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

384	Глава 3.7. ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ ОТСЕКОВ РАКЕТ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И. Способ регулирования аэродина мических нагрузок, действующих на корпус ле тательного аппарата, и устройство для его реа лизации (варианты): пат. RU 2145564 С1. В64С 1/100, опубл. 20.02.2000.

2.Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И. Способ регулирования аэродина мических нагрузок, действующих на отсек ле тательного аппарата, и устройство для его осу ществления (варианты): пат. RU 2145563 С1. В64С 1/100, опубл. 20.02.2000.

3.Абрамович Г.Н. Прикладная газовая ди намика. 5 е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1991. 304 с.

4.Идельчик И.Е. Справочник по гидрав лическим сопротивлениям. 3 е изд. М.: Маши ностроение, 1992. 672 с.

5.Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И. Способ определения расходных характеристик дренажных устройств отсека ле тательного аппарата и система для его осущест вления: пат. RU 2253095 С2; заявл. 06.08.2003; опубл. 27.05.2005. Бюл. № 15.

6.Алиев В.Г., Болотин В.А., Дядькин А.А.,

Казаков М.И., Лебедев В.И., Легостаев В.П., Шорин А.Н. Способ определения расходных ха рактеристик дренажных устройств корпуса ле тательного аппарата и система для его осущест вления: пат. RU 2267108 С2; заявл. 06.08.2003; опубл. 27.05.2005. Бюл. № 36.

7.Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И. Способ определения негерметич ности отсека летательного аппарата с дренаж ными устройствами: пат. RU 2246708 С1. G1M3/00, опубл. 20.02.2005.

8.Болотин В.А., Дядькин А.А., Лебедев В.И.

Несущая панель корпуса космического аппарата: пат. RU 2283799 С1; заявл. 28.06.2004; опубл. 20.09.2006. Бюл. № 26.

Глава 3.7

ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ ОТСЕКОВ РАКЕТ ПРИ НАЗЕМНОЙ ПОДГОТОВКЕ

3.7.1. ЗАДАЧИ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ. ОГРАНИЧЕНИЯ. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ

Системы термостатирования предназна чены для поддержания заданного в документа ции теплового режима КА, размещаемых в

блоке полезного груза (БПГ), приборов систем управления РБ и ракет, криогенных баков ДУ

идругих систем в процессе наземной подго товки РН. Как правило, предъявляются жест кие требования к допустимому диапазону тем ператур КА и систем РН в процессе их назем ных автономных и комплексных испытаний и в процессе подготовки РКН к пуску.

Для поддержания теплового режима чаще всего используются воздушные системы тер мостатирования, обеспечивающие подачу в зо ну размещения КА или других объектов тер мостатирующего воздуха требуемой температу ры и заданного расхода для отвода или подво да тепла. Термостатирующий воздух проходит предварительную очистку до подачи в зону термостатирования для исключения загрязне ния КА в процессе подготовки, которая может длиться часами или сутками.

Важную роль при организации термоста тирования играют схема и устройства подачи воздуха внутрь отсеков.

Решение задачи выбора оптимальной схе мы подачи термостатирующего воздуха в отсеки РКН и организации его течения внутри отсеков осуществляется в два этапа. На первом этапе вы бирается принципиальная схема устройств пода чи воздуха и оптимизируются их параметры, а на втором этапе определяются места располо жения устройств в отсеках и формируется с их помощью течение термостатирующего воздуха.

На рис. 3.7.1 показана типичная конфи гурация БПГ с КА, пристыкованного к РБ, ко торый, в свою очередь, пристыкован к прибор4 ному отсеку (ПО) второй ступени РН. В про цессе подготовки РН к пуску термостатирова нию подлежат КА, приборы разгонного блока

иконтейнеры системы управления ракеты, размещенные в ПО ракеты.

При обеспечении теплового режима КА и систем требуется выполнить ряд дополнительных требований, которые играют роль ограничений:

•должно быть исключено или миними зировано попадание в зону КА менее чистого воздуха из РБ или отсеков РН;

•местные скорости течения термостати рующего воздуха вблизи поверхности КА не должны превышать 3…5 м/с;

•поток термостатирующего воздуха дол жен равномерно омывать поверхность зон КА, чувствительных к нагреву;

•суммарный уровень акустического дав ления (шума) в зоне КА не должен превышать 120…125 дБ при длительном термостатировании.

