Качественное улучшение быстродействия струйных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

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