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

РАСЧЕТ СИСТЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ	891

Операции, связанные с расстыковкой разъемов всех типов, являются вспомогатель ными по отношению к основной задаче разде ления и отделения, но они необходимы, по скольку несрабатывание любого из указанных элементов может оказать заметное влияние на процесс отделения.

Наличие дублирования средств разделе ния и отделения — важное условие повыше ния надежности их функционирования. Слож ность и высокая стоимость создаваемых РКК приводит к необходимости повышения надеж ности каждого элемента, входящего в их со став, поэтому важно резервирование средств разделения, так как в случае отказа любого из них пассивный элемент конструкции невоз можно отделить. Отказ же части из рассмот ренных выше средств отделения позволяет при разумно выбранных запасах обеспечить без ударное отделение пассивного элемента.

В реальных конструкциях осуществляют ся следующие способы дублирования: по заря ду; по средствам инициирования; по электри ческим цепям; по ме элементам.

Дублирование по заряду представляет со бой наиболее распространенный способ резер вирования, которым охвачена б льшая часть пироустройств, используемых в ракетно кос мической технике. Оно состоит в том, что, на пример, в состав пирозамка вводится два пи ропатрона и в случае отказа одного из них дру гой обеспечивает надежное срабатывание ука занного средства разделения.

Все выпускаемые отечественной про мышленностью пиротехнические средства имеют дублирование по средствам иниции рования. В пироболтах, пиропатронах и электрических детонаторах оно реализуется путем установки в каждом из них двух мос тиков накаливания, при сгорании любого из которых происходит срабатывание данных пиросредств.

Другой способ дублирования — установ ка нескольких однородных или разнородных элементов разделения в одном узле связи та ким образом, чтобы при срабатывании любого из них узел раскрывался.

В наиболее ответственных стыках, таких как отсеки пилотируемого корабля, выдвигает ся требование по дублированию средств разде ления не только по пироэлементам, но и по

механике. В этом	после воспламенения
пиропатронов и	основной механиче

ской цепи срабатывает резервная.

8.3.4. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА РАЗДЕЛЯЕМЫЕ ТЕЛА

В процессе относительного движения на разделившиеся тела в общем случае могут действовать следующие силы: пружинного, пиротехнического и пневматического толка телей; тяги жидкостного ракетного двигателя и РДТТ, газодинамические, аэродинамиче ские, тяжести и инерционные.

Каждая из этих сил в общем случае соз дает соответствующие моменты.

Кроме того, при относительном движе нии разделившихся тел на шпилечном участ ке необходимо определять и учитывать реак цию связи, считая шпильку кинематической связью с определенным числом степеней сво боды.

8.3.5. РАСЧЕТ СИСТЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ

Относительное движение объектов, разделяемых по плоскому стыку, наиболее наглядно следует представлять в связанной с одним из них системе координат. В расче тах при этом обычно полагают, что отделяе мые тела абсолютно твердые с неизменны ми массовыми, инерционными и центро вочными характеристиками, а действующие силы зависят от времени или относительно го расстояния между объектами и считают заданными. Расчеты позволяют сформиро вать ЦГ процесса, выработать требования к средствам разделения и отделения. В сово купности все это позволяет выполнить ус ловие по безударности отделения пассивно го объекта с одновременным выполнением возможных дополнительно накладываемых ограничений.

При расчете процесса отделения k про дольно сочлененных с центральным блоком пассивных элементов (боковые блоки, створки обтекателей) предполагают, что они расположены несимметрично относительно центрального блока (компоновка РН «Бу ран») и связаны с ним с помощью подвиж ных верхних или нижних осей вращения. После подачи команды на разделение рвут ся, например, верхние силовые связи между центральным и боковыми блоками, которые под действием средств отделения начинают разворот относительно нижних подвижных осей вращения.

Вывод дифференциальных уравнений от носительного движения блоков в данном слу

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

892	Глава 8.3. СИСТЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ

чае наиболее целесообразно проводить с по мощью уравнений Лагранжа II рода при сле дующих обобщенных координатах:

линейная координата Sk проскальзыва ния шарнира k го бокового блока вдоль обра зующей центрального блока;

угол k измеряемый в плоскости отделения и характеризующий относительный разворот между k м боковым и центральным блоками;

угол k измеряемый между

осью k го бокового блока и плоскостью ления;

проекции Vx, Vy, Vz линейной скорости центра масс центрального блока на оси свя занной с ним системы координат;

проекции ;x, ;y, ;z угловой скорости центрального блока на оси связанной с ним системы координат.