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

ЗАДАЧИ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ. ОГРАНИЧЕНИЯ. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ	385

Рис. 3.7.1. Формирование течения термостатирующего воздуха в отсеках РКН. Поле скоростей в продольной плоскости:

1 — устройства подачи термостатирующего воздуха (диффузоры); 2 — дренажные устройства

Зачастую требования к термостатирова нию КА и систем РКН могут быть противо речивыми: КА требуется подогревать, а бло ки систем управления РБ и РН — охлаждать, что создает дополнительные трудности при формировании оптимальной схемы подачи воздуха.

Для исключения попадания менее чисто го воздуха из РБ в зону КА в конструкцию БПГ может быть введен разделительный экран с клапанами одностороннего действия, кото рые обеспечивают перетекание термостати рующего воздуха, подаваемого в зону КА, в РБ для эвакуации его наружу в атмосферу через дренажные устройства на РБ или отсеках РН (рис. 3.6.4). При такой конструкции БПГ яв ляется капсулированным, т.е изолированным от отсеков РБ и РН.

Разделительный экран может быть вы полнен также из проницаемой ткани. Анало гичного эффекта достигают и при отсутствии

разделительного экрана за счет правильной организации течения внутри БПГ и РБ. Схема такого варианта конструкции показана на рис. 3.7.1, а схема течения в продольных и по перечных сечениях БПГ — на рис. 3.7.2 и 3.7.3. Такая конструкция системы подачи воздуха в БПГ сложнее в отработке, но выгоднее в весо вом отношении.

Современные программные комплексы расчета течений вязкой несжимаемой жидко сти, например FlowVision, позволяют достаточ но эффективно решать подобные задачи [1].

Использование расчетных методов позво ляет выбрать оптимальную форму устройств для подачи воздуха в отсек, место их распо ложения и ориентацию, обеспечивающие вы полнение заданных требований и ограниче ний [2]. Благодаря оптимизации можно зна чительно уменьшить максимальный потреб ный расход термостатирующего воздуха и вес конструкции.

Рис. 3.7.2. Поле скоростей термостатирующего воздуха в продольных сечениях БПГ:

а — в вертикальной плоскости 1–3 БПГ; б — в горизонтальной плоскости 2–4 БПГ

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

386	Глава 3.7. ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ ОТСЕКОВ РАКЕТ

Рис. 3.7.3. Поле скоростей термостатирующего воздуха в поперечных сечениях БПГ:

сечения 1 и 2 соответствуют рис. 3.7.2

Проверка эффективности выбранной схе мы и устройств подачи термостатирующего воздуха в отсеки РКН и БПГ осуществляется в процессе комплексных испытаний на собран ной РКН прежде всего по конечному результа ту, путем контроля изменения температуры среды в термостатируемых отсеках при рабо тающих системах и сравнения ее с допустимой температурой на момент окончания испыта ний или подготовки РКН к пуску.

Контроль выполнения ограничений по уровню шума от устройств подачи термостати рующего воздуха (коллектор, диффузор и др.) осуществляется сначала в автономных испыта ниях устройства, а затем в составе РКН, ряя шум в ряде точек пространства тируемого отсека. Контроль скорости и температур воздуха проводится лишь

трольных точках в зонах около КА, критичных

кэтому воздействию.

3.7.2.ВЫБОР КОНФИГУРАЦИИ ВЫХОДНЫХ

УСТРОЙСТВ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТЕРМОСТАТИРУЮЩЕГО ВОЗДУХА

В зависимости от задач, которые ставятся перед разработчиками системы термостатирова ния, могут использоваться различные конструк тивные решения выходных устройств, форми рующих течение внутри термостатируемых отсе ков. Общими требованиями, предъявляемыми к таким устройствам, являются следующие:

• проходные сечения устройств должны обеспечивать заданный потребный расход тер мостатирующего воздуха при заданной ограни ченной скорости течения на выходе из устрой ства;

•параметры течения на выходе из уст ройства должны быть максимально равномер ными по сечению;

•устройство должно иметь минималь ные габариты;

•простота конструкции устройства и возможность изменения его положения без до работок в целях регулирования течения внутри отсеков.

