Рис. 3.4.42. Зависимости коэффициентов продольной и нормальной силы и положения центра давления для по луконической оболочки при круговом обтекании и раз личных числах М

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОЛЕЗНЫЙ ГРУЗ ПРИ ОТДЕЛЕНИИ СТВОРОК	329

цилиндрической и конической формы с соот ветствующими геометрическими параметрами. На практике используются разные комбина ции цилиндрических и конических поверхно стей, а также другие формы. Сложность харак тера обтекания и своеобразие аэродинамиче ских характеристик заставляют в каждом кон кретном случае проводить экспериментальное определение их характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Петров К.П. Аэродинамика ракет. М.: Машиностроение, 1977. 136 с.

2.Петров К.П. Аэродинамика тел простей ших форм. М.: Факториал, 1998. 432 с.

3.Петров К.П. Аэродинамика элементов летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1985. 272 с.

3.4.11. АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОЛЕЗНЫЙ ГРУЗ В ПРОЦЕССЕ ОТДЕЛЕНИЯ СТВОРОК ГОЛОВНЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ

В последние годы при тельстве МКС встал вопрос о необ ходимости повышения энергетиче ских характетик РН «Союз» без ее конструктивных доработок в целях увеличения массы выводимых ею

космических кораблей (КК) «Союз» и «Прогресс». Аналогичная пробле ма возникает и при решении задач запуска КА нового поколения на существующих РН в связи с устой чивой тенденцией роста массы аппа ратов.

Одним из направлений повыше ния энергетики существующих РН яв ляется оптимизация траекторий выве дения, приводящая к более раннему сбросу ГО, что сопровождается увели чением силового и теплового воздей ствий аэродинамического потока на полезные грузы.

Поскольку КК и КА проектиру ются с учетом аэрогазодинамических и тепловых воздействий, характерных для полета в условиях космического пространства (малые скоростные на поры q), требуются достоверное их прогнозирование для условий раннего сброса головного обтекателя, повы шенных q и подтверждение их допус тимости для аппаратов.

Исследования по рассматриваемой про блеме начаты в 1991 г. при разработке грузо4 вого транспортного контейнера (ГТК) ракет но космической системы «Энергия» (рис. 3.4.43 и 3.4.44). Проведенные на этой стадии эксперименты на маломасштабной модели в аэродинамической трубе выявили

сложный характер течения в про странстве между раскрывающимися створка ми головного обтекателя и поверхностью КА. Отмечены следующие особенности:

1.В поле течения носовой части модели возникает система интерферирующих между собой косых скачков уплотнения;

2.Статическое давление на носовой час ти модели в два и более раза превышает давле ние торможения за прямым скачком уплотне ния в невозмущенном потоке;

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

330	Глава 3.4. АЭРОГАЗОДИНАМИКА МОНО И МНОГОБЛОЧНЫХ РН

Рис. 3.4.43. Картина обтекания грузового контейнера

3. При определенных углах раскрытия створок наблюдаются интенсивные пульсации скачков уплотнения и давления на поверхно сти, обусловленные расходными колебаниями газа в зазоре между створками.

Полученная в этих исследованиях инфор мация использована для формирования ком плексного подхода к решению задачи опреде ления газодинамического воздействия на КА, в том числе, в процессе отделения створок го ловного обтекателя, который предусматривает следующие этапы:

•анализ кинематических параметров движения створок в процессе отделения и обоснование возможности исследования тече ния в квазистационарной постановке;

•проведение предварительных числен ных исследований течения с использованием существующего программного обеспечения (ПО);

•выявление элементов конструкции КК, критичных к повышенным силовым и тепло вым воздействиям;

•проведение экспериментальных иссле дований распределения давления на маломас штабных моделях в АДТ;

•проведение натурных измерений в по лете на РН;

•исследование в АДТ несущей способ ности элементов конструкции КК, наиболее критичных к аэродинамическому воздействию;

• совместный анализ всей полученной информации для верификации воздействий на КК в полете.

Примером реализации такого подхода яв ляются исследования воздействия набегающе го потока на корабли «Прогресс» и «Союз» в процессе сброса створок головного обтекателя.

