Основы проектирования РН Куренков

Рис. 15.19. Окна для измерения геометрических характеристик моделей и задания плотности конструкционных материалов

Для определения массы основных элементов, координат центра масс и моментов инерции необходимо в процессе построения моделей задавать плотности материалов соответствующих элементов конструкции. На рис. 15.19, б представлено окно для задания плотности конструкционных материалов.

Для определения массы приборов можно вводить значения средней плотности блоков бортовых систем. Данные по массам, центровочным и инерционным характеристикам будут автоматически получены самой системой твердотельного моделирования. Проектанту остается лишь вызывать соответствующие справочные окна, где имеются результаты расчета масс. Для этого достаточно лишь кликнуть мышкой на кнопку "массовые характеристики". Появляется окно, показанное на рис. 15.20.

341

Рис. 15.20. Окно для измерения массоцентровочных и инерционных характеристик РН

Следует отметить, что корректными массы будут лишь в том случае, если корректно назначались геометрические сечения отсеков и элементов подкрепления. Геометрические же сечения можно подобрать после предварительного расчета масс конструкции.

Поэтому определение массы основных элементов, координат центра масс и моментов инерции ракеты с помощью системы твердотельного моделирования рекомендуется проводить лишь тогда, когда уточнены геометрические параметры моделей и характеристики выбранных материалов.

342

В заключение данного раздела отметим, что процесс автоматизированного проектирования должен быть построен таким образом, чтобы результаты одного этапа проектирования можно было использовать с минимальной дополнительной обработкой на следующем этапе. В частности, геометрическая модель, построенная в CADсистеме (например SolidWorks), должна являться моделью с исходными данными для конечно-элементного анализа силовой работы конструкции (например, в системе MSC.Nastran). Желающих более подробно изучить вопросы конечно-элементного моделирования конструкций РН отсылаем к учебному пособию [63].

Контрольные вопросы

1.Что такое CALS -технологии?

2.Что такое PDM-системы?

3.Назовите основные большие интегрированные системы информационной поддержки жизненного цикла изделий.

4.Особенности разработки твердотельных моделей ракеты.

5.С какой целью рекомендуется составлять план построения сложных элементов конструкций и их сборок?

6.Приведите методику разработки моделей топливных баков.

7.Приведите методику разработки моделей сухих отсеков.

8. В чем состоят особенности разработки моделей ферменных конструкций?

9. Приведите методику разработки моделей двигательных отсеков. 10. В чем состоят особенности разработки твердотельных моде-

лей космической головной части?

11. Расскажите о последовательности и особенностях разработки твердотельных моделей ракеты-носителя в целом.

12. Расскажите об особенностях расчета координат центра масс и моментов инерции в системе твердотельного моделирования

SolidWorks.

343

16. КОСМИЧЕСКИЕ РАЗГОННЫЕ БЛОКИ

Расширение номенклатуры решаемых задач существующими ра- кетами-носителями при запуске космических грузов различного назначения привело к созданию нового типа ракетных блоков верхних ступеней РН - космических разгонных и апогейных блоков. В технической литературе иногда их называют разгонными блоками или блоками выведения.

16.1. Компоновочные схемы разгонных блоков

Основные отличия космических разгонных блоков от обычных ракетных блоков состоят в том, что КРБ должны обеспечивать возможность осуществления сложных пространственных маневров в космосе, двигатели разгонных блоков должны запускаться многократно, после завершения работы КРБ должны осуществлять маневры для схода с орбиты и захоронения. Поскольку КРБ должны находиться в открытом космосе относительно длительное время, то они должны содержать в себе бортовые обеспечивающие системы, характерные для космических аппаратов, а именно: систему электропитания, терморегулирования, ориентации и стабилизации и др. По сути, космические разгонные блоки представляют собой нечто среднее между обычными ракетными блоками и космическими аппаратами.

Выбор компоновочной схемы ракет-носителей с КРБ зависит от компоновочной схемы самого разгонного блока, от габаритов верхних ступеней ракеты-носителя, габаритов обтекателя, габаритов и массы полезных нагрузок. Варианты компоновочных схем разгонных блоков и их включения в состав ракеты-носителя проследим на примерах [34, 39,41 и др.].

Разгонный блок «Л»

Это самый первый разгонный блок, который использовался для отправки полезной нагрузки в район Луны в составе ракеты-носителя

344

«Молния». Компоновочная схема разгонного блока «Л» приведена на рис. 16.1.

