64407

МЕТОД ФОРМУВАННЯ СТРУКТУР СИСТЕМ БЕЗПЕРЕБІЙНОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ СТАРТОВИХ КОМПЛЕКСІВ РАКЕТ-НОСІЇВ НА ОСНОВІ МОДЕЛЮВАННЯ

Автореферат

Астрономия и авиация

Усі сучасні ракетнокосмічні комплекси як ті що експлуатуються так і ті що розроблюються вимагають забезпечення високонадійного й безперебійного електропостачання.

Украинкский

2014-07-06

376 KB

1 чел.

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

ФРОЛОВ Віктор Петрович

УДК 519.252

МЕТОД ФОРМУВАННЯ СТРУКТУР СИСТЕМ БЕЗПЕРЕБІЙНОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ СТАРТОВИХ КОМПЛЕКСІВ
РАКЕТ-НОСІЇВ НА ОСНОВІ МОДЕЛЮВАННЯ

Спеціальність 05.07.06 – Наземні комплекси, стартове обладнання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі двигунів та енергоустановок літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:   доктор технічних наук, професор

Безручко Костянтин Васильович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», проректор.

Офіційні опоненти:  доктор технічних наук, професор

Свищ Володимир Митрофанович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ»,   професор  кафедри   систем управління літальних апаратів;

доктор технічних наук, доцент

Січевий Олексій Володимирович

Дніпропетровський Національний університет імені Олеся Гончара, завідувач кафедрою енергетики.

Захист відбудеться « 21 »  січня   2011 р. у 1400  годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.02 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» за адресою: 61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17, ауд. № 307 головного корпусу

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» за адресою: 61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий « _____ » грудня  2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.062.02   Базима Л.О.


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Україна, перебуваючи у складі СРСР, розробляла й виготовляла один з найважливіших елементів космічної інфраструктури – ракети космічного призначення. Здобувши незалежність, як і колись, є одним з учасників космічної інфраструктури, що забезпечує освоєння космічного простору в межах проектів «Циклон-2», «Циклон-3», «Дніпро», «Морський старт», «Наземний старт».

Усі сучасні ракетно-космічні комплекси, як ті, що експлуатуються, так і ті, що розроблюються, вимагають забезпечення високонадійного й безперебійного електропостачання. Однак, підходи, що існують до забезпечення електропостачання стартових комплексів (СК), не повною мірою забезпечують сучасні вимоги й не відповідають досягненням сучасної техніки.

Більшість СК були спроектовані і створені більш 40 – 45 років тому й для здійснення запусків сучасних ракет-носіїв вимагають модернізації та принципово нового підходу до електропостачання.

Оскільки космодроми та їхні складові частини створювалися вперше у світі й не мали аналогів, багато вимог до системи електропостачання формувалися, осмислювалися та переосмислювалися вже в процесі її створення. У той же час, зі створенням нових ракетно-космічних комплексів і нагромадженням досвіду, удосконалювалася й система електропостачання.

Україна, не маючи можливості розмістити на своїй території космодром, розробляє за договором із федеративною республікою Бразилія новий космодром за проектом «Циклон-4», узявши на себе розроблення та виготовлення практично всієї наземної інфраструктури (у тому числі й системи електропостачання).

Наявність у складі космодрому «Алкантара» однієї комерційної та вкрай ненадійної мережі «Мараньяно» визначила нові підходи до формування надійної й безперебійної структури системи електропостачання наземної інфраструктури. Крім того, Україна в цей час проводить розроблення щодо створення космодромів і для інших країн (Туреччина, Саудівська Аравія й ін.).

Таким чином, тема цієї дисертації стосується пошуку методів і підходів до створення ефективних структур систем електропостачання сучасних стартових комплексів ракет-носіїв (РН) для забезпечення високої надійності й безперебійності електропостачання і є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в лабораторії автономної енергетики на кафедрі двигунів та енергоустановок літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» відповідно до планів на НДР й ДКР, у яких знайшли відображення наукові й прикладні результати роботи.

Цей напрямок досліджень безпосередньо пов'язаний з ДКР, проведеними ДП «КБ «Південне» із НКАУ (за темою «Циклон-4», контракт № ACS 22/2009 від 14.09.2009 р.), із МКК «Космотрас» (за темою «Дніпро», контракти 34/08 від 22.05.08;  49/07 від 3.09.09), ТОВ «МКУ» (за темою «Зеніт-М», контракт  70/05 від 1.12.05) і НДР, виконані в ХАІ за замовленням Міністерства освіти й науки України Г402-29/06 (№ ДР 0106U001057) «Принципи побудови перспективних систем енергозабезпечення ракетно-космічних комплексів».

