2 Компоновочные схемы

Компоновочные схемы ракет-носителей могут быть выполнены с попе­речным делением ступеней (схема «тандем»), с продольным делением (схема «пакет») или представлять комбинацию этих схем.

Схема «тандем» (рисунок 2,а) имеет последовательное расположение ракет­ных частей ступеней, каждая из которых по своей конструктивной схеме может быть как моноблочной, так и полиблочной. При моноблочной схеме в состав ракетной части ступени входит один ракетный блок, при полиблочной — несколько ракетных блоков или один ракетный блок с полиблочным топ­ливным отсеком. Ракетные блоки, входящие в состав ракетных частей ступе­ней, комплектуются, как правило, всеми отсеками, агрегатами, системами и

Рисунок 2 – Принципиальные компоновочные схемы ракет-носителей.

а – схема «тандем»; б – схема «пакет»; в – комбинированная схема;

l – межблочные силовые связи

элементами, присущими обычной одноступенчатой ракете.

Между собой ра­кетные части ступеней соединяются одним поясом силовых связей, имею­щим вид фланцевого стыка, раскрывающегося в процессе разделения ступе­ней.

Разделение ступеней схемы «тандем» сводится к осевому отбросу отрабо­тавшей ракетной части по схеме «холодного» или «горячего» разделе­ния расположены в переходном отсеке (удаление от центра масс отделяемой ра­кетной части максимально), тяга двигателей обычно направлена эксцентрич­но относительно центра масс и отвод отделяемой ракетной части происходит при одновременной ее закрутке.

Импульс тяги двигателей разделения (величина тяги и время ее действия) зависит от массы отделяемой ракетной части и величины расстояния ее отво­да, что значительно влияет на управляемость последующей ступени ракеты-носителя и величину потребной эффективности ее органов управления. 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, устраняемого в даль­нейшем (после включения ее двигателя) системой и органами управления. Наличие неуправляемого полета последующей ступени — характерная особенность «холодного» разделения ступеней (см. рисунок 3).

«Горячее» разделение ступеней — это отвод последующей ступени от от­работавшей ракетной части под действием силы тяги собственного двигателя после раскрытия замков связи. При этом двигатель последующей ступени запускается, как правило, при работающем двигателе предыдущей ступени, а раскрытие замков связи происходит при спаде тяги двигателя отделяемой ракетной части и росте тяги двигателя последующей ступени. Неуправляе­мый участок полета ракеты-носителя при «горячем» разделении ступеней практически отсутствует. Тяга двигателей ступеней в момент разделения за­висит от соотношения разделяющихся масс, кавитационных характеристик насосов двигателей, давления наддува топливных емкостей, возмущающих факторов, располагаемой эффективности органов управления. Характерной особенностью «горячего» разделения ступеней является силовое и тепловое

воздействие факела струи последующей ступени на конструкцию ракетной части предыдущей, а также на торец донной части отделяемой ступени. Ве­личина теплового и силового воздействия струи двигателя отделяемой сту­пени на ракетную часть предыдущей ступени зависит от параметров струи на срезе двигателя (давление, температура, скорость, показатель адиабаты), формы и геометрических параметров элементов конструкции отделяемой ра­кетной части, их расстояния от среза двигателя и оформления переходного отсека (форменный или каркасный). Как правило, верхний торец отделяемой ракетной части имеет вид специально спрофилированного теплозащитного отражательного устройства, в качестве которого может быть использовано верхнее днище переднего бака, а переходной отсек—форменную кон­струкцию.

Корпуса хвостовых отсеков последующих ступеней РН, собранной по схеме «тандем», воспринимают большие осевые сжимающие нагрузки в процессе полета предыдущей ступени и практически не нагружены при полете последующей ступени. С учетом этого они являются пассивными элементами конструкции, которые после отброса ракетной части предыду­щей ступени также могут быть сброшены для уменьшения конечной массы последующей ступени. Их отброс либо совпадает с моментом разделения ступеней, либо происходит несколько позже, в последнем случае возмуще­ния при разделении ступеней и сбросе пассивных масс конструкции разно­сятся по времени, что приводит к меньшей потребной эффективности орга­нов управления последующей ступени.

Схема «пакет» (см. рисунок 2, б) имеет параллельное расположение ракетных частей ступеней, которые соединяются между собой в двух силовых поясах: верхнем и нижнем. Оба пояса в силовом отношении должны воспринимать (передавать) поперечные нагрузки, а один из них — и осевые. При передаче последних через верхний силовой пояс центральный ракетный блок, который является частью последней ступени двухступенчатой ракеты-носителя, нахо­дится в более благоприятных условиях нагружения на опре-

деляющем актив­ном участке полета I ступени, что обусловливает и его лучшие массовые ха­рактеристики, т. е. меньшую величину пассивной массы последней ступени.

Ракеты-носители по схеме «пакет» могут иметь либо последовательный, либо одновременный запуск двигательных установок ступеней.

Схема «пакет» с последовательным запуском ступеней аналогична схеме «тандем», при этом схема «холодного» разделения для нее теряет смысл, так как уже при «горячем» разделении отсутствует необходимость в защите кон­струкции ракетной части предыдущей ступени от силового и теплового воз­действия струи двигателя последующей.

