книги из ГПНТБ / Москаленко Г.М. Инженерные методы проектирования в ракетодинамике

Условие (3. 14) показывает, что максимальное значение осе­ вой сжимающей силы на корпус верхней части ракеты всегда имеет место в конце полета, когда t— x и nx ( t ) = n mах. При этом по уравнению (3. 5) имеем

Как отмечалось ранее, учет сил лобового сопротивления при выполнении условия (3. 14) необязателен. При этом погрешность величины А/max для ракет минимальной дальности полета (~300 км) составит не более 6 —7%. Этот процент заметна уменьшается при увеличении дальности полета и уже при L > >600 км становится близким к нулю.

3.6.ОТСЕК СРЕДНЕЙ ЧАСТИ РАКІЕТЫ

Вотсеке средней части ракеты, или межбаковом отсеке, мо­ гут располагаться оборудование, приборы управления, научная аппаратура и другие постоянные по весу грузы. Иногда межба­ ковый отсек служит просто соединительным звеном между верх­ ним и нижним баками и не содержит в себе каких-либо постоян­ ных или переменных масс. Для межбакового отсека могут иметь

G к

И Л И

т

АД По

Р-к ■І 2 ° '

=1

Рис. 58. Схема расположения межбакового отсека на ракете с несущими топливными баками:

/—головная часть; 2 —верхний несущий бак; 3 —межбаковый отсек

87

при выполнении условия

где G т — вес компонента топлива в верхнем баке;

В первом случае максимальное значение осевой сжимающей силы имеет место в начале полета, когда 7=0 и nx (t) =ге0; во вто­ ром случае — в конце полета, когда 7 = т и nx (t) = nmах. Если по­ лет ракеты происходит в пустоте (вторая ступень составной ра­ кеты) и выполняется условие

т

2 G<-

г=1 _ ,R

то нагрузка на корпус может быть определена по любой из при­ веденных формул. Для случая полета в сопротивляющейся среде, т. е. для всех одноступенчатых и первых ступеней составных ра­ кет, осевая нагрузка на корпус межбакового отсека определяет­ ся с учетом сил лобового сопротивления.

3.7. ОТСЕКИ НИЖНЕЙ ЧАСТИ РАКЕТЫ

Отсеками нижней части ракеты могут быть -двигательный от­ сек или отсек оборудования и приборов управления как у ста­ рых ракет (рис. 59). Характерным для этих отсеков является то,

что они расположены под главными расходуемыми массами

П

■ (горючим и окислителем). При этом всегда ^ £,-= 1 и> следова-

7=1

тельно, имеет место условие (3.13). Это означает, что осевая нагрузка на корпус отсека от массовых сил всегда имеет место в начале полета, когда 7=0 и nx ( t ) = n 0. Эта нагрузка уменьша­ ется с течением времени и достигает минимального значения в конце полета. Типовой характер зависимости Nx (t) для отсека, расположенного в нижней части одноступенчатой ракеты, пред­ ставлен на рис. 60. График показывает, что условие (3. 13) не требует учета аэродинамических сил лобового сопротивления.

Выражение для осевой силы Nm&x удобно записать, рассмат­ ривая силы, приходящие к сечению а — а со стороны нижней части ракеты. При этом получим

88

Формула (3. 16) записана для пустотных условий. Ее погреш­ ность для первых ступеней ракет (без учета сил аэроди­ намического сопротивления) составляет не более 2—3%.

Формула (3. 16) справедлива также и для определения на­ грузки на раму (или узлы) крепления ракетного двигателя. В этом случае в сумму разгрузочных весов следует включать те веса, которые крепятся непосредственно к раме, включая и вес самого двигателя.

3.8. ТОПЛИВНЫЙ ОТСЕК С ПОДВЕСНЫМИ БАКАМИ

Конструкции ракет с подвесными топливными баками в на­ стоящее время считаются устаревшими. Типичным представи­ телем такой конструкции является немецкая ракета А-4. Од­ нако, весовой анализ показывает, что в некоторых случаях, при больших запасах топлива и стремлении уменьшить высоту тяже­ лых ракет-носителей, может оказаться целесообразным примене­ ние несущих корпусов с подвесными баками (см. например, аме­ риканский проект ракеты «Космос» фирмы Дуглас).

89

Рассмотрим, в качестве примера, топливный отсек, приве­

денный на рис. 61.

