2.4. Конструктивные особенности компоновки ракетных летательных аппаратов
Схема "тандем" имеет последовательное расположение ракетных частей (блоков) ступеней, каждая из которых по своей конструктивной схеме может быть как моно-, так и полиблочной. При моноблочной схеме в состав ракетной ступени входит один ракетный блок, при полиблочной – несколько ракетных блоков или один ракетный блок с полиблочными топливными отсеками. Ракетные блоки, входящие в состав ракетной части ступени, комплектуются, как правило, всеми отсеками, агрегатами, системами и элементами, которые присущи обычной одноступенчатой ракете. Между собой ракетные части ступеней соединяются одним поясом силовых связей, имеющим вид фланцевого стыка, замковые устройства которого раскрываются в процессе разделения ступеней.
Разделение ступеней схемы "тандем" сводится к осевому отбросу отработавшей ракетной части по схеме "холодного" или "горячего" разделения.
"Холодное" разделение ступеней (рис. 2.3) – это отделение отработавшей ракетной части под действием силы тяги специальных двигателей отделения, начинающих работать после выключения двигателей предыдущей ступени и раскрытия замков связи.
При этом двигатель последующей ступени не включается до отхода ракетной части предыдущей ступени на расстояние, определяемое условиями целостности (исключение возможности взрыва) отделяемой ракетной части при воздействии на нее струи двигателей последующей ступени и отсутствии специальных защитных устройств на её верхнем торце.
Двигатели систем разделения могут быть расположены в хвостовом, межбаковом или переходном отсеке. Если они расположены в переходном отсеке (удаление от центра масс отделяемой ракетной части максимально), то тяга двигателей направлена эксцентрично относительно центра масс, а отвод отделяемой ракетной части, происходит с закруткой. При этом импульс тяги двигателей разделения (тяга и время её действия) зависит от массы отделяемой ракетной части и от расстояния, на которое она отводится, что в значительной степени влияет на управляемость и величину потребной эффективности органов управления последующей ступени ракеты. Это объясняется тем, что в процессе разделения ступеней на участке отвода отработавшей ракетной части возможен неуправляемый полет последующей ступени при воздействии на нее начального возмущения, управляемого в дальнейшем (после включения ее двигателей) системой и органами управления. Наличие неуправляемого полета последующей ступени характерная особенность "холодного" разделения ступеней.
"Горячее" разделение ступеней – это отвод последующей ступени с отработавшей ракетной частью под действием силы тяги собственного двигателя после раскрытия замков связи. При этом двигатель последующей ступени запускается при работающем двигателе предыдущей ступени, а раскрытие замков связи происходит при спаде тяги двигательной установки отделяемой ракетной части и росте тяги двигательной установки последующей ступени. Неуправляемый участок полета РЛА при "горячем" разделении ступеней практически отсутствует. Тяга ДУ ступеней в момент разделения зависит от соотношения разделяющихся масс, кавитационных характеристик насосов двигателей, давления наддува топливных емкостей, возмущающих факторов и располагаемой эффективности органов управления. Характерной особенностью "горячего" разделения ступеней является силовое и тепловое воздействие факела струи последующей ступени на конструкцию ракетной части отделяемой ступени, главным образом на торец донной части отработавшей ступени. Силовое и тепловое воздействие струй двигателя отделяемой ступени на ракетную часть предыдущей ступени зависит от параметров струи на срезе сопла двигателя (давление, температура, скорость, показатель адиабаты), формы и геометрических параметров элементов конструкции отделяемой ракетной части, их расстояния от среза двигателя и оформления переходного отсека (ферменный или каркасный). Как правило, верхний торец отделяемой ракетной части имеет вид специально спрофилированного теплозащищенного отражательного устройства, в качестве которого может быть использовано верхнее днище переднего бака, а переходный отсек – ферменную конструкцию.
Корпусы хвостовых отсеков последующих ступеней РЛА, собранные по схеме "тандем", воспринимают большие осевые сжимающие нагрузки в процессе полета предыдущей ступени и практически не нагружены при полете последующей ступени. Их отброс либо совпадает с моментом разделения ступеней, либо происходит несколько позже. В последнем случае возмущения при разделении ступеней и сброс пассивных масс конструкции расходятся во времени, что приводят к меньшей потребности в органах управления последующей ступени.
Недостаток схемы "тандем": при увеличении числа ступеней увеличивается общая длина ракеты, что ведет к снижению продольной устойчивости и возрастанию погрешностей изготовления, повышению конструктивно-технологических возмущающих воздействий.
Схема "пакет" имеет параллельное расположение ракетных частей (ступеней), которые соединяются между собой в двух силовых поясах: верхнем и нижнем. Оба пояса должны воспринимать или передавать поперечные нагрузки, а один из них – осевые. При передаче последних через верхний силовой пояс центральный ракетный блок, который является частью ступени ракеты, находится в более благоприятных условиях на определяющем активном участке полёта (полёт ракеты при работающем двигателе) первой ступени, что обуславливает и улучшает массовые характеристики, т.е. меньшую величину пассивной массы последней ступени.