Результати роботи знайшли застосування під час виконання в ХАІ госпдоговорних НДДКР за темою «Заряд’є-2-18М-1»: № 402-7-16/04 (№ ГР 0104U005892), № 402-7-8/05, «Розробка й апробація методик відновлення лужних хімічних джерел струму для продовження їхнього ресурсу в складі виробу»; №402-7-7/07, №402-7-16/06, «Прогнозування терміну експлуатації виробу 15Н1456 понад установлений термін експлуатації на підставі прискорених випробувань»; №402-7-14/08, №402-7-9/2009, «Розробка методики експрес-діагностики виробів 15Н1456 без зняття їх з об'єкта»; №402-7-15/2010, «Визначення можливості продовження строку експлуатації виробів 15Н1456 із складу комплекту Р56 САЕ Р90», за замовленням ДП «КБ «Південне».

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення методу формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв.

Для досягнення мети необхідно розв’язати наступні задачі:

1) виконати аналіз наявних систем електропостачання (СЕП) ракетно-космічних комплексів наземного, шахтного та водного базування;

2) виконати аналіз можливих позаштатних ситуацій, що виникають у СЕП;

3) створити метод формування структур систем надійного та безперебійного електропостачання  стартових комплексів ракет-носіїв;

4) розробити комплекс математичних моделей окремих агрегатів й у цілому СЕП стартових комплексів ракет-носіїв;

5) розробити та дослідити на основі моделювання нові структури систем електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв, що відповідають сучасним вимогам щодо безперебійності й надійності;

6) сформувати комплекс алгоритмів для дослідження пропонованих структур СЕП стартових комплексів ракет-носіїв;

7) виконати розрахункову оцінку основних параметрів отриманих структур СЕП за допомогою розроблених математичних моделей і провести  порівняння з параметрами наявних СЕП стартових комплексів різних класів;

Об'єктом дослідження є системи внутрішнього електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв.

Предмет дослідження – структури систем електропостачання стартових комплексів, що парирують можливі позаштатні ситуації для споживачів різних категорій.

Методи дослідження: методи аналізу й синтезу складних технічних систем, методи регресійного аналізу, методи математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше запропоновано метод формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв на основі моделювання та усування позаштатних ситуацій.

2. Запропоновано нові структури систем електропостачання для різних класів стартових комплексів ракет-носіїв, які враховують специфіку споживачів різних категорій і запобігають можливі позаштатні ситуації при роботі систем електропостачання.

3. Вперше запропоновані математичні моделі  систем електропостачання стартових комплексів, що дозволяють визначати для будь-якої отриманої структури системи електропостачання основні її параметри на стадіях передстартової підготовки, старту та скасування старту.

4. Вперше запропоновані алгоритмічні засоби, що дозволяють шляхом моделювання штатних і позаштатних ситуацій при роботі систем електропостачання стартових комплексів оцінювати її основні технічні та економічні показники, безперебійність і надійність.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Отримані результати використані для моделювання під час модернізації СЕП СК РН «Зеніт-3SB» на космодромі «Байконур» і СЕП СК РН «Дніпро» на космодромі «Ясний», а також можуть бути використані під час розроблення нового СК на космодромі «Алкантара» для РН «Циклон-4», у розробленні СЕП інших перспективних СК РН.

2. Для стартових комплексів різного типу розроблено та доведено до практичного застосування методику побудови математичної моделі СЕП у цілому; розроблені математичні моделі окремих складових частин систем електропостачання СК РН.

3. Створено методичне та інформаційне забезпечення, отримано технічні та алгоритмічні засоби, методи й методики використано під час: розроблення технічної документації СЕП стартових комплексів на космодромах «Байконур» (для РН «Зеніт-3SB») і «Алкантара» (для РН «Циклон-4»).

Практичне значення отриманих результатів підтверджується актом впровадження результатів дисертації на провідному підприємстві аерокосмічної галузі України ДП «КБ» Південне».

Особистий внесок здобувача. Наукові положення й результати дисертації, які винесені на захист, отримані особисто здобувачем.

З результатів, що були отримані у співавторстві, автору належать:

- ідея формування й вибору оптимальних структур СЕП СК для підготовки до запуску космічного апарату (КА) й використання систем гарантованого електропостачання;

- аналіз термінів експлуатації хімічних батарей, що використовуються у СЕП СК РН;

- аналіз структур СЕП сучасних стартових комплексів РН.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювалися на науково-технічних семінарах кафедри двигунів та енергоустановок літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», а також міжнародних:

– конгресах двигунобудівників (ХАІ, с. Рибаче, Крим, 2005, 2007, 2009 і 2010 рр.);

– науково-практичних конференціях «Людина і космос» (НЦАОМУ, м. Дніпропетровськ, 2007 р.);

– науково-технічних конференціях «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» (ХАІ, м. Харків, 2008 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 наукових статей (1 з них без співавторів) у профільних виданнях, що входять у Перелік ВАК, а також 11 тез доповідей у збірниках матеріалів конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 171 сторінок, у тому числі: основний текст на 116 стор., 71 ілюстрацій та 5 таблиць на 42 стор., список використаних джерел з 103 найменувань на 11 стор. та 1 додаток на 2 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дослідження, сформульовано мету й основні задачі дисертаційної роботи, визначено наукову новизну, практичну цінність та особистий внесок автора.