Различные варианты возможного конст руктивного выполнения выходных устройств показаны на рис. 3.7.4…3.7.6.

Простейшее устройство представляет со бой коллектор тороидальной формы с равно мерно распределенными по его поверхности от верстиями для подачи воздуха внутрь термоста тируемого отсека по его перифирии. Данная конструкция проста, но имеет значительный вес

игабариты и не обеспечивает равномерную по окружности коллектора скорость на выходе из отверстий, она максимальна у отверстий вблизи входного трубопровода системы термостатиро вания и минимальна в удаленных отверстиях.

Значительно более эффективны выход ные устройства диффузорного типа (рис. 3.7.5, 3.7.6). Они имеют значительно меньшие габа риты и вес и большие возможности в части ор ганизации течения внутри отсеков.

Для выбора оптимальной конфигурации (конструкции) диффузоров успешно использу ются численные методы расчета течения газа. На рис. 3.7.7 показана оптимизированная, с использованием численного метода, конструк ция диффузора типа «фонарь».

Для исходного варианта диффузора с тре мя выходными отверстиями (см. рис. 3.7.6) ха рактерны большие местные скорости на выходе

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

ВЫБОР КОНФИГУРАЦИИ ВЫХОДНЫХ УСТРОЙСТВ	387

Рис. 3.7.4. Выходное устройство подачи термостатирующего воздуха в отсек (коллекторного типа)

Рис. 3.7.5. Выходное устройство подачи термостатирующего воздуха

вотсек (диффузорного типа):

а— геометрические обводы диф фузора «закрутка»; б — распреде ление модуля скорости на выхо де из диффузора

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

388	Глава 3.7. ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ ОТСЕКОВ РАКЕТ

Рис. 3.7.6. Варианты выходных устройств подачи термостатирующего воздуха в отсеки:

а — распределение модуля скорости в продольном сечении и в выходном сечении диффузора «рас труб»; б — геометрические обводы диффузора «фонарь»; в — распределение модуля скорости в про дольном сечении диффузора «фонарь»

Рис. 3.7.7. Оптимизированная конструкция диффузора «фонарь»:

а — конструкция б — поле скоро стей на выходе из центрального отверстия верх него диффузора

и значительная неравномерность параметров по сечению. Использование в конструкции раз делительных вкладышей (перегородок) позво ляет существенно изменить схему течения внутри диффузора и добиться приемлемых ре зультатов на выходе из отверстий устройства. При скорости газа на входе в устройство пода чи воздуха ~40 м/с скорость в выходных сече ниях не превышает ~15 м/с.

Рассмотренный диффузор компактен, прост в изготовлении и позволяет за счет ва риации числа выходных отверстий и поворота устройства вокруг собственной оси менять на правление течений термостатирующего возду ха около термостатируемого объекта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Дядькин А.А., Симакова Т.В. Опыт ис пользования программного комплекса «FlowVisi on» в процессе проектирования ракетно косми ческой техники в РКК «Энергия» им. С.П. Ко ролева // Науч. практ. конф. «Инженерные сис темы 2007». ТЕСИС, 2007. С. 20–27.

2.Патент № 2285640. Болотин В.А., Дядь кин А.А., Серафимов В.П. Способ термостати рования объектов ракетного блока и бортовая система для его реализации; опубл. 20.10.2006. Бюл. № 29.

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

ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РН ПРИ СТАРТЕ И ИХ ОТЛИЧИЕ ОТ ПОЛЕТНЫХ 389

Глава 3.8

ГАЗОДИНАМИКА СТАРТА РАКЕТ НОСИТЕЛЕЙ

3.8.1. ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РН ПРИ СТАРТЕ И ИХ ОТЛИЧИЕ ОТ ПОЛЕТНЫХ

Задачей исследований газодинамики стар

та является определение газодинамических,
ударно волновых, акустически	и тепловых
воздействий струй ДУ на	пусковые уста4

новки (ПУ ), начиная от момента запуска дви гателей первой ступени на режимы промежу точной и главной ступени тяги и далее в про цессе движения РН по траектории в непосред ственной близости от ПУ и стартового соору4 жения (СС).