Схема для рассчета отделения пассивных элементов, продольно сочлененных с централь ным блоком, преставлена на рис. 8.3.17.

Величины Sk, k, k характеризуют вза имное расположение разделяемых блоков, а

Vo (Vx ,Vy ,Vz ) и ;o (;x ,;y ,;z ) — кинематическое состояние центрального блока в процессе от

Рис. 8.3.17. Схема для расчета отделения пас сивных элементов, продольно сочлененных

с центральным блоком

деления. Таким образом, процесс описывается 3k 6 дифференциальными уравнениями вто рого порядка, записанными в системе коорди нат, связанной с центральным блоком:

d

0T

0T

Q

;

dt 0Sk

0Sk

Sk

d

0T

0T

Q

;

dt

0 k

0 k

k

d

0T

0T

Q

;

dt

0k

0k

k

0T /0V

0

; ;

0T /0V

P

d

x

z

y

x

V x

0T /0V

;

0

; 0T /0V

y

P

;

dt

y

z

x

V y

0T /0V

; ;

0

0T /0V

z

P

z

y

x

V z

0T / 0;x 0

;z

;y 0T / 0;x

d

0T

/ 0;

;

0

; 0T / 0;

dt

y

z

0

x

y

0T

/ 0;

; ;

0T / 0;

z

y

x

z

0

Vz

Vy 0T / 0Vx M; x

Vz

0

Vx 0T

/ 0Vy M

; y .

Vy Vx

0 0T / 0Vz M; z

Обобщенные силы, стоящие в правых час тях этих уравнений, находятся традиционным способом и зависят от сил и моментов, дейст вующих на разделяемые тела.

Задача сводится к определению суммарной кинетической энергии системы Т как функции обобщенных координат.

В большинстве случаев разделяемые тела принимаются абсолютно твердыми, но в неко торых случаях такое допущение не правомер но. Вопрос учета упругих конструкции особенно остро встает при отделении таких крупногабаритных элементов конструкции, как боковые блоки большого удлинения ракет па кетной схемы и створки разрезанных отсеков. Отделение данных элементов конструкции происходит под действием значительных со средоточенных сил, создаваемых средствами отделения. Под действием этих сил в отделяе мом элементе могут возникнуть значительные колебания, которые наряду с другими негатив ными последствиями приводят к потере части энергетики средств отделения. В результате потребная относительная скорость отделения, рассчитанная без учета упругих свойств конст рукции отделяемого тела, может быть не дос тигнута в реальном процессе.

Задачей расчета процесса отделения уп ругих элементов конструкции является не

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

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ	893

только описание их относительного движения, но и проведение прогнозируемой оценки уровня колебаний и величины потери скоро сти отделения, а также уменьшение их нега тивного влияния на процесс за счет рацио нального размещения средств отделения и вы бора их рабочих характеристик.

8.3.6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА СИСТЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ

Ввиду повышенных требований, предъяв ляемых к надежности функционировании, СР в целом и составляющие их элементы прохо дят тщательную и всестороннюю эксперимен тальную отработку.

При отработке конкретной СР первона чально испытывают и доводят до заданных ха рактеристик входящие в ее состав средства разделения и отделения, а также разъемные соединения, установленные на разделяемом стыке, причем наиболее тщательно испытыва ют те из них, которые содержат пиротехниче ские устройства. Испытание элементов СР на срабатывание проводят после нагружения их внешними воздействиями, имеющими место в натурных условиях.

Весь процесс экспериментальной отра ботки элементов, входящих в состав СР, и ис пытания самих систем в целом подразделяют на этапы, основными из которых являются следующие испытания:

лабораторные отладочные; контрольные доводочные; контрольные выборочные; чистовые доводочные;

промежуточные отдельных крупных под систем, входящих в состав отрабатываемой СР; комплексная экспериментальная отработка. Каждый элемент, входящий в состав СР, проходит испытания на транспортировку, ударную стойкость, вибронагружения, на по вышенную и пониженную температуры, а так же на определение влияния длительного пре бывания в вакууме. Назначение данных испы таний состоит в максимальной имитации воз можных внешних воздействий на испытуемый элемент и определении их влияния на его ра

ботоспособность.