У першому розділі проведено огляд існуючих систем електропостачання СК наземного та шахтного базування. Розглянуто їх переваги й недоліки, проведено аналіз загальних принципів побудови складових частин систем електропостачання СК. Встановлено, що системи електропостачання різних космодромів відрізняються великою різноманітністю за складом, устаткуванням і за схемними рішеннями. Вивчено досвід експлуатації, переваги й недоліки структур наявних систем електропостачання СК різного призначення. Наведено основні вимоги до якості електропостачання сучасних СК.

На підставі проведених досліджень установлено, що загальнопромислова система електропостачання не зможе забезпечити необхідних показників якості електропостачання наземного технологічного обладнання (ТО) СК.

Система електропостачання сучасного космічного комплексу повинна забезпечувати: надійність і економічність; безпеку і зручність в експлуатації; належну якість електроенергії відповідно до вимог нормативних документів.

Споживачі електричної енергії об'єктів ракетно-космічних комплексів поділяються на три категорії (рис. 1).

Рис. 1. Класифікація споживачів за виконуваними
функціями і надійності

У другому розділі запропоновано метод формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв, заснованій на математичному моделюванні, що дозволяє розробляти у стислий час структури надійних систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв.

Під час формуванні системи гарантованого електропостачання на базі джерел безперебійного живлення (ДБЖ) у разі необхідності забезпечити тривалу роботу в автономному режимі (тобто за вимкнення вхідної електромережі) такий комплекс доповнюється однією або кількома дизельними енергоустановками (ДЕУ), щоб забезпечити тривалу автономну роботу (протягом десятків годин і більш).

Для ДЕУ, що працюють резервними джерелами електроенергії, автоматичний режим роботи є звичайним. Зникнення напруги мережі (або її значне зниження) більше ніж на кілька секунд служить причиною запускання дизель-генератора (рис. 2).

Рис. 2.  Часова діаграма роботи комплексу ДБЖ - ДЕУ для випадку аварійного відключення і подальшого відновлення основного електроживлення

Позаштатні ситуації під час експлуатації енергоустановок стартових комплексів за характером, причинами виникнення і способами усування можна поділити на три основні групи (рис. 3).

До групи I належать позаштатні ситуації, пов'язані з постійним або імпульсним підвищенням напруги електричної мережі, а також електричний шум. Позаштатні ситуації першої групи виникають у результаті увімкнення або вимкнення потужних споживачів електроенергії, а також взаємного впливу електричних приладів. Причиною позаштатної ситуації першої групи може також послужити атмосферна електрика.

Позаштатні ситуації групи II характеризуються гармонійним або частотним перекручуванням напруги електричної мережі. Такі позаштатні ситуації виникають у результаті увімкнення потужного нелінійного навантаження, перевантаження нейтралі або електричної мережі в цілому.

До групи III належать позаштатні ситуації, що виявляються в зниженні, провалах або повному вимкненні напруги електричної мережі. Вони виникають у разі перевантаження мережі, нестійкої роботи системи регулювання, аварій і помилок персоналу.

Рис. 3. Види позаштатних ситуацій електроживлення
стартових комплексів і м
етоди їх усування

Система електропостачання СК призначена забезпечувати електроенергією необхідного виду і якості в усіх режимах експлуатації наземного допоміжного електричного обладнання (НДЕО) КА й ТО, що беруть участь у підготовці КА й РН, на стартовій позиції.

Первинними джерелами електроенергії для СЕП є незалежні джерела електропостачання.

Система електропостачання СК структурно складається з наступних складових частин:

– дизель - генераторної енергоустановки;

– джерела безперебійного живлення;

– комутаційно-розподільних пристроїв з убудованими перетворювачами напруги;

– системи контролю якості електроенергії; комплекту кабелів внутрішньосистемних зв'язків.

Система електропостачання забезпечує:

– приймання й розподілення електроенергії за споживачами гарантованого електроживлення;

– автоматичне увімкнення резервного ДЖ від ДЕУ у разі зникнення електроенергії (або виході параметрів за межі допусків) на обох уведеннях системи внутрішнього електропостачання;

– захист електроустаткування СК від струмів короткого замикання і струмів перевантажень у споживачах.

Наземне допоміжне електричне обладнання КА й технологічне обладнання, що бере участь у підготовці КА, є споживачами електроенергії 1 категорії особливої групи.

