1.3.3 Устройства создания управляющих усилий

В ракетах и ракетных двигателях на твердом топливе наибольшее распространение получили следующие устройства и способы создания управляющих усилий.

1. Поворотные сопловые системы, к ним относятся: одно или четыре поворотных сопла (между камерой и соплом – разъем с уплотнением , см.рис.1.1), блок верньерных (управляющих) двигателей.

2. Сопловые насадки, а именно: поворотная выходная секция сопла, кольцевой сферический руль – дефлектор (рис.110) и выдвижной управляющий щиток.

3. Струйные органы изменения направления тяги: впрыск жидкости или вдув газа в закритическую часть сопла (рис. 1.11).

4. Газовые рули (четыре или три).

5. Неподвижные рулевые сопла (например, для управления по крену).

Основная задача этих устройств – создание управляющих корректирующих моментов по трем осям ракеты: тангажу, рысканию и крену. Нагрузка на органы управления неравномерна по траектории полета частности, высокие требования к органам управления предъявляются на атмосферном участке полета, на участках разделения ступеней.

Создание боковых сил P сопровождаются изменениями осевой тяги и затратами энергии на работу рулевого привода, управляющего положением устройств.

Рис. 1.10 Схема обтекания дефлектора:

1 – точка отрыва потока; 2 – косой скачок; 3 – скачок уплотнения; 4 – граница потенциального течения.

Боковая управляющая сила, осевая тяга и нагрузка на привод изменяются в зависимости от положения сопла и насадка, от расхода вещества во вторичной струе.

Сравнение эффективности различных устройств можно провести по результатам баллистического анализа ракеты. В табл. 1.20 приведены соответствующие данные по ряду устройств для мощной транспортно-космической ракеты при одинаковом уровне потребных управляющих сил.

Характеристики газового руля (c, с, шарнирный момент) и других устройств уточняются агрегатными и огневыми стендовыми испытаниями с учетом конкретной компоновки и взаимодействия материалов с продуктами сгорания твердого топлива.

Боковая сила, возникающая при вдуве (впрыске) газа(жидкости) в закритическую часть сопла, складывается из реактивной силы этой струи и равнодействующей силы давления на стенку сопла в области взаимодействия струи с основным потоком в сопле.

Источником газа для вдува может быть автономный ГГ или ГГ, сообщающийся с предсопловым объемом РДТТ (рис. 1.12). В этих случаях топливо ГГ выбирается так, чтобы не подвергать клапаны системы вдува чрезмерным тепловым нагрузкам и почти исключить конденсированную фазу в продуктах сгорания (налипание которой приводит к увеличению шарнирного момента при перемещении клапана). Газ для питания системы вдува может так же отбираться из предсоплового объема РДТТ.

Рис. 1.11 Схема взаимодействия основного потока и вдуваемой в сопло струи газа (а) и профили возмущений давления (б):

1 – передняя граница отрывной области; 2 – линия растекания; 3 – отверстие вдува; 4 – линия отрыва потока из-за повышения давления при присоединении вдуваемой струи к стенке.

Таблица 1.20

Устройства создания управляющих усилий

Устройство и способ создания управляющего усилия	Боковая управляющая сила	Потери тяги	Потери массы полезной нагрузки, %
Газовый руль Поворотное сопло Выдвижные щитки Вдув газа (из камеры)	c P sinP K K; K>1	- c - -K	2,4 0,0 1,4 0,5

________________

* Коэффициенты подъемной (управляющей) силы c и сопротивления сгазового руля зависят от угла атаки, профиля (с учетом затупления передней кромки), размаха и параметров потока продуктов сгорания (F-площадь газового руля).

** Управление по крену с помощью дополнительных устройств.

*** Всего восемь щитков; для управления по крену рабочая поверхность скошена на 1…2.

Рис. 1.12 Схема РДТТ с системой вдува газа в сопло (а) и схема системы впрыска жидкости в сопло (б):

1 – отверстие в перегородке между предсопловым объемом и камерой; 2 – заряд низкотемпературного топлива; 3 – регулятор расхода газа; 4 – пороховой аккумулятор давления; 5 – регулятор давления; 6 – бак с фреоном; 7 – коллектор подачи фреона для впрыска.

В качестве жидкостей для впрыска в закритическую часть сопла нашли применение фреон-12 (третья ступень ракеты «Минитмен» см. рис. 1.12, б) и четырехокись азота, впрыск которой осуществляется в два РДТТ, работающие одновременно с ЖРД в составе первой ступени ракеты «Титан-3С». Всего имеется по шесть форсунок в каждом квадранте, расположены они в сопле(d=0,96м, d=2,71м) в сечении d=1,8м; в полете непрерывно определяется NO, который сливается через все 24 форсунки, не создавая боковой силы и незначительно увеличивая осевую тягу; удельный импульс впрыскиваемой NO100м/с; К=0,95.

Поворотное сопло (см. рис. 1.1) обеспечивает отклонение струи в результате поворота на угол до 10, присоединяется к корпусу с помощью гидравлического или гибкого уплотнения. При этом необходимо обеспечить приемлемый шарнирный момент. В общем виде шарнирный момент определяется зависимостью

М_ш =М_ПОЗ (5) + М(8) ±М_т (в) + Л/тр,

где Мпоз(б) - позиционный шарнирный момент, пропорциональный углу поворота органа управления 5; он связан с несовпадением центра давления газодинамических сил с осью вращения (определяется силами упругого сопротивления гибких связей, например, уплотнения поворот­ной части сопла относительно неподвижной); М() — группа моментов,зависящих от угловой скорости движения органа управления, в которую входят моменты внешнего демпфирования (сопротивления внешней сре­ды повороту); М() - инерционный момент, возникающий из-за на­личия углового ускорения при движении органа управления;М—сум­марный момент трения, образующийся в шарнирных узлах и сочле­нениях.

Поворотные сопла (а также поворотные секции) требуют мощных приводов. Одним из существенных преимуществ таких устройств управ­ления является высокий коэффициент качества:

К===tg(90-),

где — угол поворота сопла. Для небольших диапазонов измененияa (6...8°) зависимость управляющей силы от угла поворота сопла практи­чески получается линейной.

В сопле с поворотной секцией соединение частей осуществляется в зоне меньших давлений и температур, чем у поворотного сопла. Уплотне­ние соединений осуществляется с помощью эластичной диафрагмы.

Кольцевые рули практически не создают шарнирного момента, так как силы проходят через ось вращения. Для повышения устойчивости ха­рактеристик кольцевого руля на конце его выполняется цилиндрический поясок шириной h (0,02...0,04)D_a.

Введение пояска приближает зависимость управляющей силы от угла поворота к линейной. В нейтральном положении потерь тяги нет. В коль­цевом руле боковая сила создается вследствие повышения давления на внутренней, вдвинутой в поток поверхности кольцевого руля и примы­кающей части раструба (см. рис. 1.10).

Основными составляющими шарнирного момента для кольцевого руля являются газодинамический позиционный момент М_пог(8) и момент трения Mjp.

Газодинамический позиционный момент М_поз()= c₃q_aD, где с₃ — опытный коэффициент, зависящий от угла поворота руля и ширины пояска.

Момент трения М=fP_pr, где f - коэффициент трения в опоре; P — реакция в опоре; r - радиус опоры.

Шарнирный момент газового руля

М=МFb,

где b - средняя аэродинамическая хорда газового руля; М =с;

h - расстояние от центра давления до оси вращения.