2.2. Нагрузки, действующие на отсек, расчетный случай нагружения, определение продольных усилий в отдельной конструкции ракеты

Рассмотрим схему двухступенчатой баллистической ракеты с ЖРД (рис. 2.2.1). При расчете сжимающих усилий принимаем следующие допущения:

- учитывая, что вес топлива составляет примерно 90 % стартового веса ракеты, в предварительных расчетах весом конструкции ракеты пренебрегаем;

- дополнительные затраты топлива не учитываем, следовательно:

вес горючего ракетного блока равен ;

вес окислителя ракетного блока равен ,

где – расчетное время полета ракеты (ступени);

– массовый секундный расход горючего;

– массовый секундный расход окислителя;

– суммарный расход топлива;

– коэффициент массового соотношение компонентов топлива.

Таким образом, для расчетной схемы (рис. 2.2.1) сжимающие усилия, действующие на сухие отсеки ракеты, равны

приборный отсек РБ2, ;

межбаковый отсек РБ2, ;

хвостовой отсек РБ2, ;

межбаковый отсек РБ1, ;

хвостовой отсек РБ1 – расчетным является случай, когда ракета находится на стартовом столе, при этом коэффициент осевой перегрузки ,

,

где – стартовый вес ракеты.

Прочность сухих отсеков оценивается по величине расчетной эквивалентной силы

,

где – коэффициент безопасности.

Значения коэффициента безопасности рекомендуют принимать:

1. стоянка ракеты на стартовой позиции (порыв ветра), ;

2. старт с открытой стартовой позиции, выход на режим двигателя первой ступени ;

3. активный участок полета:

• максимум внутреннего давления в топливном баке с учетом гидростатического подпора, ;

• максимум продольного нагружения ракеты (в конце полета отдельной ступени), ;

• максимум нагрева конструкции (на участке зоны ), .

В качестве сухого лонжеронного отсека баллистической ракеты рассмотрим Хвостовой отсек РБ1.

_{Расчетным является случай,} когда ракета находится на стартовом столе, при этом коэффициент осевой перегрузки , эквивалентная сила , коэффициент безопасности f =1,5.

Рис.2.2.1 Определение продольных усилий сухих отсеков ракеты

2.3. Расчет на прочность отсека

Исходные данные

Диаметр ракеты D_p = 2,15 м;

Отсек Хвостовой отсек РБ1;

Длина отсека L_ХО = 2,16 м;

Коэффициент осевой перегрузки n_x = 1;

Коэффициент безопасности f = 1,5;

Материал оболочки В95АТ1;

Предел прочности σ_в = 500 ∙10⁶ Па;

Предел текучести σ_т = 420 ∙10⁶ Па;

Модуль упругости Е = 67000 ∙10⁶ Па.

Расчет

Расчетная эквивалентная сила

Принимаем разрушающее напряжение σ_р = 150 ∙10⁶ Па и количество лонжеронов n_л = 6.

Усилие, действующее на один лонжерон

Площадь поперечного сечения лонжерона с присоединенной обшивкой

Выбираем форму сечения лонжерона в виде П-образного профиля. У такого лонжерона две точки крепления к обшивке. При расстоянии между точками крепления Δ больше чем b_пр площадь присоединенной обшивки определяется по формуле

,

а при Δ меньше чем b_пр площадь присоединенной обшивки определяется по формуле

Присоединенная ширина обшивки

Площадь присоединенной обшивки

где Δ = b₁ + b₃ - 2 ∙ δ = 50 ∙ 10^-3 +25 ∙ 10^-3- 2 ∙ 2 ∙ 10^-3 = 0,071 м.

Площадь сечения лонжерона

Подбираем П-образный профиль с максимально близкой площадью, которым является крыто с номером профиля 66, для которого (рис.2.3.1)

δ = 2 мм; b = 65 мм;

δ₁ = 2 мм; b₁ = 50 мм;

δ₂ = 3 мм; b₂ = 96 мм;

b₃ = 25 мм.

Рис.2.3.1. Схема лонжерона с присоединенной обшивкой (М1:1)

Проверяем условие принятое вначале расчета Δ < b_пр

Δ = b₁ + b₃ - 2 ∙ δ = 50 ∙ 10^-3 +25 ∙ 10^-3 – 2 ∙ 2 ∙10^-3 = 0,071 м

Δ = 0,071 м < b_пр = 0,0803 м.

Общая ширина присоединенной обшивки

t = Δ + b_пр = 0,071 + 0,0803 = 0,1513 м.

Общая устойчивость лонжеронного отсека

Для каждого элемента лонжерона с обшивкой 1-4 (рис.2.3.1) определяем площадь F_i, момент инерции относительно собственной центральной оси J_хi, координату центра тяжести относительно внутренней поверхности обшивки y_i.

Элемент 1

Элемент 2

Элемент 3

Элемент 4

Площадь лонжерона

F_л = F₁ + F₂ + F₃ = 1 ∙ 10^-4 + 1,5 ∙ 10^-4 + 2,4 ∙ 10^-4 = 4,9 ∙ 10^-4 м².

Определяем координату центра тяжести совместного сечения лонжерона и присоединенной обшивки относительно внутренней поверхности обшивки

Момент инерции лонжерона и присоединенной обшивки относительно внутренней поверхности обшивки

Радиус инерции лонжерона с присоединенной обшивкой

Гибкость лонжерона с присоединенной обшивкой

Критическое напряжение общей устойчивости, считаем что с = 2

Коэффициент запаса общей устойчивости лонжеронного отсека

Местная устойчивость лонжерона

Критические напряжения потери устойчивости элемента 2 – нижней горизонтальной полки, при k = 0,46

Запас местной устойчивости элементов 2

Критические напряжения потери устойчивости наклонных полок – элементы 3, при k = 4,0

Запас местной устойчивости элементов 3