2.4 Конструкция головных частей
Конструкции ГЧ должны удовлетворять следующим требованиям:
Достаточная прочность, т.е. способность выдержать большие знакопеременные нагрузки на активном и пассивном участке траектории.
3. Большая теплостойкость. При входе в плотные слои атмосферы на пассивном участке ГЧ интенсивно нагревается: температура воздуха в пограничном слое может достигать 7500-12000 К.
4. Простота формы и возможность размещения полезного груза заданных габаритов.
5. Устойчивость движения на атмосферной части пассивного участка траектории при минимальном запасе статической устойчивости. (При этом должно быть такое затухание колебательного движения, чтобы при любых начальных возмущениях угол атаки у цели был практически равен нулю).
Наименьший коэффициент силы любого сопротивления при условии обеспечения теплозащиты.
Наименьшая внешняя поверхность при максимальном объеме и заданной форме полезного груза
Высокая надежность достижения цели.
Наименьшая масса конструкции ГЧ.
Обеспечение необходимой температуры и давления в отсеке с полезным грузом.
Удобство стыковки ГЧ с корпусом ракеты.
Простота устройства и технологичность ГЧ.
4.1 Внешние формы и стабилизация головных частей
По форме головные части (рисунок 4) подразделяются на конические, конические со сферическим притуплением, конические со сферическим притуплением и расширяющимся коническим стабилизатором, цилиндроконические со сферическим притуплением и коническим стабилизатором.
От формы ГЧ зависит ее аэродинамическое сопротивление и нагрев.
Для ракет дальностью полета менее 2000 км аэродинамический нагрев играет второстепенную роль по сравнению с лобовым сопротивлением. Это объясняется сравнительно невысокими (по сравнению с ракетами большой дальности) скоростями полета. Меньшие скорости полета приводят к меньшему нагреву и нагрузкам головной части при входе в плотные слои атмосферы. В этом случае для ГЧ выбирается коническая форма. При этом ГЧ имеет острый носок, сравнительно большое удлинение и минимальное лобовое сопротивление.
При больших дальностях (>2000 км) растет скорость полета, и аэродинамический нагрев приобретает второстепенное значение. В этом случае количество тепла, передаваемое головной части, может быть уменьшено при притуплении ее по сфере, перед которой образуется отсоединенная ударная волна.
На образование ударной волны тратится основная часть кинетической энергии, и количество тепла, предаваемое корпусу ГЧ, уменьшается. Уменьшение аэродинамического нагрева ГЧ позволяет уменьшить толщину теплозащитного покрытия и тем самым существенно снизить вес головной части. Головная часть после отделения от ракеты движется по баллистической траектории в разреженных слоях атмосферы, почти не испытывая аэродинамического сопротивления. При этом она совершает сложное вращательное движение относительно центра масс, обусловленное возмущениями, возникающими при ее отделении.
а б в г
Рисунок 5 - Формы головных частей баллистических ракет:
а – коническая; б – коническая со сферическим притуплением и коническим стабилизатором; в - коническая со сферическим притуплением и расширяющимся коническим стабилизатором; г – цилиндроконическая со сферическим притуплением и коническим стабилизатором
Рисунок 6 - Формы космических головных частей (КГЧ) ракет США
При входе КГЧ в атмосферу быстро возрастают аэродинамические силы: лобовое сопротивление, подъемная и боковая силы. Под их воздействием вращательное движение КГЧ переходит в затухающее колебательное движение относительно направления скорости, сопровождающееся возникновением больших знакопеременных поперечных перегрузок. Колебание приводит к тому, что на внешнюю поверхность ГЧ действуют переменные тепловые потоки, приводящие к неравномерному уносу теплозащитного покрытия. Затухание колебаний обеспечивается аэродинамической стабилизацией ГЧ. Для этого необходимо сделать ГЧ статически устойчивой, т. е. центр масс разместить впереди центра давления.
Скорость затухания колебаний зависит от запаса статической устойчивости, который должен быть не менее 3% (на основании статических данных). Запас статической устойчивости обеспечивается передним расположением наиболее тяжелых узлов заряда и применением аэродинамических стабилизаторов типа «юбка» и др.
Если в конструкции ГЧ не предусматривается специальный гермоотсек для размещения полезного груза, то днище в этом случае одновременно служит и для герметизации внутреннего объема ГЧ. Днище представляет собой штампованный диск с отверстиями для крепления.
Внутри ГЧ размещается полезный груз, для чего предусмотрены узлы крепления, через которые передаются сосредоточенные усилия. Корпус ГЧ, стабилизатор, днище, полезный груз и аппаратура защищаются от воздействия высоких температур теплозащитным покрытием 8 и 16, нанесенным на наружную поверхность корпуса ГЧ, стабилизатора и днища.
Для теплозащитного покрытия используют уносимые и не уносимые материалы. Уносимые материалы делят на аблирующие – плавящиеся и сублимирующие – возгоняемые без промежуточной жидкой фазы.