конференции, посвященной 65-летию ФГУП «ГНПП «СПЛАВ» (Тула, ФГУП «ГНПП «СПЛАВ», 2005 г.).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 5 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 35 русских и 3 иностранных источников.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Нго Чи Ньят Линь

Выводы по главе 4

1. Проведен анализ литературных данных по системному проектированию сложных систем. Наиболее полно вопросы проектирования ТМОД решаются с использованием общей теории систем. При системном рассмотрении исследуемое техническое устройство принимается состоящим из материальных элементов, находящихся между собой в массовых, энергетических и информационных связях.

2. Дана формулировка задачи проектирования. В общем случае задача проектирования является одной из задач исследования операций и состоит в нахождении сочетаний и значений параметров и характеристик, обеспечивающих максимальное (минимальное) значения целевой функции (критерия качества) и удовлетворяющих тактико-техническим требованиям.

3. Рассмотрено формирование критериев. При выборе критерия оптимизации необходимо стремятся к тому, чтобы он отчетливо характеризован процесс разработки с его самых существенных сторон, чтобы критерий в дальнейшем в некотором смысле заменял цель. При оптимизации параметров могут применяться такие критерии как стоимость, стартовая масса, масса головной части, вероятность преодоления сопротивления, надежность, параметр использования топлива, параметр использования материала и т.д. Все эти критерии частные. Частные критерии, объединенные в один критерий, составляют комплексный критерий эффективности. Получен комплексный критерий эффективности.

4. Проведен синтез параметров системы. В соответствии с методом системного анализа техническая система может быть разделена на ряд подсистем. Основной подсистемой, определяющей характеристики системы «ПУ- ТМОД» является тепловая машина однократного действия. Целый ряд требований технического задания удовлетворяются при проектировании именно ТМОД.

Рассмотрены ограничения при синтезе основных характеристик системы «ПУ-ТМОД», вытекающие из требований технического задания.

Проведена процедура синтеза основных конструкционных и эксплуатационных характеристик на основе разработанного алгоритма синтеза параметров.

5. Приведен ряд характерных вариантов расчета. Наилучшие варианты расчета определяются по максимальному значению критерия эффективности. Сравнивая основные характеристики полученной ТМОД с характеристиками стандартной ТМОД, отмечаем, что системный подход при проектировании позволяет улучшить характеристики ТМОД: по увеличению скорости в конце активного участка на 3-5%, уменьшить начальную массу на 10-14%, уменьшить массу конструкции двигателя на 11-15%.

99

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение в области создания новых тепловых машин однократного действия с более высокими тактико-техническими характеристиками, заключающаяся в разработке системного метода проектирования. Системный метод проектирования состоит в разработке комплекса математических моделей логически увязанных между собой, позволяющий определять оптимальные параметры проектируемой системы с использованием критерия эффективности.

На основании анализа литературных данных по определению внутри баллистических характеристик ТМОД и рассмотрения разновидностей баллистических двигателей, дана характеристика рабочих процессов в различных двигателях; составлена математическая модель внутри баллистического процесса в камере сгорания двигателя, разработан алгоритм и программа для расчета параметров внутри баллистического процесса: р = р (t); Т = Т (t). Проведено сравнение результатов расчета по разработанной математической модели с экспериментальными данными. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными ж данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 6-8 %.Проведены расчеты по определению изменения давления и тяги в функции времени по представленной модели для различных начальных температур для ТМОД СРВ.

Проведен анализ литературных данных по определению тепло напряженного состояния камеры сгорания и элементов ТМОД. Показано, что успешная разработка нового двигателя к системе ТМОД повышенной эффективности зависит от успешного решения проблемы тепловых процессов, протекающих в двигателе.

Разработана математическая модель нагрева и упруго- пластического деформирования камеры сгорания двигателя, составлен алгоритм и разработана программа для расчета параметров теплового процесса в камере сгорания двигателя и упруго-пластического деформирования элементов ТМОД. Проведено сравнение результатов расчета' по разработанной математической модели с экспериментальными данными. В результате проведения сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 7-8 %. Проведено исследование тепловых процессов, протекающих в камере сгорания ТМОД. Анализ результатов расчета показывает, что теплообмен между высокотемпературым газовым потоком и внутренней поверхностью камеры сгорания растет от значений а sttt etti

500 - 1000)—--до (4000 - 5000) —- в пред сопловой части и до м град м град

G171

8000 - 10000) —--в критической части сопла. Температура на м град внутренней поверхности стенки в камере сгорания при отсутствии теплоизоляции к первой секунде работы двигателя достигает значения: (1400 - 273 = 1127° С)' 1127°С, что является недопустимым значением при работе двигателя без теплоизоляции.

