книги из ГПНТБ / Морозов Н.И. Баллистические ракеты стратегического назначения

зует качество двигателя и энергетические характери­ стики топлива. Для современных химических топлив и двигателей максимальное значение Руд может достигать 400 сек. Следовательно, возможности повышения удель­ ной тяги для химических топлив исчерпаны.

Рассмотрим коэффициент ртИз формулы (2.6) сле­ дует, что чем большее значение имеет коэффициент цт,

ных остальных величинах будет повышаться с умень­ шением массы конструкции тк ракеты.

Таким образом, при разработке ракет добиваются увеличения коэффициента цт путем применения наибо­ лее легких и одновременно прочных материалов, сниже­ ния веса бортовых приборов, системы управления, ис­ пользования прогрессивной технологии и т. д.

В зарубежной печати сообщалось, что в настоящее время коэффициенты цт для одноступенчатых ракет мо­ гут достигать значений 0,7—0,9.

Итак, при проектировании конкретного образца од­ ноступенчатой ракеты учитывают определенные ограни­ чения в повышении удельной тяги и коэффициента рт. Следовательно, возможности по дальности одноступен­ чатых ракет ограничены. Повышать их дальность можно путем увеличения стартовой массы, так как масса топ­ лива т т при этом растет быстрее, чем масса конструк­ ции тк. Однако ракеты большой стартовой массы более сложны в эксплуатации: затрудняется их транспортиров­ ка, возрастают габариты пусковых устройств.

20

Зарубежные специалисты считают, что одноступен­

Оказалось, что в этом случае масса топлива расходует­ ся более эффективно.

Рассмотрим принцип действия одноступенчатой и двухступенчатой ракет, масса которых одинакова. Раке­ ты снабжены головными частями одинаковой массы. Масса топлива двухступенчатой ракеты слагается из масс топлива ступеней mT= m Tl + m T2. Допустим, что

масса топлива т ' одноступенчатой ракеты равна массе топлива т х двухступенчатой ракеты, тогда равны и мас­

на сообщение скорости всей массе ракеты. В двухсту­ пенчатой ракете топливо mTl также используется на сообщение скорости всей массе ракеты, но после отде­ ления первой ступени масса конструкции значительно уменьшается и топливо mTl расходуется на сообщение скорости значительно меньшей массе. Естественно, что приращение скорости на втором активном участке у составной ракеты значительно больше, чем у односту­ пенчатой ракеты.

Этот вывод следует и из формулы К. Э. Циолковско­

где VB1 — скорость, сообщаемая ракете первой сту­ пенью;

у к2 — скорость, сообщаемая ракете второй сту­ пенью;

21

мость (2.7) будет иметь вид

Ук Руда§0

(1 — М-г, ) (! ~ М-Д

Здесь каждая из величин (1—pTl ) и (1—рТ2 ) мень­ ше единицы. Произведение этих величин меньше вели­ чины ( 1—рт) для одноступенчатой ракеты, поэтому зна­ чение VK для двухступенчатой ракеты больше скорости Укдля одноступенчатой ракеты.

На первый взгляд, может показаться, что скорость ракеты в конце активного участка можно повышать, уве­ личивая число ступеней. Однако увеличение числа сту­ пеней может привести к росту массы конструкции ра­ кеты за счет механизмов отделения ступеней и к сни­ жению надежности в результате увеличения количества двигателей и элементов связи между ступенями. Поэто­ му для определенных диапазонов дальностей использу­ ются одно-, двух-, трех- и четырехступенчатые ракеты.

Итак, дальность БРСН зависит в основном от скоро­ сти ракеты в конце активного участка траектории. Для увеличения скорости необходимо применять составные ракеты и уменьшать массу конструкции. Требование уменьшения массы конструкции ракеты заставляет изго­ тавливать узлы и детали ракет максимально легкими.

2.3. Устройство корпусов БРСН с ЖРД и РДТТ

Несмотря на разнообразие конструкций БРСН уст­ ройство их имеет много общего. В частности, независимо от числа ступеней и типа используемого топлива любая ракета состоит из корпуса, двигателя, ряда систем, ап­ паратуры системы управления и исполнительных органов управления.

Корпус ракеты представляет собой тело вращения, состоящее из цилиндрических и конических поверхно­ стей. Конструктивно он состоит из отдельных отсеков (хвостовой, приборный и т. д.), которые в процессе из­ готовления ракеты собираются в единое целое. Корпус, например, трехступенчатой ракеты с Ж РД состоит из корпусов трех ступеней (рис. 2.2, а) и головной части.

