Основы проектирования РН Куренков

- по механическим воздействиям на РН во время вывода полезного груза (и приземления для возвращаемых блоков).

В табл. 5.2 представлены значения перегрузок, действующих на корпусные элементы конструкции в наземных расчетных случаях, а в табл. 5.3 - значения перегрузок, действующих на корпусные элементы конструкций КА в полетных расчетных случаях для РН типа «Союз».

Таблица 5.2. Перегрузки, действующие на корпусные элементы

конструкции в некоторых наземных расчетных случаях

Для обеспечения требований по прочности необходимо:

-провести анализ эксплуатации РН на всех этапах жизненного цикла и выбрать расчетные случаи;

-провести назначение коэффициентов безопасности;

-использовать адекватные методы расчета;

-использовать конечно-элементное моделирование.

В частности, при проектировании отдельных составных частей РН приняты следующие значения коэффициентов безопасности:

101

Таблица 5.3. Перегрузки, действующие на корпусные элементы

конструкций КА в полётных расчетных случаях для РН типа «Союз»

-для сухих отсеков – 1,3;

-для баков – 1,5;

-для шаров-баллонов – 2,0;

-для ответственных элементов – 2,0.

В обоснованных случаях могут устанавливаться меньшие значения коэффициентов безопасности, как это было сделано на РН «Энергия».

Кроме того, необходимо стремиться по возможности к равнопрочности конструкции. Равнопрочная конструкция при прочих равных условиях обладает минимальной массой.

Требования жесткости

Требования по жесткости обусловливаются необходимостью сохранения требуемых форм, предельных значений прогибов, углов поворота сечений отдельных элементов конструкции. Например, если приборный отсек РН расположен в носовой или хвостовой части корпуса РН, то гироскопические приборы могут быть чувствительны к низкочастотным поперечным колебаниям корпуса ракеты.

102

Другой пример. Ракета "Атлас" имеет малые толщины оболочек баков, что накладывает дополнительные требования при эксплуатации ракеты. В частности, транспортировка ракеты предусмотрена только при наличии определенного давления в баках, иначе они просто потеряют свою форму (устойчивость).

Для РН «Энергия» при всяких эволюциях на земле также требуется иметь определённое давление наддува внутри баков.

Требования наименьшей массы и наибольшей плотности компоновки

Одним из ключевых требований при проектировании РН и разработке конструкции является вопрос об обеспечении минимальных значений массы и максимальной плотности компоновки. Малая масса элементов при прочих равных условиях характеризует степень их конструктивного совершенства. Увеличение плотности компоновки, как правило, ведет к уменьшению массы любого агрегата, узла, блока.

На массу конструкции РН оказывают влияние используемые конструкционные материалы. Рекомендуется использовать материалы с малой плотностью при достаточной прочности, в том числе и композиционные материалы. При этом необходимо учитывать производственную базу этих материалов.

На массу конструкции РН оказывают влияние точность определения действующих нагрузок и назначение коэффициентов безопасности.

Требования по аэродинамике

Требования по аэродинамике в основном сводятся к следующим. Минимальное лобовое сопротивление.

Координаты центра давления по оси РН должны находиться в определённых границах для обеспечения стабилизации и управляемости на всех этапах полёта.

На внешних поверхностях корпуса РН должно быть как можно меньше выступающих устройств. А если без них обойтись нельзя, то их необходимо закрывать обтекателями.

Кроме того, вводятся ограничения:

-по скорости РН в плотных слоях атмосферы;

-по углам атаки в момент достижения ракетой скорости звука;

103

-по углам атаки в момент прохождения максимальных скоростных напоров.

Требования по герметичности

Требования по герметичности обусловлены наличием в ракетах герметичных топливных баков и шаров-баллонов высокого давления, предназначенных для наддува баков, а также наличием герметичных приборных отсеков в разгонных блоках, которые представляют собой нечто среднее между ракетными блоками и космическими аппаратами.

К этим требованиям относятся:

-требования по показателям герметичности (натеканию);

-по сварке герметичных неразъемных элементов;

-по конструктивному исполнению герметичных разъемов;

-по испытаниям на герметичность в процессе производства;

-по контролю герметичности в процессе эксплуатации РН.

