12.4. Проектировочный расчет масс составных частей ракеты-носителя

Проектировочный расчет масс элементов конструкций ракеты-носителя включает в себя следующие этапы:

- выбор расчетных случаев;

- расчет нагрузок, действующих на ракету-носитель;

- выбор расчетных сечений ракеты-носителя;

- расчет осевых сил в сечениях ракеты;

- расчет изгибающих моментов:

- расчет приведенной сжимающей силы;

- расчет давления наддува баков;

- расчет массы баков;

- расчет массы сухих отсеков;

- расчет прочих масс ракеты-носителя;

- проверка значений конструктивных характеристик ракетных блоков.

Рассмотрим эти этапы расчета последовательно на примере ракеты с последовательным соединением ступеней и цилиндрическими баками с днищами, выполненными в форме части сферы.

12.4.1. Выбор расчетных случаев

Как показывает практика проектирования, массы силовых элементов конструкции ракеты-носителя в основном определяются нагрузками, действующими на ракету в момент прохождения максимального скоростного напора со случайным порывом ветра. Направление ветра - перпендикулярно продольной оси РН.

Для типовых ракет-носителей этот расчетный случай соответствует следующим частным характеристикам [23]:

- высота полета ;

- плотность атмосферы ;

- скорость звука на высоте полета ракеты ;

- скорость ракеты-носителя составляет примерно 2 М, где - число Маха; то есть ,

- программный угол атаки ;

- скорость порыва ветра .

Максимальный скоростной напор составит:

.

Эффективный угол атаки от порыва ветра определяется по следующей зависимости (см. рис. 12.2):

. (12.10)

В нашем случае .

Однако такой угол атаки считается большим. Он приводит к возникновению большой подъемной силы на конусной части головного обтекателя и, следовательно, к возникновению больших по значениям изгибающих моментов в сечениях ракеты. Это, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения сечений силовых конструктивных элементов, воспринимающих эти нагрузки, и следовательно, к увеличению массы конструкции ракеты в целом.

Для уменьшения изгибающих моментов в сечениях ракеты в состав средств бортового управления вводят бортовую систему ограничения поперечных перегрузок. Суть работы этой системы заключается в следующем. В процессе прохождения максимальных скоростных напоров и воздействий порыва ветра в корпусе ракеты появляются поперечные (боковые) перегрузки. При достижении заранее определенных значений поперечных перегрузок включаются управляющие двигатели ракеты, которые "помогают" ракете перейти в так называемое "флюгерное положение". Эффективный угол атаки уменьшается, снижается подъемная сила и, следовательно, силовые элементы ракеты разгружаются. Восстановление программного угла тангажа происходит после угасания порыва ветра. Реально с помощью такого рода систем уменьшить эффективный угол атаки от порывов ветра до 2°…3°.

Следует отметить, что для ракеты "Энергия" из-за особенностей расположения полезного груза нет короткого участка движения с явно выраженным максимумом скоростного напора, где нагрузки наибольшие [47]. Расчетные случаи нагружения по траектории полета охватывали участок движения, где число Маха изменяется в достаточно широком диапазоне - от 0,4 до 2.

Из условий несущей способности конструкции ракеты-носителя были заданы допустимые величины произведения скоростного напора на угол атаки (скольжения). Поэтому в комплекс управления полетом РН были включены алгоритмы управления, использующие информацию по углам скольжения (получаемую с помощью оценок измеренных значений ускорений в различных сечениях по длине РН).