У зв'язку з тим, що вищевказані елементи системи електропостачання не забезпечують наземне допоміжне обладнання КА й технологічне обладнання гарантованим електроживленням за 1 категорії особливої групи, стартова позиція доустатковується системою джерел безперебійного живлення.

Для формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів наземного й шахтного базування розроблений алгоритм процесу формування цих схем (рис. 4).

У третьому розділі розв’язано задачу раціональної побудови математичних моделей. Концепція розроблення математичних моделей відображає послідовність операцій: завдання вихідних умов моделювання – декомпозицію – інформаційне забезпечення – синтез моделі – перевірення адекватності й уточнення (ідентифікація) моделі.

На першій стадії розроблення математичних моделей визначають функціональні зв'язки СЕП. Основними вихідними параметрами для узагальненої СЕП СК є напруга (U) і потужність (N) зовнішньої стаціонарної енергосистеми. Функціональними зв'язками CЕП необхідно вважати зв'язок із системами СК - умовами забезпечення електроенергією технічних систем (ТС), технологічного обладнання (ТО) і наземного допоміжного обладнання космічного апарата (НДО КА). Це зводиться до забезпечення заданих параметрів графіка електроспоживання цих систем.

У підсумку узагальнена системи рівнянь, що описує СЕП, може бути подана в такому загальному вигляді:

   (1)

   (2)

Після декомпозиції СЕП СК визначають основні складові СЕП на рівні агрегатів і формують структуру функціональних зв'язків параметрів агрегатів і вузлів СЕП СК.

Рис. 4. Блок-схема методу формування структури СЕП СК

Виділяють кожен елемент, що входить до складу СЕП СК, і для кожного елементу записують математичні моделі. Основні рівняння, що входять до складу математичних моделей агрегатів і вузлів СЕП СК, наведено нижче:

а) дизельна енергоустановка (ДЕУ):

  (3)

б) розподільний блок (РБ):

     (4)

в) трансформатор (Тр):

   (5)

г) джерело безперебійного живлення (ДБЖ):

де – максимальна потужність двигуна, кВт; – питома витрата палива за максимальної потужності, кг/кВтг; n – обрана частота обертання колінчатого вала, 1/с; ne – частота обертання, що відповідає максимальній потужності, 1/с; А, В, С, А1, В1, С1 – постійні коефіцієнти; GT – витрата палива, кг/ч; Ме – крутний момент, Н;  – номінальна напруга, В;  – повний опір, Ом;  – активний опір, Ом;  – реактивний опір, Ом;  – напруга на початку лінії I, В;  – струм на початку лінії I, А;  – кількість витків;  – коефіцієнт пульсацій;  – коефіцієнт згладжування фільтра; U1m – амплітуда основної гармоніки пульсацій, В; Ud – постійна складова напруги на вході фільтра, В;  - індуктивність фільтра, Г;  - коефіцієнт трансформації;  - фазна напруга, В; - струм у фазі, А;  - напруга джерела безперебійного живлення, В;  - розрядна напруга акумулятора, В;  - розрядній струм акумулятора, В;  - потужність джерела безперебійного живлення, Вт.

Четвертий розділ присвячений моделюванню позаштатних ситуацій і позаштатних режимів роботи СЕП різних СК: легкого класу наземного базування, легкого класу шахтного базування, середнього класу наземного базування. Отримано структури СЕП цих СК. Проведено порівняння чисельних значень основних параметрів вузлів й агрегатів СЕП стартових комплексів різних космодромів.

Використовуючи розроблені математичні моделі систем електропостачання для стартових комплексів сучасних ракет-носіїв, проведено моделювання штатних режимів роботи для забезпечення запускання різних типів ракет носіїв.

Використовуючи огляд наявних СЕП СК, сформовано структуру СЕП СК «першого рівня» (рис. 5). Система «першого рівня» – це СЕП СК, що забезпечує роботу всіх споживачів СК у штатному режимі. Для живлення споживачів у системі «першого рівня» буде використане одне основне джерело енергії.

Структура СЕП «першого рівня» відповідає базової СЕП, що може забезпечити передстартові перевірки та старт РН у повному обсязі. Однак, СЕП «першого рівня» не дозволяє проводити роботи у разі виникнення позаштатних ситуацій. Для усування можливих позаштатних ситуацій, відповідно до схеми на рис. 3, необхідно в структуру СЕП унести зміни. Кожна зміна, що внесена в структуру СЕП СК, призводить до зміни її рівня.

Використовуючи послідовність операцій під час здійснення старту й циклограму потужностей споживачів під час старту РН розраховано циклограми потужності джерела живлення та всіх елементів, що входять до складу СЕП кожного рівня.

