Основы проектирования РН Куренков

11.2. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя с параллельным соединением ракетных блоков

11.2.1. Уточнение габаритов и мест сопряжения ракетных блоков

Уточнение проводится по следующей методике.

1.Если длина боковых ракетных блоков примерно равна длине центрального, как это показано на рис. 11.12, а (левый блок), то крепление выполняют по верхним силовым шпангоутам 7, 10 и нижним силовым кольцам 3, 11. При этом на боковых блоках устанавливают конические обтекатели 9.

2.Если длина боковых ракетных блоков несколько меньше длины центрального, как это показано на рис. 11.12, а (правый блок), то боковой блок оснащают силовым коническим обтекателем несимметричной формы 5, вершина которого с узлом крепления 6 находится на уровне верхнего силового шпангоута 7 центрального блока.

Рис. 11.12. Уточнение габаритов и мест сопряжения ракетных блоков

251

3.Если есть возможность изменять диаметр боковых блоков, то их длину можно «подогнать» под схемы рис. 11.12, а (слева или справа от центрального блока).

4.При невозможности варьирования диаметром боковых блоков

втопливном отсеке центрального блока устанавливают дополнительный силовой шпангоут 15 для сопряжения блоков, как это показано на рис. 11.12, б.

5.При относительно низких боковых блоках целесообразно сопрягать блоки в районе межбакового отсека центрального блока, вводя силовой шпангоут 14 в межбаковом отсеке, как это показано на рис. 11.12, б.

6.Если силовые кольца в хвостовых отсеках находятся не на одном уровне (из-за разных габаритов хвостовых отсеков и двигателей), как это показано на рис. 11.12, б, то крепление боковых блоков к центральному осуществляется с помощью ферменных конструкций 13 (типа тетраэдров). При этом необходимо наличие на боковых блоках двух силовых колец (1 и 12).

11.2.2. Схемы с унифицированными ракетными блоками

При выборе пакетной схемы с точки зрения экономики желательно, чтобы конструкция боковых блоков была одинакова (унифицирована). Ещё лучше, если удаётся сделать и центральный блок одинаковым по конструкции с боковыми блоками. В этом случае открываются пути к созданию так называемого семейства ракетносителей, первые и вторые ступени которых можно создать на базе одного унифицированного ракетного блока. Примеры семейств ра- кет-носителей приведены в разделе 17 настоящего учебного пособия.

11.2.3. Схема с неразъёмными соединениями ракетных блоков

При уточнении компоновочной схемы РН можно ракетный блок первой ступени РН составить из отдельных универсальных ракетных блоков (УРБ) с помощью неразъёмных соединений. При этом центральный блок также относится к одному из ракетных блоков первой ступени. Такая схема приведена на рис. 11.13.

252

УРБ

УРБ

УРБ А-А

Рис. 11.13. Схема с неразъемным соединением ракетных блоков

Недостатком этой схемы является то, что составной ракетный блок, выполненный по этой схеме, неэффективен по массе (три блока тяжелее одного с тем же количеством топлива), однако такая схема имеет преимущества, если в дальнейшем предполагается на базе отдельных УРБ создавать семейство ракет-носителей. Кроме того, стоимость составного ракетного блока, состоящего из трех отдельных, возможно, окажется ниже стоимости одного ракетного блока с большими массами и габаритами. К преимуществам этой схемы также следует отнести относительно малые габариты каждого отдельного блока, что очень важно для выбора средств транспортировки ракетных блоков.

11.2.4. Схема с отдельными блоками горючего и окислителя

На рис. 11.14 представлены варианты компоновки баков нижних ступеней РН с отдельными баками окислителя и горючего.

253

Рис. 11.14. Компоновочные схемы топливных отсеков нижних ступеней с отдельными баками окислителя и горючего

На схеме а) представлен вариант компоновки, в котором баки 1 и 2 различных компонентов топлива по диаметру и длине не одинаковы. Такая схема реализована на ракетном блоке первой ступени РН «Протон».

На схеме б) представлен вариант компоновки, в котором диаметры баков 1 и 2 одинаковы, а длины баков зависят от компонентов топлива. Для кислородно-керосиновых ракетных блоков при одинаковых диаметрах длины баков отличаются примерно на 5%. Это нетрудно посчитать, если учесть, что плотность жидкого кислорода 1140 кг/м3, плотность керосина 800 кг/м3, а отношение массы окислителя к массе горючего составляет 2,7.

В схеме с отдельными баками отсутствуют днища, которые должны разделять компоненты топлива. Поэтому такая схема эффективна в весовом отношении.

254

11.3. Уточнение сбрасываемых элементов ракеты-носителя

В компоновочной схеме РН необходимо определить плоскости или узлы разделения ракетных блоков (РБ). Крепление и разделение РБ осуществляется, как правило, с помощью пирозамков-толкателей.

Если РН имеет схему с последовательным соединением ракетных блоков, то отделение отработавших РБ осуществляется, как правило, совместно с переходными отсеками примыкающих верхних ступеней РН, как это схематично показано на рис. 11.15.