1- ферма КА;

2 – плоскость разделения КА с разгонным блоком; 3 – плоскость стыка переходника; 4 – бак окислителя;

5 – бак горючего;

6 – плоскость отделения разгонного блока от фермы; 7 – ферма; 8 – плоскость стыка с РН;

9 – твердотопливный ракетный двигатель; 10 – двигатель 11Д33

Рис. 16.1. Компоновочная схема разгонного блока «Л»

Космический разгонный блок (блок выведения) «Икар»

Этот блок использовался для РН «Союз». Конструктивная схема РБ «Икар» представлена на рис. 16.2, а характеристики даны в табл. 16.1. На рисунке введены следующие обозначения: 1 – плата электрического интерфейса; 2- рама с приборами обеспечивающих систем; 3 — приборный отсек; 4 – приборы системы телеметрического контроля; 5 - агрегатный отсек; 6 — химический источник тока; 7, 10

– антенна командной радиолинии; 8 - комплексная двигательная установка (КДУ); 9 - микроЖРД КДУ; 11 – антенна системы телеметрического контроля; 12 – инфракрасный построитель местной вертикали; 13 - переходное устройство для установки полезного груза; 14 – зона полезного груза.

345

Рис. 16.2. Космический разгонный блок (блок выведения) «Икар»

Таблица 16.1. Характеристики разгонного блока «Икар»

346

Конструктивная характеристика разгонного блока «Икар» составляет всего 1,39. Однако при его создании ставилась задача: разработать разгонный блок в кратчайшие сроки и с минимальной стоимостью. Для этого большая часть составных частей была заимствована из приборно-агрегатного отсека одного из космических аппаратов.

Блок выведения (космический разгонный блок) «Волга»

Этот блок предназначен для расширения номенклатуры решаемых задач по выведению полезных нагрузок РН типа «Союз». Общий вид блока показан на рис. 16.3, а характеристики представлены в табл. 16.2.

Рис. 16.3. Общий вид блока выведения «Волга»

Таблица 16.2. Основные характеристики блока

выведения «Волга»

347

На блоке выведения используется объединенная двигательная установка (ОДУ) КА, заимствованная из ранее разработанного КА ДЗЗ. Она работает на четырехокиси азота и несимметричном диметилгидразине, содержит 16 управляющих (рулевых) двигателей. По окончании процесса вывода полезной нагрузки блок выведения уводится с рабочей орбиты и затапливается в Тихом океане.

Применение «Волги» явно предпочтительнее в ряде миссий запуска ПН на орбиты сравнительно небольшой высоты (500-1500 км), где энергетика «Фрегата» (см. далее) во многих случаях избыточна.

Космический разгонный блок «Фрегат»

Этот блок предназначается для использования с ракетаминосителями «Союз», «Зенит» и устанавливается под головной обтекатель совместно с полезной нагрузкой. Конструктивная схема КРБ «Фрегат» схема представлена на рис. 16.4 [39], а основные характеристики даны в табл. 16.3.

Рис. 16.4. Космический разгонный блок «Фрегат» [39]

348

Таблица 16.3. Основные характеристики РБ «Фрегат»

На рисунке введены следующие обозначения: 1- топливные баки; 2 – приборные контейнеры; 3 – двигатель С5-92; 4 – двигатели системы ориентации и обеспечения запуска (СОЗ); 5 - топливные баки СОЗ; 6 –баллоны с гелием; 7 – химическая батарея.

При создании разгонного блока «Фрегат» основное внимание уделялось наибольшей эффективности в весовом отношении. Отношение массы заправленного разгонного блока «Фрегат» к массе его конструкции (конструктивная характеристика) составляет 5,94.

Конструктивную основу РБ «Фрегат» [39, 41] составляют блоки, выполненные в виде шести пересекающихся сферических оболочек одинакового диаметра, сваренных между собой в местах их сопряжения. Через блоки проходят восемь силовых штанг для передачи усилий от переходного отсека РН к полезной нагрузке. Четыре блока предназначены для размещения компонентов топлива (два для окислителя и два для горючего). Другие два блока предназначены для размещения приборов. Они выполнены герметичными и имеют систему обеспечения теплового режима.

349

Одна из возможных компоновочных схем полезной нагрузки с разгонным блоком «Фрегат» под головным обтекателем приведена на рис. 16.5, где 1 - головной обтекатель; 2 - верхний бак РН; 3 - переходник; 4 - полезная нагрузка - малогабаритные спутники; 5 - разгонный блок; 6 - ферма для установки полезной нагрузки.

Рис. 16.5. Компоновка полезной нагрузки с разгонным блоком «Фрегат»

Имеется проект РБ «Фрегат – СБ» с дополнительным блоком топливных баков в форме тора, расположенного в нижней части разгонного блока [100].

Космические разгонные блоки «Д» и «ДМ»

Кислородно-керосиновый блок «Д» был создан в рамках лунной программы и был составной частью ракетного комплекса «Н-1-Л3». В настоящее время модернизированный блок «ДМ» используется в составе РН «Протон» и «Зенит 3SL» (Морской старт). Масса заправленного блока составляет 17,8 т, масса топлива – 14,78 т, сила тяги двигателя составляет около 80 kH. Блок «ДМ» размещается между ракетным блоком предыдущей ступени РН и полезной нагрузкой, которая закрывается головным обтекателем.

350