Комплексные испытания являются наи более сложными в экспериментальной отра ботке СР, во время которых подтверждаются полученные расчетным путем основные кине матические параметры систем, такие как ли

нейная относительная скорость, угловые ско рости отделяемых тел.

В процессе испытаний окончательно ус танавливают принятую на стадии проектных разработок последовательность прохождения команд на срабатывание элементов СР, а так же измеряют виброперегрузки, возникающие при срабатывании пиротехнических элементов системы и их влияние на близлежащие эле менты конструкции. По результатам дают за ключение о возможности установки данной СР на натурное изделие.

При комплектовании эксперименталь ной установки для комплексных испытаний необходимо, чтобы все узлы и агрегаты, вхо дящие в ее состав, прошли полный цикл предварительной отработки. Все технологиче ские элементы (опорные рамы, переходные отсеки и т.д.) должны быть достаточно жест кими для того, чтобы их податливость под действием внешних нагрузок не сказывалась на процессе разделения. Испытания проводят при максимальной имитации натурных усло вий, при которых срабатывает данная СР. Объекты, разделение которых отрабатывают на комплексных экспериментальных установках, должны максимально соответствовать натур ным и иметь штатные массовые, инерционные и центровочные характеристики. Эти требова

приводят к необходимости создания крупногабаритных и часто уникальных уста новок. На рис. 8.3.18 схематично изображена экспериментальная установка для отработки отделения створок головного обтекателя.

8.3.7. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

Каждая конкретная СР характеризуется параметрической и функциональной надеж ностью. Под параметрической понимается полученная расчетным путем надежность протекания с заданными параметрами про цесса отделения пассивного элемента конст рукции с учетом всех влияющих на процесс факторов и отклонений от номинальных зна чений параметров, составляющих банк рас четных данных.

Функциональная надежность зависит от надежности входящих в состав СР элементов, наличия дублирования и его видов, а также от вида соединения элементов в структурные схе мы надежности. Такое соединение может быть последовательным, параллельным или комби нированным.

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

894 Глава 8.4. ОПИСАНИЕ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАКЕТ НОСИТЕЛЕЙ

Рис. 8.3.18. Экспериментальная установка для отработки отделения створок головного обтекателя:

1 — макет ПГ; 2 — створки головного обтекателя; 3 — подставка; 4 — сеть улавливания створок; 5 — опорная рама; 6 — средства кинорегистрации; 7 — средства управления; 8 — система измерений

Большое значение для подтверждения заданного уровня надежности и корректи ровки его по мере эксплуатации РКК имеют результаты, полученные при анализе теле метрических данных результатов натурных испытаний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колесников К.С.,	В.В., Бор
зых С.В., Панкова Н.В.	проектирова
ние систем разделения	ракет. М.:
МГТУ им. Н.Э. Баумана,	376 с.

Глава 8.4

ОПИСАНИЕ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАКЕТ НОСИТЕЛЕЙ

8.4.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Пневмогидравлическая система (ПГС) ра кетного блока — совокупность ПГС одного или нескольких двигателей, топливных ба ков, расходных магистралей и вспомогатель ных устройств и систем, обеспечивающих за правку баков компонентами топлива и заряд ку аккумуляторов давления газами, предпус ковой и основной наддувы баков, непрерыв

ную подачу топлива с заданными параметра ми в камеру сгорания двигателей во время их работы, а также работу агрегатов автоматики

ирегулирования в соответствии с циклограм мой работы.

Иногда из ПГС ДУ выделяют ПГС подачи (ПГСП), обеспечивающая все вышеперечис ленные операции и подачу топлива на вход в ЖРД с заданными параметрами, в которую не входит пневмогидравлическая часть собствен но двигателя

Понятие «входа» в двигатель является ус ловным, зависящим от комплектации (соста ва) двигателя, особенностей его компоновки в составе ракетного блока. Комплектация двига теля существенно зависит от назначения РН и задач, выполняемых ДУ.