На основании анализа литературных данных по динамике функционирования системы «пусковая установка - ТМОД» и анализа функционирования системы «пусковая установка - ТМОД»; показано, что ТМОД присущи сложные процессы взаимодействия составных частей, разнесенных в пространстве на значительные расстояния. Составлена система уравнений движения ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках; показано, что совместное движение ТМОД, качающейся части ПУ, вращающейся части ПУ при одиночных и залповых пусках описывается общими уравнениями механики. Разработана математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Составлена система уравнений силового и теплового взаимодействия газовой струи с преградой. Проведены расчеты динамических характеристик функционирования системы «пусковая установка - ТМОД»; динамических характеристик ПМ; проведено сравнение результатов решения по составленной математической модели с экспериментальными данными; в результате анализа сопоставительных расчетов с экспериментальными данными установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет не более 10%.

На основании анализа литературных данных по системному проектированию сложных систем установлено, что наиболее полно вопросы проектирования ТМОД решаются с использованием общей теории систем. При системном рассмотрении исследуемое техническое устройство принимается состоящим из материальных элементов, находящихся между собой в массовых, энергетических и информационных связях.

Дана формулировка задачи проектирования. В общем случае задача проектирования является одной из задач исследования операций и состоит в нахождении сочетаний и значений параметров и характеристик, обеспечивающих максимальное (минимальное) значения целевой функции (критерия качества) и удовлетворяющих тактико-техническим требованиям. Рассмотрено формирование критериев. При выборе критерия оптимизации необходимо стремятся к тому, чтобы он отчетливо характеризован процесс разработки с его самых существенных сторон, чтобы критерий эффективности в дальнейшем в некотором смысле заменял цель. При оптимизации параметров могут применяться такие критерии как стоимость, стартовая масса, масса головной части, вероятность преодоления сопротивления, надежность, параметр использования топлива, параметр использования материала и т.д. Все эти критерии частные. Частные критерии, объединенные в один критерий, составляют комплексный критерий эффективности. Получен комплексный критерий эффективности.

Проведен синтез параметров системы. В соответствии с методом системного анализа техническая система может быть разделена на ряд подсистем. Основной подсистемой, определяющей характеристики системы

ПУ- ТМОД» является тепловая машина однократного действия. Целый ряд требований технического задания удовлетворяются при проектировании именно ТМОД. Рассмотрены ограничения при синтезе основных характеристик системы «ПУ-ТМОД», вытекающие из требований технического задания. Проведена процедура синтеза основных конструкционных и эксплуатационных характеристик на основе разработанного алгоритма синтеза параметров. Приведен ряд характерных вариантов расчета. Сравнивая характеристик проектированной ТМОД с характеристиками стандартной ТМОД показывает, что системный подход при проектировании позволяет улучшить основные характеристики ТМОД: по увеличению скорости в конце активного участка на 3-5%, уменьшить начальную массу на 10-14%, уменьшить массу конструкции двигателя на 1115%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нго Чи Ньят Линь, 2006 год

1. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика. М.: Оборонгиз, 1949.670 с.

2. Мамонтов М.А. Некоторые случаи течения газа. М.: Оборонгиз, 1951.-530 с.

3. Юрманова Н.П. Внутренняя баллистика ракетно-ствольных систем. -М.: Дом техники, 1967. 530 с.

4. Шипунов А.Г., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Расчет и проектирование энергетических узлов комплексов вооружения. Ч. 1. Тула: ТулГУ, 1997.- 116 с.

5. Шипунов А.Г., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Расчет и проектирование энергетических узлов комплексов вооружения. Ч. 2. Тула: ТулГУ, 2000.-104 с.

6. Никитин В.А., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Термодинамические основы внутренней баллистики. Тула: ТулГУ, 2004. - 172 с.

7. Макаровец Н.А., Устинов JI.A., Авотынь Б.А. Реактивные системы залпового огня и их эффективность. Тула: РАРАН, ФГУП «ГНПП «Сплав», ТулГУ, 2005-294 с.