Використовуючи математичні моделі, визначено зміну потужності джерела живлення та значення необхідних потужностей для кожного елемента вхідного до складу СЕП кожного рівня.

а)

б)

Рис. 5. Базова схема системи електропостачання СК легкого класу наземного базування (а) та легкого класу шахтного базування (б) і середнього класу наземного базування (б): ДЖ – джерело живлення; ЦРБ – центральний розподільний блок; Тр. – трансформатор; РБ – розподільний блок; ГРБ – головний розподільний блок; ЩЖ – щит живлення.

Позаштатна ситуація в роботі СЕП – це подія, за якої в результаті аварії в системі зовнішнього або внутрішнього електропостачання припиняється робота одного або кількох основних джерел живлення.

У разі виникнення позаштатної ситуації СЕП в автоматичному режимі перемикається на позаштатний режим роботи. За позаштатного режиму роботи СЕП перемикає споживачі на роботу від резервних джерел живлення.

Для забезпечення безперебійності роботи СЕП СК необхідно розглянути всі можливі позаштатні ситуації та перебудувати СЕП для усування виниклої позаштатної ситуації.

У відповідності зі схемою на рис. 3 у першу групу позаштатних ситуацій входять: підвищення напруги, високовольтні імпульси та електричний шум.

Щоб усунути вищевказані позаштатні ситуації й забезпечити електропостачання необхідно до складу системи електропостачання залучити фільтрувальні елементи. Як фільтрувальні елементи (ФЕ) у системах електропостачання використовуються трифазні випрямники.

У другу групу позаштатних ситуацій входять: гармонійні перекручування напруги й нестабільна частота.

Щоб усунути ці позаштатні ситуації й забезпечити якісного електропостачання, найбільш оптимальним є використання подвійного перетворення напруги. Для забезпечення подвійного перетворення напруги використовують джерела безперебійного живлення з електрохімічними акумуляторними батареями.

Функціонально ДБЖ забезпечує взаємне резервування основного джерела електроенергії та другого незалежного джерела – акумуляторної батареї, при цьому забезпечуючи подвійне перетворення напруги.

До складу сучасних джерел безперебійного живлення, як правило, входять фільтрувальні елементи, отже, для усування позаштатних ситуацій першої групи може використовуватися також ДБЖ замість фільтрувального елемента.

У третю групу можливих позаштатних ситуацій входять: зниження напруги, провали напруги або повне вимкнення напруги системи електропостачання, а також специфічної позаштатної ситуації, що ставляться до конкретного СЕП.

Позаштатні ситуації третьої групи виникають за порушення роботи основного джерела живлення.

Щоб забезпечити безперебійність електропостачання СК, необхідно усунути зазначені позаштатні ситуації цієї групи введенням додаткового резервного джерела живлення. Додатковими резервними джерелами живлення можуть бути: додаткові лінії електроенергії централізованої мережі; автономні електростанції; дизельні енергоустановки; електрохімічні акумуляторні батареї.

Отже, після моделювання позаштатних ситуацій даної групи СЕП СК повинна відповідати стандартам, згідно з якими електропостачання обладнання категорії 1а повинне забезпечуватися від трьох незалежних джерел електроенергії, причому два з них повинні бути увімкнені в «гарячому резерві».

а)

б)

в)

Рис. 6. Одержані структурні схеми систем електропостачання стартових комплексів (підсумкові варіанти) для забезпечення старту РН: легкого класу наземного (а) та шахтного базування (б), середнього класу наземного базування (в): ПАУР – пристрій автоматичного увімкнення резерву; с.ш. – секція шини; ЩГЖ – щит гарантованого живлення; БЖ – блок живлення; ПУ – пусковий пристрій; БХ – батарея хімічна; ТПК – транспортно-пусковий контейнер.

У результаті виконання дисертаційних досліджень отримано структури СЕП СК: легкого класу для РН типу «Циклон-4», легкого класу для РН типу «Дніпро» і середнього класу для РН типу «Зеніт» (рис. 6).

Всі розглянуті СЕП стартових комплексів відповідають трьом напрямкам дослідження:

1. Розроблення цілком нової СЕП СК (наприклад, СЕП СК легкого класу для ракет-носіїв типу «Циклон-4»).

2. Конверсія СЕП наявних СК військових стратегічних ракет для запуску комерційних РН (наприклад, СЕП СК легкого класу ракет-носіїв типу «Дніпро»).

3. Модернізація наявних СЕП СК (наприклад, СЕП СК середнього класу ракет-носіїв типу «Зеніт»)

На рис. 7 наведено блок-схему алгоритму оцінення якості розроблених та існуючих структур СЕП СК різних класів, за допомогою якого можна в автоматичному режимі оцінювати якість та розрахувати параметрі структур СЕП СК.