Требования по минимальному потреблению энергии

Эти требования обусловлены тем обстоятельством, что уменьшение электрической мощности аппаратуры приводит к уменьшению массы как самих элементов, так и системы электропитания. Например, турбогенераторный источник электропитания блока второй ступени ракеты-носителя «Энергия» имел мощность 24 кВт и массу 330 кг.

Требования по обеспечению теплового режима

Допустимо использование теплозащиты, теплоизоляции и термостатирования на отдельных составных частях конструкции РН для обеспечения теплового режима при подготовке к пуску, а также при прохождении максимальных скоростных напоров.

На внешней стороне баков с жидким кислородом теплозащитного покрытия может и не быть, так как баки покрываются толстым слоем конденсата воздуха (инея, снега со льдом), который и играет роль теплозащитного покрытия. При запуске двигательной установки конденсат разрушается и осыпается. Однако если полезная нагрузка находится ниже бака жидкого кислорода, то она должна либо иметь теплозащитное покрытие, как это было сделано на «Буране», либо находиться в специальном контейнере, как это предполагалось сделать на ракете-носителе «Энергия» в дальнейших пусках.

104

Днища баков с жидким кислородом должны иметь теплозащиту, например, из нескольких слоёв стекловаты и стеклоткани.

Баки с жидким водородом должны обязательно иметь теплозащитное покрытие. При предстартовой подготовке теплозащита понижает скорость выкипания горючего, сохраняет по времени его плотность, повышает точность заправки, поддерживает заданную температуру для нормальной работы двигателей, сводит к минимуму сжижение воздуха на поверхности бака и образование льда. На участке выведения на орбиту теплозащита поддерживает температуру конструкции в расчетном диапазоне и уменьшает остаток жидкого водорода в баках.

Для уменьшения образования инея внутренние пространства хвостовых и межбаковых отсеков должны заполняться газообразным гелием под небольшим избыточным давлением.

5.2.7. Технико-экономические требования

В этом разделе ТТТ РН должны быть освещены вопросы:

-стоимость затрат на разработку с учетом затрат на наземный комплекс;

-стоимость изготовления опытного образца, предназначенного для лётно-конструкторских испытаний;

-затраты на обеспечение пуска;

-сетевой план-график разработки;

-состав кооперации всех исполнителей;

-предполагаемые объёмы изготовления РН и др.

Эти требования на ранних стадиях разработки устанавливаются на основе предварительного проектного технико-экономического анализа, основные результаты которого затем ложатся в основу бизнесплана. Более подробные сведения по этому вопросу приведены в [44].

Втабл. 5.4 представлены данные о стоимости пусковых услуг на 2005 год с учётом демпинга.

Впроцессе серийного производства должна отслеживаться динамика изменения стоимости изготовления РН.

105

Таблица 5.4. Данные о стоимости пусковых услуг

5.2.8. Другие требования

Требования по видам обеспечения

Вэтом разделе ТТТ рассматриваются следующие вопросы: - метрологическое обеспечение; - математическое (программное) обеспечение.

Требования к составным частям РН

Вэтом разделе рассматриваются следующие воросы:

-требования к системе управления;

-требования к системе разделения ступеней;

-требования к системе отделения разгонного блока, КА и др.

Требования к сырью, материалам и комплектующим

Основные требования этого раздела сводятся к использованию

отечественного сырья, материалов и комплектующих. Импортные составляющие допускаются лишь в обоснованных случаях, когда эффект от применения увеличивается многократно.

В табл. 5.5 и 5.6 в качестве примера представлены алюминиевые сплавы, рекомендуемые для конструкций РН, работающих при температурах кипения жидкого водорода.

106

Таблица 5.5. Алюминиевые сплавы для работы при минус 253°С

5.3. Пример разработки и оформления тактико-технических требований в учебных проектах

Для учебных курсовых проектов допускается составлять такти- ко-технические требования в упрощенной форме в виде одной таблицы. Форма такой таблицы приведена в табл. 5.7 для одного из проектов ракеты-носителя. Во второй графе таблицы должны быть приведены ссылки на нормативные документы отрасли или принятые решения комиссий различных уровней по каждому конкретному пункту ТТТ.

107

Таблица 5.6. Алюминиевые сплавы для работы при минус 253°С

При выполнении учебного курсового проекта допускается упрощенное обоснование, как это показано в таблице.

108

Таблица 5.7. Тактико-технические требования

110