РЛА по схеме "пакет" могут иметь либо последовательный, либо одновременный запуск двигательных установок системы.
Схема "пакет" с последовательным запуском ступеней аналогична схеме "тандем", но при этом схема "холодного" разделения теряет смысл, т.к. уже при "горячем" разделении отсутствует необходимость в защите конструкций ракетной части предыдущей ступени от силового и теплового воздействия струи двигателя последующей ступени.
Схема "пакет" с одновременным запуском ступеней характеризуется включением ДУ последующей ступени в момент старта ракеты, для чего двигатель последующей ступени должен иметь увеличенный ресурс времени работы, а ее ракетная часть – увеличенный запас топлива. Достоинством этой схемы является контролируемый в момент старта запуск ДУ всех ракетных блоков, что в общем случае обеспечивает повышение полетной надежности. Так как при отказе одной из ДУ в процессе запуска происходит сброс схемы и отмена старта.
Схема пакет с автономными ракетными блоками и с одновременным запуском ступеней (рис. 2.4) имеет увеличенный топливный отсек ракетной части последующей ступени, часть топлива из которого вырабатывается уже на активном участке полета предыдущей ступени, а ее собственный активный участок полета начинается при "полупустом" топливном отсеке, что приводит к увеличению пассивной массы последующей ступени. Этот недостаток может быть ликвидирован или значительно уменьшен при использовании схемы с питающими ракетными блоками, которая в отличие от автономной имеет гидравлически связанные топливные баки ракетных частей предыдущей и последующей ступеней РЛА. Гидравлические связи баков должны надежно функционировать при работе предыдущей ступени и размыкаться при разделении ступеней. Запас топлива на последующей ступени полностью соответствует собственному времени полета, а двигательная установка при работе на активном участке полета предыдущей ступени питается из собственных баков, которые одновременно подпитываются топливом из баков предыдущей ступени через гидравлические связи. В этом случае уменьшается пассивная масса последующей ступени, но усложняется пневмогидравлическая схема ракеты в целом и понижается ее полетная надежность из-за введения разъемных гидравлических связей между различными ракетными частями (рис.2.5).
Разделение ступеней для схемы "пакет" сводится к боковому отводу отработавших ракетных блоков от блоков, продолжающих (или начинающих) работу, по трем принципиальным схемам: с разворотом относительно верхнего силового пояса (рис. 2.6), с разворотом относительно нижнего силового пояса (рис.2.7) и с параллельным отводом боковых блоков (рис. 2.8.).
При отводе боковых блоков с разворотом относительно верхнего узла силовых связей (рис. 2.6) верхний шарнирный узел силовых связей в полете и в процессе разделения ступеней воспринимает как осевые, так и поперечные нагрузки, а нижний узел – только поперечные и лишь при работе первой ступени. Для отвода боковых блоков относительно верхнего узла связей могут быть использованы их маршевые двигатели, для чего ось двигателя должна быть наклонена к верхнему узлу связей так, чтобы тяга создавала момент относительно этого узла. При отклонении бокового блока на некоторый угол происходят разрыв верхней силовой связи и включение двигателя разделения, тяга которого придает угловую скорость боковому блоку.
Для создания момента относительно верхнего узда связей может использоваться импульс воздействия маршевого двигателя (спад тяги по времени после отсечки компонентов топлива), что является достоинством данной схемы, так как в процессе разделения ступеней каких-либо особых затрат анергии, ухудшающих основные характеристики РJIA, не требуется. Кроме того, для разделения ступеней по схеме "пакет" могут быть использованы и специальные двигатели разделения, при этом кинематическая схема разделения остается неизменной.
При отводе боковых блоков с разворотом относительно нижнего узла силовых связей (рис. 2.7) он воспринимает как продольные, так и поперечные нагрузки вплоть до отброса бокового блока, а верхний узел – только поперечные нагрузки. После выключения двигателей боковых блоков, спада их тяги и подачи команды на разрыв верхних силовых связей под действием перегрузки, создаваемой второй ступенью ракеты, боковые блоки разворачиваются относительно нижнего узла, шарнирная часть которого имеет эксцентриситет относительно центра масс бокового блока. После того как ракетный блок будет отведен на некоторый угол, нижняя силовая связь разорвется, а процесс разделения закончится. По сравнению с предыдущей, эта схема более проста, но ее реализация связана с некоторыми затратами энергии второй ступени, которая в процессе разделения несет все боковые блоки, являющиеся в этот момент пассивными массами.
Схема отброса боковых блоков с параллельным отводом (рис. 2.8) по принципу действия аналогична схеме с разворотом относительно нижнего силового узла. В ее основе лежит использование массовых инерционных сил, действующих на боковые блоки после выключения их двигателей.