Рис. 7. Блок-схема алгоритму оцінки якості розроблених і наявних структур СЕП СК різних класів.

У таблиці 1 подано результати порівняння параметрів деяких вузлів агрегатів СЕП різних наявних стартових комплексів, з аналогічними параметрами, отриманими в результаті розрахунків.


Таблиця 1

Порівняння параметрів агрегатів СЕП різноманітних стартових комплексів

Агрегат

Параметр

СК для РН типу «Циклон-4»

СК для РН типу «Дніпро»

СК для РН типу «Зеніт»

СК космодрому у Південній Кореї

СК космодрому у Куру

Фактично на космодромі Алкантара

Отримане в результаті дослідження

Фактично на космодромі
Ба
йконур

Отримане в результаті дослідження

Фактично на космодромі
Ба
йконур

Отримане в
результаті д
ослідження

ДЖ

Кількість, шт.

1

1

4

2

4

2

1

1

Сумарна потужність, МВт

5,0

1,8

0,6

0,19

24,0

12,6

2

16

Потужність одиничного агрегату, МВт

5,0

1,8

0,6/6/0,5/0,11

0,095

6,0/6,0/

0,5/24,0

6,3

2

16

Напруження, кВ

13,8

13,8

6,0

13,8

6,0

13,8

6,0

6,0

Інтенсивність відмови, 1/г

210-5

210-5

1,9810-5

210-5

2,1510-6

210-5

210-5

210-5

Енерговитрати, МВтг

115

41,4

4,8

1,52

2640

1386

48

1920

ДЕУ

Кількість, шт.

2

2

2

1

2

2

4

1

Сумарна потужність, МВт

5,0

3,6

0,5

0,072

24,0

9,46

2

16

Потужність одиничного агрегату, МВт

5,0

1,8

0,5/0,110

0,072

0,5/24,0

4,73

2

16

Напруження, кВ

13,8

13,8

0,38

0,38

0,38

0,38

6,0

6,0

Інтенсивність відмови, 1/г

3,710-5

310-5

1,29810-5

1,310-5

1,4310-5

1,310-5

3,810-5

310-5

Енерговитрати, МВтг

115

82,8

4

1,38

26,40

1040

48

1920

ЦРБ

Потужність, МВт

5,0

1,8

0,5

0,095

8,0

6,3

-

16

Напруження, кВ

13,8

13,8

6,0

13,8

6,0

13,8

-

6,0

Інтенсивність відмови, 1/г

1,5310-5

1,510-5

310-5

3,210-5

3,410-5

3,010-5

-

1,710-5

Енерговитрати, МВтг

115

41,4

4

0,76

880

693

-

1920

Тр.

Кількість, шт.

6

4

2

2

14

2

2

2

Сумарна потужність, МВт

5,0

3,6

0,5

0,19

8,0

12,6

2

32

Потужність одиничного агрегату, МВт

1,0/1,5/

2,0

1,5; 0,3

0,5/0,5

0,095

0,8

6,3

1

16

Напруження, кВ

13,8/0,38

13,8/0,38

6,0/0,38

13,8/0,38

6,0/0,38

13,8/0,38

6,0/0,38

6,0/0,38

Інтенсивність відмови, 1/г

2,110-5

210-5

210-5

1,9810-5

1,710-5

1,510-5

210-5

1,9

Енерговитрати, МВтг

115

82,8

4

1,52

15,40

1386

48

3840

ДБЖ

Кількість, шт.

12

1

1

1

4

2

1

1

Сумарна потужність, МВт

0,258

0,172

0,040

0,035

0,286

0,43

0,3

2

Потужність одиничного агрегату, МВт

0,040/

0,003

0,172

0,040

0,035

0,14/

0,03

0,2; 0,23

0,3

2

Напруження, кВ

0,38/0,22

0,38

0,38

0,38

0,38

0,38

0,38

0,38

Інтенсивність відмови, 1/г

5,210-6

510-6

0,710-6

0,410-6

5,210-6

510-6

510-6

510-6

Енерговитрати, МВтг

5,934

3,956

0,32

0,28

31,46

47,3

7,2

240

Розрахунок показників якості електроенергії для обраних варіантів схем СЕП СК проведено за допомогою виразів і формул, які відповідають сучасним стандартам і дозволяють забезпечувати старт РН із різними КА різних виробників незалежно від країни.

Значення показника надійності розраховані за допомогою методу, що враховує окремі показники надійності складових частин СЕП СК. Розрахунок проведено виходячи з умов, що в момент надходження команди на виконання робіт апаратури СЕП СК перебуває в налагодженому стані.

