3 .2 Требования, предъявляемые к системам отделения и их принципиальные схемы

К системам разделения относят системы отделения БЧ, системы разделения ступеней и системы сброса хвостовых отсеков или различного рода обтекателей. Принципиально все эти системы идентичны.

Система отделения БЧ предназначена для ее надежного крепления к корпусу ракеты при помощи быстроразъемного устройства, а также для отделения БЧ в конце АУТ.

Система отделения должна обеспечивать выполнение следующих основных требований:

– надежное крепление БЧ к корпусу при наземной эксплуатации и в полете;

– должна быть компактной и иметь небольшую массу;

– должна обеспечивать надежное отделение БЧ и минимальное ее возмущение при разделении;

– должна быть безопасной и простой в эксплуатации.

Заметим, что под надежным понимают такое отделение, при котором исключается догон отделившейся БЧ корпусом ракеты, а следовательно, и их взаимное соударение. Для этого энергия, используемая для отделения должна быть достаточной, а само отделение происходить в расчетный момент времени по команде СУ.

Не выполнив эти условия, отделение может не произойти вовсе, или БЧ получит чрезмерные возмущения, существенно изменяющие параметры ее движения и увеличивающие рассеивание.

В процессе отделения относительное ускорение, скорость и перемещение корпуса ракеты и БЧ должны быть стабильными от ракеты к ракете и возможно ближе соответствовать расчетным; отклонение их от расчетных приводит к рассеиванию точек падения БЧ.

Т ребование минимальных возмущений является определяющим при выборе принципиальной схемы системы отделения применительно к конкретной ракете. Учитывают это требование и при выборе момента отделения.

При отделении БЧ может получить два вида возмущений: отклонение вектора абсолютной линейной скорости и угловые скорости вращения относительно ее ЦМ.

Основной причиной, вызывающей отклонения вектора абсолютной скорости, является разброс таких параметров, как импульс тяги последействия двигателя, время срабатывания системы отделения, масса ракеты в момент отделения, энергетические характеристики системы отделения.

Причинами появления угловых скоростей вращения БЧ вокруг собственного ЦМ могут быть: упругие поперечные колебания корпуса ракеты в период отделения, наличие эксцентриситета тяги последействия и эксцентриситета в действии сил механизмов отделения. Заметим, что возмущения вектора абсолютной скорости приводят к отклонению точек падения в результате рассеивания траекторий всего ПУТ, тогда как угловые скорости вращения БЧ, вызывают отклонение точек падения в результате рассеивания траекторий лишь на атмосферном ПУТ вследствие ухудшения условия стабилизации БЧ.

Надежность крепления БЧ к корпусу ракеты должна обеспечиваться на всех этапах эксплуатации от момента пристыковки до момента отделения. Детали средств крепления должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при работах с ракетой при подготовке ее к пуску, при пуске и на активном участке траектории. Средства крепления БЧ ракет подвижных ракетных комплексов, кроме того, необходимо рассчитывать на нагрузки, возникающие при транспортировке.

К омпактность и небольшая масса системы являются очень важными для ракет, поскольку увеличение массы конструкции ракеты уменьшает дальность полета, а увеличение габаритов может ухудшить ее аэродинамические характеристики и условия эксплуатации. Желательно, чтобы устройства системы отделения не требовали специальных объемов внутри отсеков, а использовали объемы корпуса ракеты, остающиеся незаполненными. При размещении агрегатов системы отделения над обводом ракеты особенно важно, чтобы их габариты были небольшими в целях уменьшения аэродинамических сил.

Система отделения состоит из механизма крепления БЧ к корпусу ракеты, механизма разведения и элементов электроавтоматики (рисунок 3.2).

Первые крепят БЧ к корпусу ракеты и освобождают БЧ от некинематической связи с корпусом в момент отделения. Вторые сообщают относительное движение БЧ и корпусу. Для сообщения относительного движения механизмы отделения используют либо энергию, аккумулированную в них, либо энергию встроенного потока воздуха.

В качестве средств крепления БЧ к корпусу ракеты обычно применяются быстроразъемные устройства:

– разрывные болты;

– шариковые замки;

– цанговые замки;

– клеммные кольца.

Рисунок 3.2 – Состав и классификация систем отделения

Для ориентации БЧ и корпуса ракеты используются направляющие штыри или шпильки. Разрывные болты, шариковые и цанговые замки, клеммные кольца работают только на растяжение. Направляющие шпильки работают на срез, воспринимая перерезывающие силы и крутящие моменты.

Разрывные болты (рисунок 3.3) имеют осевой канал, заполненный пиротехническим составом с воспламенителем, дающим форс пламени, для поджига пиротехнического состава. Канал герметизируется. В момент разделения электрический сигнал подается на воспламенитель, происходит воспламенение пиротехнического состава с выделением большого количества газов, благодаря чему создается высокое давление в канале разрывного болта. От сил давления болт разрывается по ослабленному поперечному сечению (сечение с кольцевой проточкой) и силовая связь двух элементов, скрепленных болтом, нарушается. Разрывные болты просты по устройству, имеют небольшую массу, однако, при большем количестве (более трех) болтов трудно обеспечить одновременность их разрыва. Кроме того, при затяжке разрывные болты требуют применения моментных ключей.

1 – разрывной болт; 2 – гайка; 3 – шайба;

4 – шпангоут РЧ; 5 – шпангоут БЧ

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема разрывного болта

Шариковые замки (рисунок 3.4) осуществляют силовую связь между скрепляемыми деталями при помощи шариков, часть поверхности которых опирается на выступы одной детали, а другая часть – на элемент второй детали.

Утапливая шарики в одну из деталей, нарушается силовая связь с другой деталью и происходит их быстрое рассоединение.