Хвостовые отсеки предназначены для размещения двигателей (поэтому иногда они называются двигатель-

22

ными) и защиты их от непосредственного воздействия аэродинамических сил, а также для крепления исполни­ тельных органов системы управления и стабилизаторов. Иногда хвостовые отсеки используются также для пере­ дачи силы тяги двигателя на корпус ракеты, для уста­ новки ракеты на пусковой стол и соединения ступеней ракеты. Внутри хвостовых отсеков часто размещают некоторые приборы системы управления.

Вид А

Рис. 2.4. Хвостовой отсек:

Конструкции хвостовых отсеков могут быть различ­ ными. Разнообразие объясняется способом крепления двигателя и исполнительных органов управления, разме­ рами двигателя, наличием дополнительных устройств на отсеке и способом установки ракеты на пусковое уст­ ройство. По внешней форме хвостовые отсеки бывают цилиндрическими и в виде усеченного конуса. Последние применяются в том случае, когда диаметр двигателя пре­ вышает диаметр корпуса ракеты. Любая конструкция хвостового отсека представляет собой тонкостенную обо­ лочку, состоящую из каркаса и прикрепленной к нему обшивки. Каркас состоит из продольного и поперечного наборов.

На рис. 2.4 представлена одна из возможных кон­ струкций хвостового отсека. Отсек состоит из обшивки, продольных силовых элементов — стрингеров, попереч­

23

ных силовых элементов — шпангоутов, четырех опор, днища и крышек люков.

Обшивка представляет собой тонкий листовой мате­ риал, который с помощью заклепок крепится к каркасу. Каркас изготовлен из большого числа стрингеров и семи шпангоутов. При помощи верхнего стыковочного шпан­ гоута отсек подсоединяется к топливному баку. Для фик­ сации отсека относительно бака на стыковочном шпангоу­ те находятся направляющие штыри. К нижнему шпангоу­ ту, называемому опорным, крепятся опоры, на которых ра­ кета устанавливается на пусковое устройство. Между стыковочными и опорными шпангоутами размещены про­ межуточные шпангоуты. Снизу хвостовой отсек закрыт днищем, которое препятствует нагреванию аппаратуры, находящейся внутри отсека, от продуктов сгорания, образующихся при работе двигателя и отраженных от пускового устройства. В обшивке имеются вырезы — люки для проведения необходимых работ внутри отсека. Люки закрываются крышками при помощи винтов.

С целью уменьшения массы конструкции иногда на верхних ступенях ракеты используются сбрасываемые хвостовые отсеки. Движение верхних ступеней происхо­ дит в разреженных слоях атмосферы, где аэродинамиче­ ские силы невелики. Поэтому хвостовой отсек, выполнив свою роль при движении ракеты в плотных слоях, к мо­ менту отделения нижней ступени становится ненужным.

Переходники (переходные отсеки) предназначены для соединения ступеней и головной части с ракетой. Пере­ ходники могут иметь цилиндрическую и в виде усеченно­ го конуса форму. Конические переходники применяются для соединения частей ракеты, имеющих различный диаметр.

Взависимости от величин нагрузок, действующих на переходники, они могут изготавливаться с силовым на­ бором или иметь только стыковочные шпангоуты.

Внекоторых образцах ракет применяются переход­ ники в виде стержневых конструкций — ферм. Такие пе­ реходники не имеют обшивки, поэтому продукты сгора­ ния двигателя верхней ступени в момент запуска выхо­ дят в атмосферу через промежутки между стержнями и, воздействуя на нижнюю ступень, отталкивают ее.

Приборные отсеки служат для размещения аппарату­ ры системы управления. Они могут располагаться меж­

24

ду топливными баками или между головной частью й корпусом последней ступени. В зависимости от распо­ ложения приборные отсеки имеют цилиндрическую или в виде усеченного конуса форму. Как и хвостовые отсе­ ки, они состоят из обшивки, поперечного и продольного силовых наборов и рамы. Обшивка крепится к набору заклепками. Внутри приборного отсека находится рама, на которой размещены приборы управления. Рама изго­ тавливается из жестких профилей двутаврового или корытообразного сечения, благодаря чему она испытыва­ ет незначительные деформации, которые не сказываются на пространственной ориентации приборов и, следова­ тельно, на точности их работы. Для монтажа приборов и их обслуживания в обшивке предусмотрено несколько люков с крышками. Обшивка отсека в этих местах уси­ ливается накладками. Уплотнение крышек создается герметизирующими прокладками. Стыковочные шпангоу­ ты приборного отсека имеют на торцовых полках отвер­ стия под болты и отверстия и направляющие штыри для фиксации присоединяемых отсеков.

