Введение 5
1 Состояние вопроса 8
2 Схемотехническая часть 10
3 Программная часть 33
Заключение 53
Список используемой литературы 54
Приложение А Текст программы
В настоящее время беспилотные летательные аппараты широко используются в различных сферах деятельности. В качестве перспективного направления развития в области беспилотной авиации рассматривается разработка эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ЭПуВРД), имеющего простую конструкцию из-за отсутствия подвижных деталей и низко затратного в производстве. Преимуществом данной конструкции является прогрессивная тяговая характеристика, т.е. с увеличением скорости набегающего потока увеличивается наполнение воздухом камеры сгорания и, как следствие, тяга двигателя возрастает [6, 7].
Существуют различные модификации ЭПуВРД, но основное их устройство следующее (рисунки 1, 2): топливо, распыляемое форсункой 1, попадает вместе с потоком набегающего воздуха в первый смеситель 2, где происходит образование топливо-воздушной смеси. Далее смесь попадает во второй смеситель 4, минуя эжектор 5. На выходе из второго смесителя поток смеси, отражаясь о стенку 8 и козырек 7, попадает в камеру сгорания 19.
В двигателе установлены поперечные кольца 12, 20 (спирали Щелкина), увеличивающие турбулентность при выходе горящей топливной смеси из камеры сгорания. В процессе горения смесь поступает в резонаторную трубу 9, имеющую на конце расширение 11. Пуск двигателя осуществляется от свечи зажигания 10. Характерной, но не принципиальной, особенностью двигателя, показанного на рисунках 1, 2, является наличие на стенке 17 аэродинамического клапана 13 для дополнительной подачи воздуха в камеру сгорания 19 и форсунка 14, подсоединенная к топливопроводу 15.
Аэродинамический клапан может устанавливаться на модификациях ЭПуВРД, предназначенных для более высоких скоростей полетов, чем модификации без такого клапана [9-11, 14, 15].
Цель работы состоит в том, чтобы разработать электронный блок управления (ЭБУ), который в зависимости от скорости набегающего потока воздуха должен создавать требуемое давление топлива в топливопроводе, и соответствующий расход топлива. Зависимости расхода топлива от воздушной скорости различны для разных модификаций двигателей и определяются опытным путем во время стендовых испытаний. Кроме регулирования расхода топлива, ЭБУ должен регистрировать некоторые параметры работы двигателя, то есть иметь функцию самописца. Таким образом, ЭБУ должен с помощью датчиков замерять следующие физические величины:
- скорость набегающего потока воздуха;
- давление топлива в топливной рампе;
- давление в камере сгорания;
- температуры в определенных точках двигателя.
Особенностью всех пульсирующих воздушно-реактивных двигателей является то, что для надежного запуска требуется некоторая начальная скорость воздушного потока, т.е. необходима продувка двигателя перед стартом. Также для увеличения дальности действия летательного аппарата (ЛА), оснащенного любым двигателем, необходимо придать ему, например, с помощью наземных пусковых устройств или твердотопливных ускорителей, некоторую начальную скорость. То есть летательный аппарат, оснащенный ЭПуВРД, будет испытывать некоторое ускорение при старте, что можно использовать в качестве сигнала для ЭБУ о начале работы. Для этого ЭБУ требуется оснастить акселерометром. Для осуществления функции самописца требуется наличие съемного энергонезависимого устройства хранения данных, например, карты Flash памяти microSD формата. Управление расходом топлива ЭБУ осуществляет с помощью исполнительных механизмов, которыми являются электрические топливные насосы, работающие совместно, а также электромагнитный (соленоидный) клапан, перекрывающий подачу топлива в двигатель. Для управления исполнительными механизмами в ЭБУ имеются транзисторные ключи с импульсной нагрузочной способностью не менее 50 А. Питание всей системы управления должно осуществляться от литий-полимерного аккумулятора с номинальным напряжением 14,8 В и емкостью 4000 мА-ч.
В данной бакалаврской работе был разработан опытный образец электронного блока управления пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с аэродинамическим клапаном, который в зависимости от расхода воздуха воздушно-реактивного двигателя должен обеспечивать соответствующий расход топлива. Расход воздуха напрямую связан со скоростью набегающего потока воздуха, поэтому для его измерения используется трубка Пито, подключенная к дифференциальному датчику давления. Расход топлива напрямую связан с давлением в топливопроводе, поэтому для его измерения используется манометрический датчик давления. Электронный блок управления позволяет легко изменять топливную характеристику, согласно которой осуществляется регулирование подачи топлива, что особенно важно во время опытно-конструкторских работ, когда параметры объекта управления постоянное претерпевают изменения.
В первой части работы был проведен анализ существующих решений на основании результатов патентного поиска. Определены функциональные структуры, способы решения конструкторских задач.
Во второй части были определены технические характеристики датчиков и исполнительных механизмов, разработана структурная схема опытного образца и его принципиальная электрическая схема в системе автоматизированного проектирования (САПР) sPlan 7.0, показан расчет номиналов электронных компонентов аналоговых цепей с использованием САПР PTC Mathcad Prime 6.0.0.0.
В третьей части работы был рассмотрен алгоритм работы ЭБУ, определены математические зависимости, использующиеся в регуляторе, показан пример данных, полученных в ходе стендовых испытаний, а также график, характеризующий зависимость реального значения давления топлива и уставки от времени, что позволяет визуально оценить качество регулирования.