8. Макаровец Н.А., Дмитриев В.Ф., Романовцев Б.М., Устинов J1.A., Каширкин А.А., Жабин И.П. Динамика старта реактивных снарядов из многоствольных пусковых установокю. Тула: ТулГУ, 2005. - 220 с.

9. Н.А.Макаровец , Г.А. Денежкин, В.И.Козлов, А.А. Редько. Экспериментальное моделирование и отработка систем разделения реактивных снарядов. Тула: РАРАН, ФГУП «ГНПП «Сплав», 2005. 216 с.

10. Жабин И.П., Бирюков М.М. Основание устройства и проектирования ракетного оружия. Тула: ТАИИ, 2004. - 332 с.

11. Дмитриев В.Ф., Романовцев Б.М., Устинов JI.A. Динамика старта реактивных систем залпового огня. Тула: ТулГУ, 2002. - 168 с.

12. Нгуен Куанг Тхыонг. Методы и модели безопасности, надежности и эффективности систем. Москва: Изд - во Российского университета дружбы народов, 2002. - 210 с.

13. Нго чи Ньят Линь. Математическая модель внутренней динамики при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Известия ТулГУ, Серия. Проблемы специального машиностроения, Выпуск 7, часть 1,2004 г., 89 -93 с.

14. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. Математическая модель динамики функционирования установки при комплексном подходе определения параметров тепловой машины. Известия ТулГУ, Серия. Проблемы специального машиностроения, Выпуск 7, часть 2, 2004 г. 139 -145 с.

15. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. Тепловая задача двигателей к комплексному подходу определения параметров РСЗО. Сборник материалов XV й НТС, ТАИИ, 2005 г., 473-475 с.

16. Нго Чи Ньят Линь. Устинов Л.А. К синтезу параметров тепловой машины РСЗО. Сборник материалов XV й НТС, ТАИИ, 2005 г., 475-477 с.

17. Нго Чи Ньят Линь, Власов А.В., Панасюк М.Ю. К вопросу проектирования ракетных двигателей для РСЗО. Оборонная техника, № 6-7, г.Москва, 2005 г., 26-30 с.

18. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. -М: Советское радио, 1973 473 с.

19. Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. Введение в системный анализ.-М.: «Высшая школа», 1989 г., 368 с.

20. Н.Н. Моисеев. Математические задачи системного анализа,- М.: «Наука», 1981 г.,-488 с.

21. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц. М: Наука, 1982-391 с.

22. Глушко В.П. и др. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. М: ВНИИТИ, 1971 - 255 с.

23. Дмитриевский А.А. Внешняя баллистика. М: Машиностроение, 1979-428 с.

24. Физические свойства стали и сплавов, применяемых в энергетике/ Под редакцией Неймарка Б. Е.- М.: Энергия, 1967,- 239с.

25. Корн Г.,Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1970.720с.

26. Г.Б. Иосилевич, Г.Б. Строганов, Г.С. Маслов. Прикладная механика. М: «Высшая школа», 1989, - 352 с.

27. Жермен П. Курс механики сплошных сред. М: «Высшая школа», 1983,-400 с.

28. Кузнецов А.А. Оптимизация параметров баллистических ракет по эффективности. М: «Машиностроение», 1986, - 160 с.

29. Венцель Е.С. Исследование операций. М: Советское радио, 1972.551с.

30. Квейд Э. Анализ сложных систем М: Советское радио, 1977.

31. Лэсдон J1.C. Оптимизация больших систем М: Наука, 1975.

32. Чуев Ю.В. Технические задачи исследования операций. М: Советское радио, 1971,242 с.

33. Шипунов А.Г., Игнатов А.В. Структурно-параметрический синтез пушечно-ракетных комплексов вооружения Тула: ГУП КБП, 2000, 168 с.

34. Королев А.А. (Под редакцией Королева А.А.) и др. Малогабаритные ракеты и баллистические установки. Межвузовский сборник задач.,-М: НТЦ «ИНФОРМАТИКА», 1990,160 с.

35. Коновалов А.А. Синтез технических систем. Свердловск: Академия наук СССР, Уральский научный центр, 1987, 62 с.

36. Makarovets N.A. Denezhkin G.A. Modernisation of BM-21/Militari Technologi, -No.5 May-1995.- p. 10-14/

37. Marvin Leibstone US Armi Equipment Force XXI / Militari Technologi, Vol. Issue 12 1995.-p.10- 14.

38. Jane's Armour and Artillery, 2000-2001.-803 c.