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

ВЛИЯНИЕ СТРУЙ ДВИГАТЕЛЕЙ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 349

висимостях аэродинамических коэффициен тов от числа Рейнольдса, что и используется при экстраполяции результатов модельных ис следований на натурные условия.

Исследования для маршевого участка по лета показывают, что на большей части по верхности моделей реализуется турбулентный режим течения, чему в немалой степени спо собствует интерференция между блоками и многочисленные выступающие элементы кон струкции надстройки (рис. 3.5.1). При этом влияние вязкости в исследованном диапазоне чисел RеL на суммарные характеристики РКС, ОК и блоков незначительно, что связано с фиксацией мест отрыва пограничного слоя многочисленными выступающими элементами конструкции. Изменения коэффициентов не превосходят погрешностей измерений сил и моментов.

При определении аэродинамических ха рактеристик РКС в диапазоне чисел М1 6,0 вопрос пересчета модельных эксперименталь ных данных, как правило, не возникает, так как обеспечивается подобие по числу Рей нольдса при испытаниях моделей в АДТ (рис. 3.5.12).

3.5.3.ВЛИЯНИЕ СТРУЙ ДВИГАТЕЛЕЙ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Специфика влияния струй ДУ на аэроди намику РКС пакетных схем состоит в том, что наряду с изменением донного давления про исходит перераспределение давления на зна чительной части боковой поверхности, вызы вая изменение нормальных и поперечных сил и моментов тангажа, рыскания и крена бло ков, навесных ПГ и системы в целом. По межблочным каналам влияние струй распро страняется вверх по потоку на значительные расстояния.

В соответствии с одним из принятых спо собов приближенного моделирования струй ДУ истечением холодного воздуха высокого давления в испытаниях воспроизводятся:

–геометрия донной области РН и про фили сопел ДУ;

–среднее число Маха на срезе сопел;

–отношение средних давлений на срезе сопел к давлению набегающего потока по тра ектории движения РН.

При этом не моделируются числа Рей нольдса внешнего потока и течения в соплах, отношение удельных теплоемкостей cp /cv и

температурный фактор Тоа /То срезе со пел, влияющие на форму границ струй и пара метры вязкого слоя смешения струй с внеш ним потоком.

Такой способ моделирования обеспечи вает определение максимальной оценки вели чин нормальных сил, действующих на прижа тие боковых блоков и навесных полезных гру зов к центральному блоку в силу большего эжектирующего действия «холодных» струй по сравнению с реальными высокотемпературны ми струями. В то же время занижается величи на суммарной нормальной силы, действующей на отрыв, в частности ОК.

На предварительной стадии исследова ний такой подход оправдан, так как позво ляет при сравнительно малых затратах на испытания оценить максимальный диапа зон изменения нормальных сил блоков, учитывая величины су с влиянием струй и без него. На последующих стадиях работ требуется углубленный анализ в целях вы работки рекомендаций по пересчету резуль татов исследований на «холодных» моделях на условия полета.

Влияние струй ДУ на аэродинамические

характеристики		целесообразно определять в
виде приращений коэффициентов:
	сх стр сх сх б/стр,			(3.5.1)
	су стр су су б/стр,			(3.5.2)
	сp стр сp		сp б/стр,	(3.5.3)
	д	д	д
	сp	(pд p1) /q1,		(3.5.4)
		д
где сх, су, сp	— аэродинамические коэффициен
	д

ты с учетом влияния струй; сpд — коэффициент

донного давления; сх б/стр, су б/стр, сpд б/стр — аэро динамические коэффициенты без учета влияния

струй.

Экспериментальные исследования на струйных моделях РН «Энергия» с ОК «Буран» показывают следующее:

1. Струи ДУ уменьшают давление на нижней поверхности фюзеляжа и верхней и нижней поверхностях консолей крыла (рис. 3.5.16). Зона влияния струй распростра няется по верхней поверхности консолей на 0,5 длины хорды на дозвуковых/трансзвуковых

скоростях и исчезает при сверхзвуковы
ростях (М 6 1,7). На нижней поверхности

зеляжа и консолей их влияние распространя ется вплоть до передней кромки крыла, при чем уменьшение давления из за влияния струй происходит более интенсивно, чем на верхней

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

350	Глава 3.5. АЭРОГАЗОДИНАМИКА МНОГОБЛОЧНЫХ РН

Рис. 3.5.16. Влияние струй ДУ РН «Энергия» на распределение коэффициента давления по поверх ности консолей крыла ОК «Буран» при M 0,63 и aп 0 ; модель М1:200, У 3М ЦНИИМаш:

— верхняя поверхность с работающими ДУ РН; — нижняя поверхность с работающими ДУ РН; — верхняя поверхность с неработающими ДУ РН; — нижняя поверхность с неработаю щими ДУ РН

подветренной поверхности крыла. В результа те эжекции струй на ОК действует при нуле вом угле атаки составляющая нормальной си

лы сy1 стр сy1 сy1 б/стр, отрицательная по зна ку, прижимающая ОК к блоку Ц (рис. 3.5.17).