ВИСНОВКИ

За результатами дисертації можна зробити наступні висновки:

  1.  Пропонований метод формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв на основі моделювання дозволяє без істотних витрат сформувати структуру надійної і безперебійної системи електропостачання стартового комплексу.
  2.  Проведені дослідження можливих позаштатних ситуацій під час підготовки ракети-носія до старту й під час старту дозволили здійснити низку заходів і визначити пристрої для парирування цих позаштатних ситуацій в експлуатації системи електропостачання стартового комплексу.
  3.  Побудова структур систем електропостачання стартових комплексів на ідеї парирування можливих позаштатних ситуацій дозволяє створювати структури систем електропостачання, відповідним вимогам щодо безперебійності, надійності та якості електроенергії.
  4.  Розроблена автором узагальнена структура і послідовність побудови математичних моделей систем електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв дозволяє, за необхідності, побудувати математичні моделі для будь-яких структур систем електропостачання в автоматизованому режимі.
  5.  Розроблені математичні моделі систем електропостачання стартових комплексів для запуску ракет-носіїв легкого класу наземного й шахтного базування, а також ракет-носіїв середнього класу наземного базування дозволили провести розрахунок параметрів вузлів і агрегатів, що входять до складу систем електропостачання.
  6.  Проведені дослідження структур систем електропостачання стартових комплексів дозволили сформувати структури систем електропостачання:

– під час розроблення абсолютно нового стартового комплексу (м. Алкантара) для запуску ракет-носіїв  легкого класу типа «Циклон-4»;

– під час конверсії систем електропостачання існуючих стартових комплексів військових стратегічних ракет для запуску комерційних ракет-носіїв легкого класу шахтного базування типа «Дніпро»;

– під час модернізації існуючих систем електропостачання стартових комплексів для запуску ракет-носіїв середнього класу типа «Зеніт».

  1.  Запропонований метод формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв може бути використаний для розв’язання практичних завдань, пов'язаних зі створенням космодромів як для України, так і для інших країн.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андрюков Р.А. Обеспечение электроснабжения космического аппарата и технологического оборудования, участвующего в подготовке КА, на стартовой позиции космического ракетного комплекса / Р.А. Андрюков, К.Н. Земляной, В.П. Фролов, СВ. Сиденко // Авиационно-космическая техника и технология. Научно-технический журнал - Нац. аэрокосмич. ун-т «Харьк. авиац. авиац. ин-т», Вып. 9(25), Харьков, ХАИ, 2005. с.157-162

Здобувачем було виконано проектування структури безперебійного електропостачання стартового комплексу.

2. Безручко К.В. Анализ систем электроснабжения стартовых комплексов современных ракет-носителей / К.В. Безручко, А.О. Давидов, К.Н. Земляной, В.П. Фролов. // Вестник Двигателестроения. Научно-технический журнал. - Запорожье - 2008. - № 3. - с.41-44.

Здобувачем було виконано аналіз структур систем електропостачання стартових комплексів сучасних ракет-носіїв.

3. Безручко К.В. Пути продления ресурса электрохимических накопителей энергии, применяемых в ракетно-космической технике / K.B. Безручко, С.В. Губин, А.О. Давидов, В.П. Фролов, А.А. Харченко // Авиационно-космическая техника и технология. Научно-технический журнал – Нац. аэрокосмич. Ун-т «Харьк. авиац. Ин-т», Вып. 7(23), Харьков, ХАИ, 2005. с. 229 - 242.

Здобувачем були досліджені вимоги до акумуляторів систем електропостачання стартових комплексів сучасних ракет-носіїв.

4. Безручко К.В. Методы прогнозирования сроков эксплуатации химических батарей ракетных комплексов / К.В. Безручко, А.О. Давидов, СВ. Сиденко, СВ. Ширинский, В.П. Фролов, К.Н. Земляной, Р.А. Андрюков // Авиационно-космическая техника технология. Научно-технический журнал - Нац. аэрокосмич. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», Вып. 4(40), Харьков, ХАИ, 2007. с.62-65.

Здобувачем були досліджені ресурсні характеристики акумуляторів систем електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв.

5. Земляной К.Н. Выбор оптимальной структуры системы гарантированного электропитания наземного вспомогательного электрического оборудования КА / К.Н. Земляной, Р.А. Андрюков, В.П. Фролов// Вісник дніпропетровського університету, Дніпропетровськ, ДНУ, - 2007. - № 9/2.-С.19-20.

Здобувачем було запропоновано метод формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв на основі моделювання та усування позаштатних ситуацій.

6. Фролов В.П. Формирование рациональных структур систем электрообеспечения современных стартовых комплексов / В.П. Фролов  // Авиационно-космическая техника технология. Научно-технический журнал - Нац. аэрокосмич. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», Вып. 10(77), Харьков, ХАИ, 2010. с.38-41.

АНОТАЦІЯ

Фролов В.П. Метод формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв на основі моделювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.06 – Наземні комплекси, стартове обладнання. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», Харків, 2010 р.

