Качественное улучшение быстродействия струйных элементов
П.В. Коврыгин
Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва, Россия
В настоящей работе рассмотрен подход к улучшению быстродействия элементной базы струйной техники, характеристики которой должны позволить реализовать многие задачи управления.
Если оценивать характеристики струйных систем [1], они на два порядка более надежны, чем электромеханические потому, что:
· не имеют подвижных и трущихся фрагментов;
· не создают электромагнитных и механических помех для другой бортовой аппаратуры;
· имеют низкую стоимость производства и эксплуатации;
· не подвержены физическим неисправностям, связанным с изменением уровня питания;
· не используют прикладного и системного МО.
Кроме того, они сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур рабочего газа и окружающей среды [2]. Именно это делает весьма привлекательным использование струйных элементов. Однако струйные элементы обладают существенно более низким быстродействием в сравнении с электронными. Поэтому, возникает необходимость повышения быстродействия струйных элементов.
В работах [1, 3] было показано, что быстродействие струйных элементов повышается с уменьшением их линейных размеров и увеличением скорости истечения рабочего газа в каналах питания. Поэтому основными методами повышения быстродействия струйных элементов являются:
· миниатюризация струйных элементов;
· использование газов с меньшей плотностью, например, гелия, водорода или гелиево-водородной смеси;
· использование рабочих газов с большей скоростью распространения звуковых волн (те же гелий или водород);
· совершенствование технологии изготовления и переход к устройствам со степенью интеграции до 15...20 и более элементов в см3.
Физические свойства и параметры рабочего газа определяют газодинамические процессы в струйных элементах: давление питания, с которым подводится газ к струйным устройствам; давление окружающей среды, в которую сбрасывается прошедший через струйные устройства газ; сам газ с его плотностью и скоростью распространения в нём звуковой волны.
Рассмотрим влияние указанных параметров рабочей среды на быстродействие струйных элементов. Можно воспользоваться формулой, предложенной в работе [5] для всего диапазона докритических режимов истечения, если плотность газа считать по давлению окружающей среды p1.
или (1)
где ?р - разность давлений до и после сопла. Соответственно, для объёмного расхода
(2)
Для одного и того же сечения сопла при различных условиях истечения соотношения весовых расходов можно представить
(3)
а для объёмных расходов
(4)
Для СУ ЛА важнейшие показатели струйных элементов - быстродействие, весовой расход рабочей среды и потребляемая мощность. Они практически и определяют ГМХ СУ ЛА.
Рассмотрим зависимости указанных показателей от давления питания, выбора рабочей среды и давления окружающего пространства, куда она сбрасывается.
Для удобства выявления характера этих зависимостей в струйных элементах введем относительные коэффициенты и сравним с известными, принятыми за исходные.
За исходные принимаем значения для струйного активного элемента, имеющего ширину канала сопла питания 0,4 мм, глубину 0,8 мм, работающего на воздухе с избыточным давлением питания 1 кПа при абсолютном давлении окружающей среды 100 кПа. При этих условиях объёмный расход Q = 40 нл/ч. Удельный вес воздуха при этих условиях равен 1,29 кг/м3, а весовой расход - G = 0,05 кг/ч. Мощность питания элемента с округлением примем равной 10 мВт.
Введем следующие относительные коэффициенты. Относительный коэффициент быстродействия ?V соответствующий отношению скорости истечения через сопло питания при работе на выбранных рабочем газе, давлениях питания рабочей и окружающей сред к скорости истечения через сопло при вышеуказанных исходных условиях; при расчете величины ?V отношение скоростей можно заменить отношением объёмных расходов при тех же условиях.
Относительные коэффициенты ?G и ?N определяют соответствующие отношения весовых расходов и мощностей к тем же исходным значениям, причем для самих этих условий значения указанных коэффициентов равны единице. По формулам (1)-(4) были рассчитаны величины этих коэффициентов для случаев работы струйного элемента при разных избыточных давлениях питания (0,1 … 10 кПа), абсолютных давлениях окружающей среды (100 …1 кПа) и различных рабочих средах (воздух, гелий, водород).
Для более наглядного восприятия приведенной выше таблицы и важных коэффициентов быстродействия полученных экспериментальным путем было проведенное численное моделирование параметров в программной оболочке MATLAB 2008. Получены следующие поверхности: быстродействие в зависимости от перепада давления питания и плотности рабочей среды ?V(?P,?) - рис.1, весовой расход в зависимости от перепада давления питания и плотности рабочей среды ?G(?P,?), мощность в зависимости от перепада давления питания и плотности рабочей среды ?N(?P,?)
Рис. 1. Быстродействие в зависимости от перепада давления питания и плотности рабочей среды
струйный давление газ быстродействие
Основным фактором, определяющим коэффициенты ?V, ?G и ?N при заданном избыточном давлении питания, является плотность рабочей среды независимо от того, на каком газе работают струйные элементы.
Важное обстоятельство - снижение коэффициента ?G с переходом на легкие газы и пониженное абсолютное давление. Весовой расход газа при этом снижается во столько раз, во сколько увеличивается быстродействие ?V. Этот фактор - важнейший для ЛА, так как уменьшается весовой расход с увеличением объёмного расхода.
Заключение
· Увеличение быстродействия струйной техники связано с уменьшением линейных размеров первичных струйных элементов, понижением абсолютного давления окружающей среды (в полости сброса рабочей среды) и применением легких газов.
· Современный уровень техники позволяет достичь быстродействия струйных элементов порядка 200 кГц
· Изготовление быстродействующих струйных устройств должно выполняться на базе развитой технологии с высоким уровнем интеграции.
Литература
1. Касимов А.М., Мамедли Э.М., Попов А.И., Чернявский Л.Т. Радикальное повышение быстродействия элементной базы резервных систем управления летательными аппаратами. //Датчики и Системы..- 2005.-№ 4, с. 29-33.
2. Залманзон Л. А. Теория элементов пневмоники. - М.: Наука, 1969. -508 с.
3. Степанов Г. П., Касимов А. М., Белуков А. А., Вологодский Н. В. Струйная пневмоавтоматика воздушно-реактивных двигателей в авиационной практике // Избр. тр. Междунар. конф. по проблемам управления: ИПУ РАН. - М., 1999. Т. 2. - с. 220-232.
4. Касимов А. М. Пути увеличения быстродействия элементов и приборов струйной техники. /Струйная техника автоматического управления. -М.: Наука, 1965.. - с. 451-454.
5. Березовец Г. Т., Дмитриев В. Н, Наджафов Э. М. О допустимых упрощениях при расчете пневматических регуляторов.// Приборостроение. -1957. № 4, с. 55-56.