Величина коэффициента струйной составляю щей нормальной силы ОК практически линей но зависит от приращения коэффициента дон

ного давления (срд стр срд срд б/стр) за счет влияния струй.

Этот вывод используется для пересчета результатов модельных исследований на на турные условия с использованием получен ных экспериментально корреляционных за

висимостей сy1 стр f(срд стр). При этом перво начально определяются ожидаемые в полете

Рис. 3.5.17. Влияние струй ДУ РН «Энергия» на коэффициент нормальной силы ОК «Буран»

(модель М1:50, Т 109 ЦАГИ):

— п 0 ; — п 6 , п 180 ; — п 6 , п 0

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

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ВЫСТУПАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ	351

донные давления, а затем, с помощью корре ляционных зависимостей, значения струйной составляющей нормальной силы для натур ных условий. После пересчета существенно уменьшаются величины коэффициентов нормальной силы, действующей на прижа тие, и несколько увеличиваются коэффици енты нормальной силы на отрыв ОК от бло

ка	обеспечивает хорошее согласова
ние	х данных по аэродинамическим

характеристикам с результатами летных ис пытаний.

3.5.4. АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ВЫСТУПАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ НАГРУЗОК

Для РН характерно наличие на боковой поверхности многочисленных выступающих элементов конструкции — обтекателей борто вой кабельной сети, трубопроводов, антенн различного типа и т.д. (рис. 3.5.1).

В случае многоблочных РН интерфе ренция между параллельно расположенны ми блоками и ПГ оказывает существенное влияние на нагружение выступающих эле ментов. Часто аэродинамические нагрузки являются определяющими не только для выступающих элементов, но и для тонко стенных оболочек баков РН в местах креп ления надстроек, что представляет одну из наиболее серьезных проблем в процессе проектирования. Поэтому исследования аэродинамических характеристик высту пающих элементов конструкции, выбор их оптимальной формы и поиск способов уменьшения нагрузок весьма важны.

Сложность решения данной задачи оп ределяется прежде всего пространственной структурой течения у поверхности РН с мно гочисленными зонами отрыва и скачками уп лотнения и малой изученностью особенно стей обтекания надстроек, расположенных в зонах интерференции. Кроме того, в случае многоблочных компоновок со сменными на весными ПГ (ОК, ГТК и т.д.) вариация их формы сопровождается изменением парамет ров течения вблизи выступающих элементов и величин аэродинамических нагрузок, дей ствующих на них, что требует детальных ис следований для всех рассматриваемых вари антов компоновки в целях определения мак симальных нагрузок на надстройки и обеспе

чения их прочности в составе любой из рас сматриваемых модификаций РКС без дорабо ток конструкции.

Один из наиболее распространенных выступающих элементов конструкции — тру бопроводы различного назначения. Так, на боковой поверхности центрального и боко вых блоков РН «Энергия» расположены мно гочисленные трубопроводы циркуляции и наддува баков горючего и окислителя, управ ляющего давления и термостатирования. Тру бопроводы крепятся с зазором к корпусам блоков с помощью специальных кронштей нов, расположенных вдоль образующих кор пуса с шагом от 1,5 до 3,0 м.

На участке выведения аэродинамиче ские силы и моменты, действующие на тру бопроводы, обуславливают появление значи тельных нагрузок в местах крепления опор трубопроводов к тонкостенным оболочкам баков. В ряде случаев эти нагрузки являются расчетными для оболочек баков. Особенно остро эта проблема стоит для трубопроводов, расположенных на поверхности баков в зоне интерференции вблизи носовых частей на весных ПГ, где характерны большие углы скоса потока (рис. 3.5.4).

В случае РН «Энергия» наиболее нега тивное влияние на нагружение трубопроводов оказывает ГТК, имеющий максимальную дли ну из всех навесных ПГ (рис. 3.5.2), зона влия ния которого распространяется далеко вверх по потоку. Анализ эпюр распределения давле ния и нормальной силы по длине центрально го блока показывает, что на поверхности блока Ц в зоне расположения носовой части ГТК реализуется интенсивное поперечное течение из под ГТК в сторону трубопроводов. При этом знак угла скоса потока противоположен знаку угла скоса, индуцируемого вблизи тру бопроводов носовыми частями боковых бло ков, а величина угла стремится к 90 .

Для исследования аэродинамического на гружения трубопроводов используются крупно масштабные модели с дренированными трубо проводами, геометрически подобные исполни тельному варианту РН. Типовые схемы дрени рования и конструктивное выполнение дрена жа на модели центрального блока РН «Энер гия» показаны на рис. 3.5.18.