Рассмотренные отсеки имеют много общего: все они представляют собой тонкостенные оболочки, подкреплен­ ные силовым набором, состоящим из стрингеров и шпан­ гоутов. Оболочкой является обшивка, скрепленная с силовым набором.

При изготовлении этих отсеков могут быть исполь­ зованы как наборные конструкции, в которых обшивка и каркас изготавливаются раздельно, так и монолитные, в которых оболочка составляет одно целое с элементами каркаса.

Обшивка наборных конструкций выполняется из ли­ ста. Каркас оболочки собирается из стрингеров и шпан­ гоутов.

Топливные баки предназначены для раздельного раз­ мещения окислителя и горючего. Они занимают до 80% объема ракеты, поэтому их расположение, форма и мас­ са в основном определяют весовые и габаритные харак­ теристики ракеты с ЖРД. Топливные баки обычно раз­ мещаются между хвостовым и приборным отсеками, если приборный отсек расположен непосредственно у го­

25

'соединяющих баки с двигателем. Вторую схему при­ меняют при использовании низкокипящих компонентов (жидкий кислород); в этом случае наиболее легко обеспечивается термоизоляция днища и предотвращает­ ся переохлаждение горючего.

Форма топливных баков зависит от ряда факторов: типа топлива, формы ракеты и компоновки отдельных агрегатов.

Наиболее часто применяется цилиндрическая форма. Для получения наилучшей аэродинамической формы корпуса бакам, примыкающим к головной части, иногда

V ’и л

V/—

____ L

а

Рис. 2.5. Формы топливных баков:

а — цилиндрическая; б — сферическая и коническая; в — торовая

придают коническую или цилиндроконическую форму. Однако масса баков такой формы при этом оказывает­ ся больше, чем баков цилиндрической формы.

При использовании низкокипящих компонентов топ­ лива целесообразно применять сферические баки. Эти баки по сравнению с баками цилиндрической формы имеют меньшую поверхность и, следовательно, меньший вес теплоизоляции.

Для уменьшения длины ракеты и более компактного расположения агрегатов на последней ступени могут применяться торовые баки.

Различные формы топливных баков приведены на рис. 2.5.

Чтобы уменьшить массу топливных баков использу­ ют высокопрочные материалы и в стенках бака создают

26

растягивающие нагрузки путем получения внутри баков избыточного давления (наддув).

Топливные баки ракеты «Атлас», например, изготов­ лены из высокопрочной стали, а внутреннее давление создается газообразным гелием. В результате макси­ мальная толщина стенки баков не превышает 1 мм. Соз­ дание избыточного давления внутри баков одновременно преследует и другую цель — обеспечить бесперебойную работу двигателей.

Корпус бака является силовой оболочкой, которая воспринимает внутреннее давление, изгибающий момент, осевые и перерезывающие силы.

Конструкция корпуса бывает различной. Оболочка бака может иметь силовой набор в виде стрингеров и шпангоутов. При использовании силового набора исклю­ чается крепление его элементов к оболочке при помощи заклепок, так как в этом случае трудно обеспечить гер­ метичность баков. Поэтому силовой набор крепится то­ чечной сваркой, применение которой требует сложного сварочного оборудования и приводит к увеличению тол­ щины оболочки. Кроме того, качество сварки трудно про­ контролировать. Поэтому для изготовления баков чаще используют панели вафельной конструкции или с готовы­ ми стрингерами. Панели таких форм получают путем химического травления листового материала. В некото­ рых случаях применяют гладкие панели переменной по длине бака толщины. Так, например, баки ракеты «Ат­ лас» длиной 18,3 м и диаметром 3 м не имеют силового набора и выполнены из гладких стальных панелей.

Днища баков, как правило, не имеют силового набо­ ра. Они работают в различных условиях нагружения: нижние днища воспринимают гидростатическое давление компонента топлива и давление наддува, а верхние — только давление наддува. Если для наддува использует­ ся горячий газ, то верхнее днище испытывает и терми­ ческое воздействие, которое может снизить прочностные характеристики материала днища. Для обеспечения ми­ нимальной массы днища изготавливают переменной тол­ щины, а для уменьшения изгибных напряжений в ме­ стах их соединения с корпусом бака стремятся умень­ шить радиус кривизны днища.