Отделение створок головного обтекателя РН «Союз» происходило на высоте порядка 80 км при числе Маха набегающего потока М 7,8. Угол атаки РН изменялся в диапазо не 5…10 . При этом расчетное значение скоростного напора составляло от 40 до 120…150 Па. Максимальная угловая скорость движения створок при отделении не превы шала 85 /с. Проведенный анализ показал, что при таких условиях можно проводить ис следования течения в квазистационарной по становке при фиксированном угловом поло жении створок, что значительно упрощает решение задачи.

Для численных исследований использо валась универсальная прикладная система моделирования сложных трехмерных течений Aeroshape 3D. Предварительно были проведе ны тестовые и сравнение их итогов с экспериментальными данными для конфигу рации, на рис. 3.4.43. Отдельные результаты этого анализа представлены на рис. 3.4.45.

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОЛЕЗНЫЙ ГРУЗ ПРИ ОТДЕЛЕНИИ СТВОРОК	331

Рис. 3.4.44. Картина обтекания створки грузового кон тейнера

Сравнение показало, что выбранное ПО правильно отражает основные физи ческие особенности течения в зазоре ме жду створками и КК при разных углах поворота створок. Численные исследова ния выявили также значительное влия ние на течение величины зазора между корпусом блока и корневым сечением отделяющихся створок, что оказалось очень важным для правильного воспро изведения узлов разворота створок на аэродинамических моделях.

Расчеты для случая отделения ство рок РН «Союз» с кораблями «Прогресс»

и «Союз»	3.4.46) выявили зоны и
уровни	х тепловых воздейст
вий,	х давлений и перепадов

давлений на элементах конструкции ко раблей. С использованием этих данных проведены расчеты нагружения конст рукции кораблей и определены элемен ты, критичные к повышенному теплово му и силовому воздействиям. По резуль татам модельных испытаний и расчет ных исследований получена вся необхо димая информация для их прогнозиро вания на КК «Прогресс» и «Союз» в по лете при сбросе створок головного обте кателя. При этом выявлены следующие основные особенности:

1.В пространстве между корпусом

ККи створками головного обтекателя формируется сложное нестационарное течение, при котором головная ударная волна от КК взаимодействует с косыми скачками уплотнения от створок. Обра зуются дополнительные скачки уплотне

Рис. 3.4.45. Сравнение экспериментальных и расчетных величин коэффициентов давления:

а— распределение ср по длине центрального тела вдоль боковой образующей, l отсчитывается от носка тела; б — распределение ср в поперечном сечении тела, угол , отсчитывается от нижней образующей

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

332	Глава 3.4. АЭРОГАЗОДИНАМИКА МОНО И МНОГОБЛОЧНЫХ РН

Рис. 3.4.46. Расчетная и экспериментальная картины распределения плотности

вполе течения около корабля «Союз»:

а— расчет; б — эксперимент

ния и слои смешения. Интенсивность скач	вующие давления в автономном полете. Мак
ков, форма и отход головной волны меняются	симальные давления и перепады действуют на
во времени. Картина сильно зависит от угла	панели, расположенные на подветренной сто
атаки модели и угла раскрытия створок.	роне. В процессе раскрытия створок сила, дей
2. Створки в процессе раскрытия (	ствующая на панель СБ, меняется от прижи
Var) обуславливают существенное повыше	мающей ( 10 ) к отрывающей ( 20 ) и за
ние давления на поверхности КК, в точках на	тем снова к прижимающей ( 30 ).
его носовой и кормовой частях коэффициент	4. Расчетные и экспериментальные дан
давления превышает 2, что больше давления	ные показывают, что в средней части КК фор
торможения за прямым скачком уплотнения в	мируется интенсивное поперечное течение,
невозмущенном потоке (рис. 3.4.45), так как	направленное от образующей под створками в
большей части подветренной поверхности	сторону щели между створками, местные ско
давление выше, чем на наветренной сто	сы потока в этой зоне близки к 90 .
роне корабля.	5. Среднеквадратичные уровни пульсаций
3. Течение в зоне расположения СБ и в	давления в зоне расположения СБ достигают
зазоре между панелями носит существенно	40 % от величины скоростного напора. Вели
трехмерный характер. Давление на поверхно	чины давления и среднеквадратичные уровни
сти СБ и перепады давления, действующие на	его пульсаций, отнесенные к скоростному на
отдельные панели в присутствии створок,	пору набегающего потока, возрастают по мере
больше чем на порядок превышают соответст	раскрытия створок и слабо зависят от числа