каждом сечении трубопровода устанав четыре дренажные точки, что позво по результатам измерений в них статиче

ского давления оценивать аэродинамические

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

352	Глава 3.5. АЭРОГАЗОДИНАМИКА МНОГОБЛОЧНЫХ РН

Рис. 3.5.18. Схема дренирования трубопроводов на модели центрального блока РН «Энергия»

силы, действующие на отрыв/прижатие (си л а Y ) и сдвиг (сила Z ) трубопровода. Одно временно с измерениями давления осуществ ляется визуализация течения на поверхности модели методом масляной пленки. В тех слу

чаях когда позволяет масштаб, может осущест вляться прямое взвешивание участков трубо проводов между опорами с помощью внутри модельных тензовесов, размещаемых внутри трубопровода или в корпусе модели.

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

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ВЫСТУПАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ	353

Результаты исследований показывают, что максимальные значения коэффициентов сил достигаются при М 0,8…1,7. Этот диа пазон соответствует максимальным скорост ным напорам на участке выведения. Уже при нулевом угле атаки на трубопровод действу ют значительные аэродинамические силы,

обусловленные влиянием		корпуса	блока
(рис. 3.5.19), нормальная		сила на	участке
трубопровода за	действует на прижа
тие, а на участке	опорой — на отрыв
от корпуса.

При углах атаки, отличных от нулевого, наблюдается перераспределение давления и изменение коэффициентов нормальной и по перечной сил в сечениях трубопровода. Харак тер его влияния зависит от аэродинамического угла крена РН, наиболее значительно оно про является при углах крена, равных 150 и 330 . При этом трубопровод, установленный отно сительно плоскости I блока Ц на улге ,, рав ном 303 , повернут относительно плоскости угла атаки на угол, приблизительно равный 90 (рис. 3.5.18), зависимости коэффициентов сил от нелинейны.

Для выявления особенностей течения около трубопроводов в зонах интерференции с большими местными скосами потока ( s от 60 до 90 ) часто используется аналоговое мо

делирование с использованием гидрокана лов. В силу низкой стоимости таких испыта ний может быть проведен значительный объем предварительных исследований по по иску оптимальных зазоров между трубопро водом и «стенкой» (корпусом блока), спосо бам уменьшения нагрузок. Эти исследования позволяют выявить основные особенности и закономерности обтекания и нагружения трубопроводов.

С учетом результатов аналоговых испы таний обтекания фрагмента трубопровода, расположенного у «стенки» в поперечном по токе, получены данные по влиянию величины зазора между поверхностью блока и трубопро водом и наличия рядом с рассматриваемым других, параллельно расположенных, трубо проводов.

Аналоговые испытания успешно исполь зованы для выбора оптимальной формы зали зов обтекателей, напениваемых на поверх ность центрального блока РН «Энергия» в целях снижения аэродинамических нагрузок на узлы крепления трубопроводов до допус тимых пределов с различными вариантами навесных ПГ. Оптимальность решения опре делялась минимальной площадью поперечно го сечения обтекателей относительно допол нительного веса конструкции блока при ус

Рис. 3.5.19. Зависимость от aп и jп коэффициентов сил су, сz в сечении трубопровода центрального блока РН «Энергия» (модель М1:30, Т 109 ЦАГИ)

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

354	Глава 3.5. АЭРОГАЗОДИНАМИКА МНОГОБЛОЧНЫХ РН

Рис. 3.5.20. Поперечное сечение обтекателя трубопроводов на носовой части центрального блока РН «Энергия»

ловии обеспечения допустимых нагрузок на узлы крепления трубопроводов.

Поперечное сечение обтекателя трубо проводов на носовой части центрального бло ка РН «Энергия» и влияние зализов обтекате лей на аэродинамическое нагружение трубо проводов показаны на рис. 3.5.20 и 3.5.21.

Правильность принятого решения под тверждена результатами натурных испытаний РН с макетом ПГ и ОК «Буран». В указанных пусках углы аэродинамического крена РН в диапазоне максимальных скоростных напоров составляли примерно 330 в варианте с маке том ПГ и примерно 150 в варианте с ОК, что

соответствует режимам максимального нагру жения трубопроводов.

Форма зализов и способ их нанесения на поверхность блока защищены патентами.

При параллельной прокладке трубопро водов разного диаметра аналогичный эффект уменьшения аэродинамических нагрузок мож но получить за счет соответствующего распо ложения трубопроводов в пучке. Для этого огибающей внешних обводов поперечного се чения пучка труб следует быть аналогичной форме поперечного сечения зализа, а расстоя ния между трубами не должны превышать раз мер диаметра трубы.

Рис. 3.5.21. Влияние зализов обтекателей на аэродинамическое нагружение трубопроводов на носо вой части центрального блока РН «Энергия» при M 0,9:

без зализаов — — п 150 ; — п 330 ; с зализами — — п 150 ; — п 330