Цанговые замки (рисунок 3.5) осуществляют силовую связь между скрепляемыми элементами с помощью цангового захвата.

Шариковые и цанговые замки сложнее по конструкции, чем разрывные болты. Их масса больше массы разрывных болтов, однако, они позволяют быстрее соединить детали друг с другом, чем с помощью разрывных болтов.

Рисунок 3.4 – Принципиальная схема шарикового замка

1 – корпус БЧ; 2 – корпус РЧ; 3 – шток; 4 – цанговый зажим; 5 – пружина

Рисунок 3.5 – Принципиальная схема цангового замка

Разрывные болты, шариковые и цанговые замки могут применяться по одному (при расположении их на продольной оси БЧ корпуса ракеты) или по несколько штук.

В последнем случае они располагаются по периметру поперечного сечения и соединяют между собой стыковочные шпангоуты и корпус ракеты. При центральном расположении (на продольной оси БЧ) разрывные болты или шариковые (цанговые) замки должны иметь большую массу, чтобы обеспечить прочность (нераскрытие) стыка БЧ и корпуса. При расположении их по периметру шпангоуты оказываются нагруженными сосредоточенными осевыми силами в местах постановки шариковых (цанговых) замков и разрывных болтов, что требует усиления и утяжеления шпангоутов.

Клеммные кольца (рисунок 3.6) выполняются из шарнирно-соединенных сегментов, имеющих в поперечном сечении корытообразную форму, стяжного винта и разрывных болтов, разрушающих кольцо. КК обеспечивает высокую надежность стыка и разрушения силовой связи между отсеками за счет равномерно распределенной нагрузки по периметру шпангоутов.

1 – шпангоут БЧ; 2 – клеммное кольцо; 3 – шпангоут РЧ;

4 – стяжной болт; 5 – разрывной болт; 6 – шарниры

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема клеммного кольца

Нарушение механической связи БЧ с корпусом ракеты не обеспечивает их надежного разделения. Для разделения БЧ с корпусом необходимо приложить усилие. Это усилие создает механизм разведения.

В зависимости от места приложения и направления действия сил, от действия которых происходит отделение БЧ, возможны три группы механизмов:

– тормозящие (ускоряющие);

– расталкивающие;

– комбинированные.

Первый тип механизмов притормаживает корпус ракеты; второй – расталкивает БЧ и корпус ракеты силами, действующими в направлении их продольных осей; третий – сочетает расталкивание или притормаживание с поворотом корпуса ракеты вокруг ЦМ.

Торможение ракетной части производится следующими средствами:

– тормозными двигателями;

– соплами противотяги;

– аэродинамическими силами (тормозные щитки).

Система с тормозными двигателями практически не вызывает возмущений БЧ и хотя является более тяжелой, чем любая расталкивающая система находит широкое применение.

Сопла противотяги идентичны системе с тормозными двигателями.

Торможение корпуса РЧ аэродинамическими силами возможно на ракетах, у которых отделение происходит в достаточно плотных слоях атмосферы.

Принципиально могут использоваться ускоряющий (двигатель на БЧ) или комбинированный механизмы.

Расталкивающие механизмы действуют на БЧ и корпус силами в направлении продольной оси ракеты. К таким устройствам относятся:

– пружинные;

– пневматические;

– пороховые механизмы (толкатели).

Пружинный толкатель самый простой и надежный (но, как правило, самый тяжелый) может выполняться в виде одной или нескольких автономных толкателей – пружин.

Источником энергии пружинного толкателя является потенциальная энергия сжатия пружины. Для пневматических и пороховых механизмов источником энергии служит сжатый газ.

Пневмотолкатель представляет собой шток с поршнем, помещенный в цилиндр, закрепленный на корпусе ракеты. Ось цилиндра совпадает с осью ракеты. Отделение БЧ происходит в результате воздействия штока на БЧ в момент, когда за поршнем создается необходимое давление при сравнительно малом весе.

Толкатель состоит из корпуса, стакана, цилиндра, порохового заряда и электровоспламенителя. Корпус толкателя закреплен на крышке, соединенный с задним шпангоутом, а стакан толкателя соединен гайкой со втулкой рамы.

Рама состоит из шпангоута, труб и втулки. На трубах рамы закреплены разъемы для электрической стыковки изделия с системой автоматики ракетной части. Механическая стыковка боевой и ракетной частей производится через шпангоут рамы БЧ аналогично стыковке штатных БЧ. На нисходящем участке траектории по команде СУ на отделение БЧ срабатывают электровоспламенители, а затем детонирующие дистанционные удлиненные заряды устройств разрезания клеммного кольца, после чего через 0,1 с – электровоспламенитель толкателя. Клеммное кольцо сбрасывается, рама с ракетной частью отделяется от БЧ, а через 0,1 с толкатель с требуемым усилием обеспечивает разведение БЧ и ракетной части на требуемое расстояние. При этом расстыковываются отрывные разъемы и разобщают цепи приборов боевой и ракетной частей.

На рисунке 3.7 показана одна из возможных принципиальных схем пружинного толкателя. Толкатели удерживаются во взведенном состоянии чеками 1, фиксирующими стаканы 3 в корпусах 4. По окончании пристыковки БЧ чеки 1 удаляют, в результате стаканы 3 опираются на днище корпуса БЧ. При обрыве разрывных болтов пружины 2 разжимаются и расталкивают БЧ и корпус ракеты. Пружинные толкатели являются самыми тяжелыми из расталкивающих механизмов, но зато и самыми простыми.

Рисунок 3.7 – Принципиальная схема пружинного толкателя

Для надежного разделения ракетной части и БЧ выбрали пружинный расталкивающий механизм, как самый простой и надежный. Поэтому при дальнейшем расчете механизма отделения БЧ остановимся именно на пружинном механизме (толкатель).