Схема «пакет» с одновременным запуском ступеней характерна включе­нием двигательной установки последующей ступени в момент старта ракеты-носителя, 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 двигательных установок всех ракетных блоков, что в общем случае обеспечивает повышение полетной надежности ракеты-носителя, так как при отказе одной из двигательных установок в процессе их запуска происходит сброс схемы и отмена старта.

Схема «пакет» с автономными ракетными блоками и с одновременным запуском ступеней (рисунок 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 II ступени. Этот недостаток может быть ликвидирован или значительно уменьшен при использовании схемы с питающими ракетными блоками (рисунок 5), которая в отличие от автономной имеет гидравлически связанные топливные баки ракетных частей пре­дыдущей и последующей ступеней ракеты-носителя.

Гидравлические связи баков должны надежно функционировать при работе предыдущей ступени и размыкаться при разделении ступеней. Запас топлива на последующей сту­пени полностью соответствует ее собственному времени полета, а ее двига­тель при работе на активном участке полета пре-

Рисунок 3 – Холодное разделение ступеней.

1 – двигатель II ступени; 2 – двигатель I ступени; 3 – двигатели разделения; с₁ – длина I-й ступени РН; с₂ – длина II-й ступени РН; l - межблочные силовые связи

дыдущей ступени питается из собственных баков, которые одновременно подпитываются равным коли­чеством топлива из баков предыдущей ступени через гидравлические связи. В этом случае уменьшается пассивная масса последующей ступени, но ус­ложняется пневмогидравлическая схема ракеты-носителя в целом и пони­жается ее полетная надежность за счет введения разъемных гидравлических связей между различными ракетными частями.

Рисунок 4 – Работа схемы «пакет» с автономными РБ при одновременном запуске ступеней.

а – старт; б – конец активного участка I ступени; в – начало активного участка II ступени; 1 – положение уровней компонентов топлива; 2 - двигатель

Разделение ступеней для схемы «пакет» сводится к боковому отводу от­работавших ракетных блоков от ракетных блоков, продолжающих (начи­нающих) работу, по трем принципиальным схемам:

- с разворотом относительно верхнего или нижнего силового пояса связей

(рисунки 6, 7).

- с параллельным отводом боковых блоков (рисунок 8).

При отводе боковых блоков с их разворотом относительно верхнего узла

силовых связей (рисунок 6) верхний шарнирный узел силовых связей в полете и в процессе разделения ступеней воспринимает как осевые, так и попереч­ные нагрузки, а нижний узел силовых связей — только поперечные и лишь при полете I ступени. Для разворота боковых блоков относительно верхнего узла связей могут быть использованы их маршевые двигатели, для чего ось такого двигателя должна быть наклонена к верхнему узлу связей так, чтобы его тяга создавала момент относительно этого узла. При отклоне-

нии боково­го блока на некоторый угол происходит разрыв верхней силовой связи и включение двигателя разделения, тяга которого придает угловую скорость боковому блоку относительно его центра масс.

Для создания момента относительно верхнего узла связей может исполь-­ зоваться и импульс последействия 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 энергии, ухудшающих основные характеристики РН, не требуется. Кро­ме того, для разделения ступеней по схеме «пакет» могут быть использованы и специальные двигатели разделения, при этом кинематическая схе-

ма разде­ления остается неизменной.

Рисунок 5 - Работа схемы «пакет» с питающими РБ при одновременном запуске ступеней.

а—старт; б—конец активного участка I ступени; в—начало активного участка II ступени; г—конец активного участка II ступени; 1—положение уровней компонентов топлива; 2 —гидравлические связи РБ (с отсечным клапаном); 3 —двигатель

При отводе боковых блоков с их разворотом относительно нижнего узла силовых связей (рисунок 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 и спада их тяги, подачи команды на разрыв верхних силовых связей под действиием пе­регрузки, создаваемой II ступенью РН, боковые блоки разворачиваются от­носительно нижнего узла, шарнирная часть которого имеет эксцентриситет относительно центра масс бокового блока. По достижении отводимым ракет­ным блоком некоторого угла нижняя силовая связь разрывается и процесс разделения заканчивается.

Рисунок 6 - Отвод боковых блоков с разворотом относительно верхнего узла силовых связей.

а — разрыв нижних силовых связей блоков в «пакет», команда на выключение двигателей боковых блоков, начало разделения; б— разворот ракетных блоков 1 ступени относительно верхнего узла связей под действием импуль­са последействия двигателей боковых блоков; в— полный спад тяги двига­телей боковых блоков, разрыв верхних силовых связей, разворот ракетных блоков I ступени относительно собственного центра тяжести под дейст­вием тяги двигателей разделения, завершение разделения; 1 — верхний узел силовой связи, 2 — двигатели разделения); 3—нижний узел силовых связей; 4 —двигатели ракетных частей.

По сравнению со схемой рисунка 6, эта схема более проста, но ее реализация связана с некоторыми затратами энергии II ступени, которая в процессе разделения несет все боковые блоки, являющиеся в это время пассивными массами.