Структура ПГС ДУ и конструкция входя щих в нее элементов существенно зависят не только от назначения ДУ, но и от рода топли ва, вида старта, видов системы подачи топлива

ибортового наддува, длительности эксплуата ции в заправленном состоянии.

Функциональный состав ПГСП топлива на вход в двигатель с заданными параметрами приведен на рис. 8.4.1.

Взависимости от назначения РН и от ви да старта ПГС располагают как на борту, так и на земле.

На земле находятся в основном систе мы первых ступеней РН (система подпитки

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

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЖРД	895

Рис. 8.4.1. Функциональный состав пневмогидравлической системы подачи топлива на вход в двига тель с заданными параметрами

топливом и т.д.), а также системы заправки,	системы: топливную, заправки, наддува, огра
дренажа, и предстартового наддува всех сту	ничения давления, управления состоянием то
пеней РН.	плива, вспомогательные.
ПГС ДУ РН делятся по функционально	Каждая комплексная система состоит из
му назначению на следующие комплексные	нескольких более простых функциональных

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

896 Глава 8.4. ОПИСАНИЕ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАКЕТ НОСИТЕЛЕЙ

частей, которые можно определить с точки зрения классификации как подсистемы ком плексных систем.

Топливная система — комплекс пневмо гидравлических устройств, в том числе топ ливных баков, обеспечивающих хранение топ лива, а также питание компонентами топлива ЖРД для их нормального функционирования при старте и в полете. Она состоит из двух ав тономных систем — горючего и окислителя. Конструкция топливных систем зависит от устройств РН и двигателя, состава топлива и других факторов.

Для обеспечения заданного режима ра боты ДУ используют различные регуляторы, основными из которых являются регуляторы изменения тяги (или давления в камере сго рания) по заданному режиму полета и соот ношения компонентов топлива (стабилиза тор).

Топливная система включает в себя сле дующие подсистемы:

расходные магистрали — трубопроводы, узлы и агрегаты, обеспечивающие транспорти ровку компонентов топлива в ЖРД;

управления положением топлива и разде ления жидкой и газовой сред — устройства, обеспечивающие непрерывную подачу (сплош ность потока жидкого топлива в ЖРД);

заборные устройства — внутрибаковые устройства, обеспечивающие организованный забор компонентов из топлива емкостей с ми нимальными остатками незабора;

перелива — устройства, обеспечивающие перекачку компонентов топлива из одной ем кости в другую;

демпфирования колебаний топлива — уст ройства и приспособления, позволяющие умень шить амплитуды колебаний топлива в баках и магистралей;

подпитки — устройства, обеспечивающие питание ЖРД компонентами топлива из небо ртовых емкостей.

Система заправки — комплекс устройств, обеспечивающих заправку (слив) и зарядку (сброс) емкостей топливом и газом.

Система заправки состоит из следующих подсистем:

заправки топливом — устройства, обеспе чивающие заправку, насыщение газом, доза правку, слив и повторную заправку компонен тами топлива;

зарядки газом — устройства, обеспечи вающие зарядку и сброс газа;

дренажа — устройства, обеспечивающие дренаж емкостей при заправке.

Система наддува — совокупность уст ройств, обеспечивающих необходимые давле ния в топливных баках. Наддув топливных ба ков необходим:

1)для обеспечения бескавитационной ра боты насосов на всех этапах работы ЖРД;

2)устранения провалов давления в баках

вмомент запуска ДУ;

3)ускорения выхода двигателей на режим

хуменьшения предстартовых расходов

4)повышения прочности баков при воздействии на них осевых сжимающих на грузок.

Система наддува состоит из следующих подсистем наддува:

предстартового — устройства, обеспе чивающие наддув (поднадув) топливных баков до выхода на режим основного над дува;

основного — бортовые устройства, обес печивающие наддув топливных баков при ра ботающих ЖРД.

Классифицировать системы наддува можно по ряду признаков: способам сообще ния энергии рабочему телу (газу наддува) и получения газа, роду и физико химическим признакам рабочего тела, агрегатному состоя нию и количеству исходных веществ для полу чения этого газа, способу регулирования дав ления наддува и т.п. На рис. 8.4.2 представлена классификация систем наддува топливных ба ков РН по этим признакам.

Системы наддува, в которых используют газ, имеющий более высокую температуру (вследствие подвода к нему тепловой энер гии), чем температура жидких компонентов, принято называть горячими.