Ударно,волновые нагрузки. Рост тяги в процессе запуска ДУ по временному закону нарастания тяги Rн f (9), истечение продук тов сгорания топлива из сопел ДУ и их движе ние в газовой среде, ограниченной поверхно стями газоходов, обуславливают суперпози цию и дифракцию волн сжатия, отходящих от фронта раздела продуктов сгорания со средой, как от движущегося поршня. В результате раз вивается ударно волновой процесс с избыточ ным давлением Руд f (9) за волнами сжатия в среде и на поверхностях конструкций РН и ПУ, что является одним из отличий нагруже ния РН при старте от нагружения в полете.

Уровень избыточного давления* на кормо вой части РН при протекании ударно волно вых процессов может достигать до 100 кПа (1 кгс/см2), а на конструкции ПУ — до 200 кПа (2 кгс/см2).

Отражение волн сжатия от свободной по верхности окружающей среды при выходе из газохода и эжектирующее действие струй при водят также к появлению волн разрежения с уровнем избыточного давления до (50… …60) кПа (( 0,5…0,6) кгс/см2).

Ударно4волновые давления (УВД) на кор мовую часть РН, как правило, существенно превышают донное давление в полете и явля ются расчетными для конструкции донных эк ранов и хвостовых отсеков РН. Ударно волно вые процессы должны учитываться также при анализе нагружения полезных грузов, выводи мых РН.

Уровень УВД зависит от энергетики ДУ, циклограммы выхода двигателя на режим, кон фигурации и параметров пусковой установки. В общем случае:

Руд /Р1 (GRT0 /Р1aнFг/х)Sh,

где Руд — абсолютное УВД, кгс/м2; Р1 — на чальное давление среды, кгс/м2; G — расход топлива, кг/с; R — газовая постоянная про дуктов сгорания, кг м/град.; T0 — темпера тура торможения газа в камере сгорания, К; aн — начальная скорость звука в каналах ПУ, м/с; Fг/х — площадь газохода, м2; Sh

2Lг/х /(aн ДУ), Lг/х — длина газохода, м;ДУ — время выхода ДУ на режим, с.

При Sh 1 принимается максимальное зна

чение Руд /Р1.

Снижение УВД обеспечивается ступенча тым и разновременным запуском групп двига телей, применением защитных экранов и вво дом воды в струи ДУ у среза сопел.

Газодинамические нагрузки. Величины воз действий струй двигателей определяются их тягой и компоновкой, а также конфигурацией отражательных устройств ПУ.

Результаты определения газодинамиче ских воздействий струй ДУ используются при формировании исходных данных для расчета нагружения конструкций РН и ПУ, а также

при разработке	снижения нагрузок до
допустимых уровней

В случае многосопловых ДУ большой тя ги 5…50 МН (500…5 000 тс) в результате взаи модействия струй с ПУ и поверхностями стар тового сооружения могут возникать отражен ные (возвратные) к кормовой части РН тече ния со скоростями, близкими к скорости зву ка, и с температурами продуктов сгорания Тг − − (0,6…0,75)Т0 (где Т0 — температура торможе ния в камере сгорания). Опасность воздейст вия такого течения на кормовую часть РН тре бует исключения возвратных токов при штат ных траекториях.

Суммарные силовые воздействия на ПУ от струй двигателей достигают значений (1,3…1,8)Rн в зависимости от способа и на правления отвода газового потока газохода ми. Давление на поверхности ПУ достигает значений 500…2 000 Па (5…20 кгс/см2) и оп

* Здесь и далее принята в основном техническая система единиц измерения, так как все данные по дав лениям на агрегаты наземного оборудования и на ракету при старте рассматривались с первых натурных испытаний (1954 г.) в технической системе единиц.