Топливные баки оснащаются различными устройства­ ми, обеспечивающими их безаварийную эксплуатацию:

27

тоннельными трубами, устройствами для контроля доз заправки, заборниками, демпферами колебаний жидко­ сти, люками-лазами, различными штуцерами и флан­ цами.

Тоннельные трубы применяются в нижних баках сту­ пеней. В этих трубах размещаются трубопроводы, иду­ щие от верхнего бака к двигателю. Тоннельные трубы предназначаются для повышения надежности ракеты при хранении ее в заправленном состоянии.

Устройства для контроля доз заправки предназначе­ ны для точной дозировки массы заправляемых компонен­ тов топлива. В состав этих устройств могут входить и чувствительные элементы — сигнализаторы наполнения. По принципу действия сигнализаторы делятся на индук­ тивные, емкостные, контактные, потенциометрические и т. д. Для уменьшения массы баков устройства для кон­ троля доз заправки целесообразно делать наземными.

Заборные устройства баков предназначены для пред­ отвращения провала уровня жидкости, который наблю­ дается при понижении уровня до некоторой величины. Провал уровня можно наблюдать и в обыденной жизни при истечении жидкости из большого объема через ма­ лое отверстие (например, при опорожнении ванны). При провале уровня в жидкость попадают газы наддува, резко уменьшается расход компонентов, в результате чего нарушается нормальная работа двигателя. Чтобы не допустить этого, необходимо выключать двигатель до появления провала; при этом часть компонента топлива не будет использована, что увеличит массу конструкции ракеты. Как указывалось ранее, в этом случае умень­ шится дальность полета.

Заборные устройства применяются в виде пластин и конусов диаметром, значительно превышающим диа­ метр выходного отверстия бака.

Устройства для демпфирования колебаний топлива предназначены для уменьшения колебаний топлива в баках во время полета ракеты. Колебания топлива в баке возникают вследствие колебаний его корпуса. Ис­ точниками колебаний корпуса являются порывы ветра, пульсации тяги двигателя и т. д. Колебания происходят как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поскольку топливо составляет основную массу ракеты, движение значительных масс жидкости даже с неболь-

28

к- шими амплитудами колебаний может привести к возник­ новению больших сил давления на стенки баков.

Демпферы колебаний представляют собой попереч­ ные и продольные внутренние перегородки баков. Для уменьшения массы баков демпферы изготавливаются из тонкого листового, обычно перфорированного материала.

Поперечные перегородки служат для уменьшения амплитуды колебаний топлива и устанавливаются в сечениях топливных баков, наиболее удаленных от цен­ тра тяжести ракеты (в верхней части верхнего бака и в нижней части нижнего бака). Продольные перегородки уменьшают перемещение топлива относительно стенок баков и повышают благодаря этому запас устойчивости ракеты по углу крена. Эффективность продольных пере­ городок значительно ниже, чем поперечных. Однако поперечные перегородки выполняют свою роль только на начальном участке (особенно расположенные в верх­ них баках), а продольные — на всем активном участке полета.

Каждый топливный бак имеет люк-лаз. Люк-лаз ис­ пользуется для проведения сборочных работ в процессе изготовления бака, после чего закрывается крышкой. Для обеспечения герметичности бака между крышкой и фланцем горловины устанавливается герметизирующая прокладка.

Для подсоединения к топливным бакам различных трубопроводов с малым диаметром (например, для кон­ троля давления в баках, проверки их герметичности) применяются штуцера, которые имеют наконечник с резьбой для соединения трубопроводов. Штуцера крепят­ ся к стенкам бака сваркой.

Трубопроводы больших диаметров (например, рас­ ходные трубопроводы, через которые компоненты топ­ лива поступают в двигатель) крепятся фланцами; по­ следние привариваются обычно к днищам баков.

В конструктивном отношении БРСН с РДТТ пред­ ставляет собой набор двигателей, расположенных после­ довательно или параллельно (рис. 2.6).

РДТТ используются в качестве ступеней ракеты или как ускорители для ракет с ЖРД. Считается, что кон­ струкция ракет с РДТТ проще, чем ракет с ЖРД. В ча­ стности, у них отсутствуют топливные баки, топливные

29