Системы наддува называют холодными или газобаллонными, если для наддува баков применяют полученный заранее и аккумули рованный в газовых баллонах газ, и он на бор ту РН специально не подогревается.

Принципиальная схема наддува топ ливных баков, горячая, газобаллонная с по догревом газа в теплообменниках двигателя

(блок III ступени РН представ лена на рис. 8.4.3. Газообразный гелий, на

ходящийся в бортовых	х, подогрева
ется в теплообменниках	РД0124 и

подается на наддув баков окислителя и го рючего.

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

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЖРД	897

Рис. 8.4.2. Классификация систем наддува топливных баков РН

Система ограничения давления — ком плекс устройств, предохраняющих ПГС от разрушения и разгерметизации в процессе экс плуатации.

Такая система состоит из следующих подсистем:

обеспечения давления в топливных баках в требуемых пределах при хранении и транс портировке в незаправленном состоянии —

устройства, обеспечивающие допустимый пе репад давления между топливными баками и окружающей средой;

обеспечения давления в топливных баках в требуемых пределах при хранении в заправ ленном состоянии — устройства и мероприя тия, обеспечивающие необходимый диапазон давления в топливных баках в процессе хране ния в заправленном состоянии;

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

898 Глава 8.4. ОПИСАНИЕ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАКЕТ НОСИТЕЛЕЙ

Рис. 8.4.3. Принципиальная схема наддува топ ливных баков блока III ступени РН «Союз 2»

предохранения топливных баков при пус ке и в полете — устройства, обеспечивающие ограничение давлений в баках при наддуве.

Система управления состоянием топлива —

комплекс устройств, обеспечивающих требуе мые характеристики и параметры компонен тов топлива при эксплуатации ПГС.

СУ состоянием топлива состоит из сле дующих подсистем:

терморегулирования — устройства и роприятия, обеспечивающие поддержание данных значений температур топлива в эксплуатации;

контроля параметров рабочей среды (в баках) — устройства, обеспечивающие измере ние характеристик рабочего тела в ПГС и вы дачу соответствующих сигналов в системы ре гулирования ДУ.

Вспомогательные системы включают в себя следующие подсистемы: нейтрализации, продувки, пневмоуправления клапанами, ава рийного слива и т.д.

Основные требования, предъявляемые к ПГС

Пневмогидравлическая система должна отвечать следующим требованиям:

минимальная масса при обеспечении за данной надежности функционирования;

размещение максимально возможного количества агрегатов и систем вне борта;

минимально необходимое количество разъемных соединений и обеспечение требуе мой герметичности;

исключение случайного контакта компо нентов другом;

минимальные гидравлические сопротив ления;

минимально возможное количество пнев мо и гидросвязей с внебортовыми системами; обеспечение полного слива компонентов

и повторной заправки; обеспечение проверки различных систем

на заводе изготовителе и в эксплуатирующей организации;

максимальная автоматизация управления в процессе подготовки и старта;

обеспечение дистанционной отстыковки разъемных соединений земля–борт;

дистанционный контроль срабатывания агрегатов ПГС;

дублирование особо ответственных эле ментов ПГС.

8.4.2.СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

ВДВИГАТЕЛЬ

ВДУ с ЖРД применяют две основные системы подачи компонентов топлива в каме ру сгорания — вытеснительную и турбонасос ную.

При вытеснительной системе подачи топливо из баков в камеру сгорания посту пает под действием газов высокого давле ния, причем давление в баках выше давле ния в камере сгорания. Регулирование тяги двигателя при этом производят либо по дав лению в камере сгорания, либо давлению в топливных баках.

Втурбонасосных системах подачи топли во в камеру сгорания подают насосами двига теля. Особенность жидкостных насосов состо ит в том, что для надежной их работы необхо димо, чтобы напор поступающей в них жидко сти был не ниже некоторой величины, при ко торой начинаются кавитационные явления в насосе. Гидростатического напора, соответст вующего высоте столба жидкости от верхнего его уровня в баке до входа в насос, оказывает ся недостаточно для безкавитационной работы насоса. Поэтому в случае насосной системы подачи также приходится создавать в баках по вышенное давление газов, т.е. производить так называемый противокавитационный наддув топливных баков.