6. Системы разделения ступеней ракет, схема “холодного” разделения.

Разделение ступеней и отделения ГЧ является сложной задачей, обеспечивающей надежность вывода полезной нагрузки в космос. Это объясняется тем, что при разделении (отделении) на разделяемые части ракеты действуют не только силы, которые можно довольно точно определить (сила тяжести, тяга двигателей разделяемых ступеней), но и параметры, имеющие вероятностный характер. К этим параметрам относятся импульсы последействия, характеристики набора тяги двигателя при запуске и аэродинамические силы, действующие на разделяемые части РН.

К системам разделения ступеней и отделения головной части предъявляются следующие требования: обеспечение надежного и безопасного разделения без соударения с последующей ступенью или ГЧ отработавшей ступени; минимальное возмущение параметров движения последующей ступени и особенно ГЧ; быстрота процесса отделения для сокращения потерь скорости; простота последовательности выполняемых операций при разделении; минимально возможное увеличение массы конструкции за счет введения элементов систем разделения (отделения).

Любая система разделения (отделения) включает устройства силовой связи разделяющихся частей и собственно устройства разделения (отделения).

Устройства силовой связи (крепления) обеспечивают механическую связь отделяемых элементов конструкции до подачи команды на отделение и обеспечивают разрыв этих связей в момент подачи этой команды. Элементы силовой связи могут быть выполнены в виде пироболтов, пиро- или пневмозамков и элементов оболочечных конструкций с пиротехническими устройствами кумулятивного действия. Простейшим устройством силовой связи является пироболт. При подаче напряжения на детонатор болта происходит подрыв заряда взрывчатого вещества и корпус болта разрушается по ослабленному сечению, разрывая связь между разделяющимися частями ракеты.

Устройства разделения (отделения) сообщают относительное перемещение отделяемым частям конструкции (для обеспечения отведения их на безопасное расстояние с точки зрения возможности соударений с конструкцией, продолжающей полет по заданной траектории).

В зависимости от требуемых характеристик разделения, места установки и направления действия сил, возникающих при отделении ГЧ и других отделяемых частей, используются следующие системы отделения: расталкивающие; тормозящие; комбинированные.

Расталкивающие системы отделения создают силы, действующие на все разделяемые системой элементы в противоположных направлениях. Они сообщают некоторый импульс каждому из разделяемых элементов и придают этим элементам некоторую добавочную скорость. Использование расталкивающих систем отделения целесообразно для сброса элементов конструкции ракеты, значительно меньших по массе, чем масса ракеты. При этом к параметрам движения отбрасываемых элементов высоких требований по точности не предъявляется. В качестве расталкивающего устройства отделения применяются пневмо- или пиротолкатели, источником энергии которых является аккумулированный в баллонах газ или газ, полученный от сжигания порохового заряда, и также пружинные толкатели.

Тормозящие системы отделения сообщают импульс только тем элементам конструкции, которые уже не участвуют в полете по заданной траектории. Эти системы не вносят возмущения в движение частей конструкции, продолжающих полет по заданной траектории. Торможение отделяемых частей конструкции производится: тормозными ракетными двигателями; аэродинамическими силами, образуемыми за счет увеличения лобового сопротивления отделяемой части ракеты. Тормозные ракетные двигатели могут быть твердотопливными, жидкостными или газовыми.

Комбинированные системы отделения применяются в тех случаях, когда необходимо отделяемым частям конструкции придать движение по некоторой траектории. При этом могут использоваться элементы отделения расталкивающего и тормозящего типа, обеспечивающие комбинированное воздействие как по времени, так и по направлению.

Для разделения ступеней используются две основные схемы разделения: “холодная” и “горячая”. Часто используется комбинированная схема, использующая элементы этих двух основных схем. При «холодном» разделении недопустимо воздействие газов запускаемого маршевого двигателя последующей ступени на конструкцию предыдущей ступени. При «горячем» разделении такое воздействие допустимо, однако для этого на элементах конструкции предыдущей ступени устанавливаются дополнительные теплозащитные экраны.

“Холодное” разделение происходит по следующей схеме - основной двигатель последующей ступени запускается после того, как расстояние между разделяющимися частями ракеты будет так велико, что газы реактивной струи запускаемого двигателя последующей ступени не смогут разрушить конструкцию отделяемой предыдущей ступени. «Холодное» разделение чаще применяется на ракетах, имеющих на последующих ступенях специальные управляющие двигатели (третья ступень РН «Протон», вторая ступень РН «Рокот»). Управляющие двигатели последующей ступени могут быть включены до выключения двигателей предыдущей ступени, что обеспечивает непрерывное управление ракетой в процессе разделения.

“Горячее” или огневое разделение происходит путем запуска основного двигателя последующей ступени еще до разрыва или в момент разрыва механической связи между разделяющимися ступенями. При этом разделение происходит частично за счет того, что предыдущая ступень тормозится вследствие газодинамического воздействия газов, истекающих из сопла двигателя последующей ступени. Для зашиты верхнего днища предыдущей ступени на нем устанавливается теплозащитный экран, одновременно поворачивающий газовый поток перпендикулярно к направлению полета. После прекращения работы ДУ предыдущей ступени и выхода двигателя последующей ступени на режим ракета продолжает полет, а отделенная ступень выходит на траекторию падения на Землю. Разделение происходит за короткое время, поэтому при огневом разделении потери скорости, связанные с разделением, малы. Платой за использование этой простой схемы разделения является некоторое увеличение массы конструкции ракеты, связанное с установкой стержневого отсека и газового отражателя.