Плоскости стыка

Рис. 11.15. Схема разделения РБ с переходной фермой

Оставшиеся хвостовые отсеки уже не включены в силовую схему работы ступени и, по сути, являются балластом. Поэтому они также должны быть сброшены.

На рис. 11.16 представлена схема сброса хвостового отсека, которая получила название «сброс чулком». Для реализации данной схемы необходимо предусмотреть направляющие элементы для предотвращения удара корпуса хвостового отсека о двигатель и заклинивания хвостового отсека из-за перекоса элементов.

Плоскость разъёма

Направляющие

Хвостовой отсек в процессе отделения

Рис. 11.16. Схема сброса хвостового отсека «чулком»

255

На рис. 11.17 представлена схема сброса хвостового отсека, состоящего из трёх панелей. Разлёт панелей осуществляется с помощью специальных толкателей после срабатывания пирозамков-толкателей поперечного стыка и механических замков продольного стыка. На этой схеме введены следующие обозначения: 1 – толкатели; 2, 3 и 4 – отделяемые панели хвостового отсека.

Рис. 11.17. Схема сброса хвостового отсека частями

На схеме а) показан хвостовой отсек до сброса. На схеме б) показана схема сброса панелей хвостового отсека (третья панель условно не показана). На схеме в) показаны толкатели панелей в попереч-

256

ном сечении хвостового отсека до его сброса. На схеме г) показана схема сброса панелей в поперечном сечении хвостового отсека.

В случае использования сбрасываемых хвостовых отсеков при расчёте конструктивных характеристик следует внести коррективы. Например, если отделяется хвостовой отсек второй ступени, то его массу следует вычесть из ракетного блока второй ступени и отнести её к РБ первой ступени (обозначения см. в разделе 4):

Эти формулы отражают расчётный случай, когда сброс головного обтекателя производится в конце работы второй ступени РН.

Если РН имеет схему с параллельным соединением ракетных блоков, то отделение отработавших боковых блоков может осуществляться по различным схемам.

На рис. 11.18 представлена схема отделения боковых блоков, реализованная на РН типа «Союз».

Рис. 1.18. Схема отделения боковых блоков РН типа «Союз» [36]

257

На рисунке введены следующие обозначения: 1 – боковой блок; 2- центральный блок; 3 – тяга; 4 - шариковый пирозамок; 5 – кронштейн; 6 – опорный зуб; 7 - кронштейн сопряжения боковых блоков с центральным; 8 – пружина; 9 - шток; 10 – опорный оголовник (наконечник) бокового блока; 12 – крышка бака; А, Б, В и Г – положение бокового блока в процессе отделения.

При подаче команды на выключение двигателей боковых блоков одновременно подаётся команда на пирозамок 4 и тяги 3 освобождаются. Под действием импульса последействия двигателей и за счёт возникновения момента относительно верхних узлов крепления боковые блоки начинают поворачиваться (опорный зуб 5 выходит из кронштейна 6) и отставать от центрального. При выходе оголовников 11 боковых блоков из опорных узлов 7 центрального блока шток 9 выдвигается под действием пружины 8, срабатывают концевые выключатели 10 и выдаются команды на открытие крышек 12 верхних днищ боковых блоков. Газ наддува баков окислителя вырывается по специально профилированным направляющим в сторону центрально-

го блока и за счёт реактивной тяги RГ отбрасывает верхние части бо-

ковых блоков от центрального.

На рис. 11.19 представлена схема отделения боковых блоков с помощью реактивных двигателей твёрдого топлива. После окончания работы двигателей боковых блоков подаётся команда на пирозамки нижних и верхних узлов крепления ББ к центральному блоку. Одновременно подаётся команда на включение РДТТ разделения (позиции 1 и 2), которые отводят боковые блоки от центрального блока.

На рис. 11.20 представлена схема отделения боковых блоков с помощью аэродинамических сил. Конусные части обтекателей ББ выполнены несимметричными. После подачи команды на выключение двигателей боковых блоков подаётся команда на разделение пирозамков верхних узлов крепления блоков. Аэродинамические силы, действующие на несимметричные конусные части обтекателей боковых блоков, разворачивают их относительно нижних силовых узлов. При определённых углах разворота срабатывают замки крепления и отделения нижних силовых узлов и пружинные толкатели, благодаря которым боковые блоки отталкиваются от центрального блока.

258

1

Рис. 11.19. Схема отделения ББ с помощью РДТТ

259

Существуют схемы отделения боковых блоков на основе рычажных механизмов. Такие схемы представлены, например, в [18].

При уточнении компоновочной схемы следует также задать схему сброса головного обтекателя.

На рис. 11.21 представлена схема сброса головного обтекателя ракеты космического назначения типа «Союз» с пилотируемым космическим кораблём [20].

Рис. 11.21. Схема сброса головного обтекателя РКН «Союз» [20]

На рисунке введены следующие обозначения: а – космическая головная часть; б – схема увода РДТТ системы аварийного спасения разделительным РДТТ при штатном полете; в - разворот створок головного обтекателя; 1 – двигательная установка САС; 2 - РДТТ разворота створок обтекателя; 3 – космический корабль "Союз"; 4 - плавающие опоры спускаемого аппарата (фиксируются в аварийной си-

260