Дисертація присвячена створенню методу формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв на основі моделювання. Який заснований на математичному моделюванні, дозволяє розробляти у стислий час структури надійних систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв, які розробляються, модернізуються або використовуються за програмою конверсії.

У роботі проведено огляд та аналіз структури сучасних та перспективних систем електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв різних класів.

Запропонований метод формування структур систем безперебійного електропостачання стартових комплексів ракет-носіїв на основі моделювання та усування позаштатних ситуацій.

У роботі також запропоновано нові структури систем електропостачання для різних класів стартових комплексів ракет-носіїв, які враховують специфіку споживачів різних категорій і парирують можливі позаштатні ситуації під час роботи систем електропостачання.

У роботі запропоновані математичні моделі систем електропостачання та алгоритми, що дозволяють за допомогою моделювання штатних і позаштатних ситуацій при роботі систем електропостачання стартових комплексів оцінювати її основні технічні та економічні показники, безперебійність і надійність.

Ключові слова: стартовий комплекс, система електропостачання, якість, надійність, ракетно-космічні комплекс.

АННОТАЦИЯ

Фролов В.П. Метод формирования структур систем бесперебойного электроснабжения стартовых комплексов ракет-носителей на основе моделирования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.06 – Наземные комплексы, стартовое оборудование. – Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Харьков, 2010 г.

Диссертация посвящена созданию метода формирования структур систем бесперебойного электроснабжения стартовых комплексов ракет-носителей на основе моделирования. Который основан на математическом моделировании, позволяет разрабатывать в короткие сроки структуры надежных бесперебойного электроснабжения стартовых комплексов ракет-носителей, которые разрабатываются, модернизируются или используются по программе конверсии.

В работе проведен обзор и анализ структур современных и перспективных систем электроснабжения стартовых комплексов ракет-носителей разных классов.

Проведен анализ возможных нештатных ситуация возникающих при работе систем электроснабжения стартовых комплексов. Выполнена классификация нештатных ситуаций с указанием причин возникновения, последствий и методов парирования этих нештатных ситуаций.

Предложен метод формирования структур систем бесперебойного электроснабжения стартовых комплексов ракет-носителей, основанный на моделировании и предотвращении нештатных ситуаций.

В работе, также предложены новые структуры систем электроснабжения для разных классов стартовых комплексов ракет-носителей, которые учитывают специфику потребителей разных категорий и парируют возможные внештатные ситуации при роботе систем электроснабжения.

Разработан алгоритм создания математических моделей для различных структур систем электроснабжения в автоматизированном режиме. Предложены математические модели систем электроснабжения, которые позволяют определить для любой полученной структуры систем электроснабжения основные ее параметры на стадиях предстартовой подготовки, старта и отмены старта.

Получены и проанализированы структуры систем электроснабжения: вновь разрабатываемых стартовых комплексов; конверсионных стартовых комплексов военных стратегических ракет для запуска коммерческих ракет-носителей; модернизированных стартовых комплексов.

В работе предложены алгоритмы, которые позволяют при помощи моделирования штатных и нештатных ситуаций при работе систем электроснабжения стартовых комплексов оценивать ее основные технические и экономические показатели, бесперебойность и надежность.

Ключевые слова: стартовый комплекс, система электроснабжения, качество, надежность, ракетно-космический комплекс.

ABSTRACT

Frolov V.P.  Model-based method of uninterrupted power-supply system structure formation of carrier rocket launch complexes. – Manuscript.

Candidate of technical science dissertation by 05.07.06 specialty – Ground complexes, launch complexes. – National aerospace university, Kharkiv, 2010.

Dissertation covers creature of model-based method of uninterrupted power-supply system structure formation of carrier rocket launch complexes. Mathematical simulation method allows to develop safe uninterrupted power-supply system structures of carrier rocket launch complexes, which are developed, modernized and used according to conversion program, in a short term.

Review and analysis of modern and perspective power-supply system structure of carrier rocket launch complexes of different classes are carried out in this work.

Introduced method of uninterrupted power-supply system structure formation of carrier rocket launch complexes is based on modeling and prevention of contingency.

In the work the new structures of power systems for different classes of carrier rocket launch complexes, which take into account specificity of different categories users and parry possible contingencies when operating power systems, are also proposed.

In the work the power system mathematical models and algorithms, which allow by a modeling of optimum and off-optimum situations when operating launch complexes power system to estimate its main technical and economic indexes, uninterruptedness and reliability, are proposed.

Keywords: launch complex, power system, quality, reliability, space-rocket complex.

Підписано до друку 10.12.2010 р.

Формат 6090/16 Папір офсетний. Овс. друк

Ум. друк. арк. 1,0. Наклад 100 прим. Зам. №

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр «ХАІ»

61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu