4 Конструктивные схемы

Конструктивная схема ракеты-носителя—это схемное оформление от­дельных отсеков ракетных частей ступеней РН, прежде всего, топливного от­сека.

По конструктивной схеме ракеты-носители могут быть моноблочными и полиблочными.

При моноблочной схеме в состав ракетной части любой ступени входит только один ракетный блок, который в свою очередь комплектуется одной структурной единицей каждого наименования (одним хвостовым отсеком, одним баком горючего, одним баком окислителя и т. д.). При полиблочной схеме в состав ракетной части входят несколько автономных ракетных бло­ков или один ракетный блок, имеющий несколько единиц одного и того же наименования (например, несколько баков окислителя, баков горючего и т.д.

Силовые схемы с несущим и ненесущим топливными отсеками, а также

комбинированная схема могут быть реализованы как в моноблочной, так и в полиблочной конструкции.

Моноблочные схемы менее разнообразны по сравнению с полиблочными, а их основное различие обусловлено силовой схемой (несущий или ненесу­щий топливный отсек).

При моноблочной схеме РН (рисунок 9) геометрические обводы ракетных бло­ков обычно имеют вид тел вращения цилиндрической нормы, диаметры ко­торых для различных ступеней или равны (РН «Космос»), или уменьшаются от I ступени к головному блоку (РН «Сатурн-У»), при этом хвостовой отсек последующей ступени выполняется в виде усеченного конуса для возможно­сти их стыковки.

Геометрические обводы ракетных блоков возможны также в виде тел вращения конической формы, что более характерно для ненесущей силовой схемы топливного отсека, при которой обечайки баков не имеют продольно­го силового набора, так как применение конической формы в несущей силовой схеме связано с усложнением технологии изготовления подкрепленных обечаек. Коническая форма ракетных блоков обладает наилучшими моментными характеристиками, высокой управляемостью и требует меньшей эф­фективности органов управления. Эти положения в рапной степени относят­ся как к моноблочным, так и к полиблочным ракетам-носителям ненесущей схемы.

По геометрической форме топливных баков большее разнообразие имеет ненесущая силовая схема, при которой топливные баки могут быть выпол­нены в форме цилиндра, тора, конуса, сферы, эллипсоида, а при несущей—в форме цилиндра или тора с цилиндрическими несущими вставками.

Обе схемы (см. рисунок 9) имеют свои преимущества и недостатки: конструк­тивное совершенство выше для схемы с несущим топливным отсеком, имеющей и несколько меньшую номенклатуру отсеков, комплектующих РБ, по технологии более проста схема с ненесущим топливным отсеком, которая требует более простого технологического обеспечения, более простых тех­нологических процессов и имеет больший выбор конструкционных материа­лов.

Высокое конструктивное совершенство моноблочной схемы с несущим топливным отсеком обеспечивается за счет восприятия обечайками баков как внутренних, так и внешних нагрузок и меньшего числа каркасных отсеков, однако требует применения конструкционных материалов, обладающих одновременно и высокими удельными механическими характеристиками, и высокой технологичностью. Удельные механические характеристики конст­рукционного материала характеризуются пределом прочности σ_В , пределом текучести γ , и модулем упругости Е, отнесенным к удельной плотности ма­териала.

Под технологичностью конструкционного материала понимают его свариваемость, штампуемость, чувствительность к монтажным напряжениям, механическим повреждениям (рискам, царапинам и т. д.). Как правило, со­временные конструкционные материалы, обладающие высокими удельными механическими характеристиками во всей их совокупности, в большинст­ве своем весьма чувствительны к монтажным напряжениям и механическим повреждениям.

К тому же некоторые из них или совсем не свариваются, или свариваются по сложному технологическому процессу, или имеют низкий коэффициент прочности сварного шва, что заставляет для создания равнопрочной конст­рукции оболочки баков прибегать к увеличенной толщине в зоне сварных швов но сравнению с основным материалом и в свою очередь требует при­менения полуфабрикатов (листов, плит) большей толщины.

Применение несущей схемы топливного отсека усложняет производст­венно-технологические процессы, оснастку и оборудование при изготовле­нии подкрепленных обечаек баков, особенно вафельной конструкции, обла­дающей наиболее высокой несущей способностью.

Ненесущие топливные баки требуют конструкционных материалов, обла­дающих только относительно высокими пределами прочности и текучести. Такие материалы достаточно хорошо свариваются и имеют коэффициент прочности сварного шва, близкий к единице. Рассчитанные только на внут­реннее давление (при соответствующих системах подачи компонентов топ­лива в двигатель, которые требуют минимального давления наддува) нене­сущие баки имеют относительно малые толщины оболочек, которые хороню свариваются и при высоком коэффициенте прочности сварного шва не тре­буют глубокого фрезерования основного материала.

Все это, а также отсутствие продольного силового набора существенно упрощает производственные процессы, необходимую технологическую ос­настку и оборудование при изготовлении баков.

Разделение функций баков и каркасных отсеков по восприятию ими внешних и внутренних сил в силовой схеме РН с ненесущим топливным от­секом обеспечивает возможности варьирования конструкционными мате­риалами для изготовления каркасных отсеков, образующих корпус РН и яв­ляющихся наиболее нагруженными элементами, при этом топливные баки являющиеся наиболее нагруженными элементами, при этом топливные баки (как менее нагруженные элементы) могут быть изготовлены из хорошо свариваемых конструкционных материалов, даже если последние обладают худшими механическими характеристиками. Это положение позволяет в оп­ределенных условиях значительно упростить производство РН с ненесущим топливным отсеком за счет сравнительно небольшого ухудшения конструк­тивного совершенства ракетных блоков.

Ракетные блоки для транспортирования их железнодорожным, автомо­бильным, воздушным и водным транспортом не должны превышать опреде­ленных предельных габаритов; в этом случае транспортабельными для обычных видов транспорта являются только легкие ракеты-носители. Соз­данные по моноблочной схеме средние, тяжелые и сверхтяжелые РН для транспортирования на космодром требуют или специальных транспортных средств, или создания на космодроме сборочного завода. В качестве специ­альных транспортных средств используют самоходные баржи для доставки на космодром крупногабаритных ракетных блоков по рекам и каналам, спе­циальные транспортеры (колесные и гусеничные) повышенной грузоподъ­емности и проходимости, дирижабли и подобные им летательные аппараты, а также специальные железнодорожные транспортеры на отдельных участ­ках от завода-изготовителя до космодрома. Создание на космодроме сбороч­ного завода позволяет отказаться от разработки и использования специаль­ных транспортных средств, так как отдельные агрегаты и элементы конст­рукции ракетных блоков доставляются на сборочный завод космодрома, где происходит их сборка, обычными видами и средствами транспорта.

Для полиблочной схемы РН (рисунок 2,б,в) существенно расширяется воз­можность транспортирования отдельных ракетных блоков или окончательно собранных топливных баков обычными видами железнодорожного, автомо­бильного, воздушного и водного транспорта.

Схема «пакет» с продольным делением ступеней осуществима как для двух-, так и для трехступенчатых РН, однако для трехступенчатых она более

сложна и практически не имеет никаких преимуществ по сравнению с «па-кетно-тандемной» схемой (см. рисунок 2).

При полиблочной схеме РН геометрические обводы ракетных блоков обычно имеют вид тел вращения цилиндрической или конической формы, из кото­рых цилиндрическая форма более проста для производства и позволяет при­менить (при необходимости) подкрепленные обечайки баков, а коническая форма усложняет производственные процессы и практически исключает применение подкрепленных обечаек, но позволяет использовать аэродина­мическую компоновку, обладающую лучшими моментнымн характеристи­ками. Для двухступенчатой РН схемы «пакет» с продольным делением сту­пеней в состав ракетной части I ступени входят несколько ракетных блоков, а в состав ракетной части II ступени—один ракетный блок. Ракетные блоки I ступени являются автономными и укомплектованы всеми агрегатами и сис­темами, присущими одноступенчатой ракете. Эта автономность несколько нарушается для «питающей» схемы за счет гидравлических связей между блоками I и II ступеней и усложняется для всех схем за счет электрических связей между ракетными блоками I ступени, которые обеспечивают одно­временную выработку компонентов топлива из всех ракетных блоков, вхо­дящих в ее состав.