В этом отсеке верхний бак подвешен тягами к верхней части несущего корпуса, а нижний — опирается на стыковочное коль­ цо отсека, которое является переходным звеном к нижней части ракеты. Таким обра­ зом, несущий корпус топливного отсека вос­ принимает нагрузки только со стороны го­ ловной части и верхнего бака. Головная

часть и сам корпус представляют собой постоянные массы; топ­ ливо верхнего бака — переменную массу. Легко видеть, что по­ скольку в создании нагрузки на корпус Nx(t) принимает участие не вся переменная масса, а только часть ее (£тв), то возможно выполнение всех трех условий (3.7), (3.9) и (3.10)

Следовательно, определение нагрузок необходимо вести, как и для межбакового отсека, по формулам (3. 15) и (3.8).

90

График (см. рис. 55) показывает, что в случае выполнения условия (3. 7) лобовые силы аэродинамического сопротивления заметно влияют на величину нагрузки Ытях.

Необходимо заметить, что условия (3. 7), (3. 9) и (3. 10) име­ ют место и для топливных отсеков смешанной конструкции,, у которых верхний бак несущий, а нижний — подвесной (рис. 62).

Что касается нижних сечений топливных отсеков, то, как бы­ ло показано ранее (3.4), независимо от их конструктивных осо­ бенностей расчетный случай для определения нагрузки Nmai. всегда имеет место в начале полета при £ = 0 и nx( t ) = n 0.

3. 9. УСЛОВИЕ ПОСТОЯНСТВА ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ У ВХОДА В ТОПЛИВНЫЕ НАСОСЫ

Полагаем, что трубопроводы, соединяющие нижние днища топливных баков с фланцами турбонасосов, всегда остаются за­ полненными топливом. Удобно положить так­ же, что моменту выключения двигателя соот­ ветствует полное опорожнение топливных ба­

ков. При этом переменное по времени t гидро­ статическое давление компонента топлива у входа в насос рГвдр(£) будет равно (рис. 63)

/W (0 = Y k .t«(*)[V t (*)ö 6+ *tp1» (3- 17)

где ук.т — удельный вес компонента топлива; Як.т(£) — «текущее удлинение» столба жидко­ сти (компонента топлива) в баке; /тр — длина трубопровода.

Рис. 63. Схема для определения условия постоянства гидростатического давления у входа в топливные насосы

Найдем выражение для параметра Як. т(£) как функцию вре­ мени полета. Тогда запишем

От

где Яб — удлинение бака.

91

Подставив найденное выражение (3. 18) в равенство (3. 17), получим

Функция Ргидр = Ргидр(0 не содержит экстремальных решений. Однако, дифференцируя равенство (3. 19) по 1 и приравнивая нулю производную, можно получить

ßOD6+ / TP- f t T- | 4 l- ß O Z > 6= 0 ,

откуда условие постоянства гидростатического давления у входа в насосы выразится так

давление у входа в насос по мере выгорания топлива будет уве­ личиваться, а при

1- у - < (3.22)

давление у входа в насос будет уменьшаться.

Для нижних баков обычно имеет место условие (3. 22). В этом случае избыточное давление газа должно быть переменным с

92

= 38,4. Принимая во внимание зависимости (3.9) и (3. 10), находим для каж­ дого сечения (см. табл. 3. 1).

Таблица 3.1

(или 0,73 <0,907)

Пример 3.2. Пользуясь схемой (см. рис. 64) определить положение се­ чения X от носка крылатой ракеты-носителя, где осевая сжимающая сила N x будет постоянной во время полета на активном участке траектории.

Решение. Имея в виду зависимость (3. 7)

т

93

висимости для включения их в обобщенные уравнения ракето­ динамики по выбору оптимальных параметров ракет и их систем с учетом весовых факторов.

Часть весовых зависимостей, представляющих определенный интерес, приведены в сводной таблице в конце главы.

95

Обычно началу весовых расчетов предшествуют рекомендации

Один из примеров весового состава совре­ менной трехступенчатой ракеты может быть представлен орбитальными носителями «Са­ турн-1» и «Сатурн-5», как показано на рис. 65 и 6 6 .

4.1. ТОПЛИВНЫЕ БАКИ

Вследствие большого запаса топлива на ракете топливные баки составляют одну из главных частей ее конструкции. Топливные баки имеют разнообразную форму и конструк­ цию. Чаще всего встречаются цилиндрические, конические, сферические и торовые баки. Как уже отмечалось ранее, существуют несущие и подвесные баки. Топливные баки образуют

Рис. 65. Компоновочная схема и весовой состав по глав­ ным элементам конструкции ракеты «Сатурн-І»:

топливные отсеки. Различают топливные баки высокого и низ­ кого давлений. Во всех случаях, конструктивно, баки представ­ ляют собой тонкостенные оболочки, гладкие или подкрепленные продольно-поперечным набором для восприятия больших сжи­ мающих сил. Большая несущая способность баков достигается созданием внутреннего избыточного давления, при котором про­ дольное сжатие заменяется полностью или частично эквато­ риальными и меридиональными напряжениями растяжения. При

96