Компоновочные схемы ракет-носнтелей

В составе РН можно условно выделить головную часть (головной обтекатель и полезный груз в виде искусственного спутника Земли, автоматической межпланетной станции, космического корабля) и ракетную часть, состоящую из ракетных блоков (РБ).

Ракетный блок представляет собой автономную часть ракеты, включающую в себя топливный отсек с топливом, двигательную установку, органы управления и ряд других вспомогательных систем бортового комплекса, обеспечивающих движение на определенном участке траектории выведения. Соединяя различным образом РБ между собой, можно получить хорошо известные компоновочные схемы ракеты-носителя: "пакет", "тандем" и комбинацию этих схем.

В схеме "тандем" ракетные блоки последовательно соединяются друг с другом посредством поперечных плоских фланцевых стыков. При этом корпус РБ нагружается как внешним давлением среды, так и инерционными нагрузками со стороны вышерасположенных отсеков (масс). Отделение отработавшего РБ осуществляется путем его продольного перемещения по схеме "холодного" или "горячего" разделения, что также оказывает определенное силовое и тепловое воздействие на конструкцию блока.

Схема "пакет" характеризуется параллельным расположением РБ и их продольным делением после полной выработки топлива. Соединение РБ между собой осуществляется, как правило, в двух силовых поясах: верхнем и нижнем. В зависимости от особенности конструктивного исполнения силовых поясов они могут воспринимать и передавать поперечные и (или) продольные усилия. При организации силовых связей РБ необходимо обеспечить свободу деформации корпуса РБ и возможность сборки ракеты-носителя в целом.

Компоновочная схема ракеты-носителя характеризуется еще силовым взаимоотношением корпусов ракетных блоков и топливных баков. Возможны две схемы:

– несущий топливный бак, когда корпус бака одновременно является корпусом РБ и воспринимает как давление наддува и инерционную нагружу со стороны топлива, так и аэродинамические силы и внешние инерционные нагрузки;

– подвесной топливный бак, характеризуемый разделением функций бака и корпуса РБ по восприятию ими внешних и внутренних нагрузок.

Ракетные блоки для удовлетворения эксплуатационных требований при их транспортировке железнодорожным, автомобильным, воздушным и водным транспортом не должны превышать определенных предельных габаритных размеров. В связи с этим, если относительно малогабаритные топливные отсеки выполняются в виде одного отсека, то крупногабаритные топливные отсеки выполняются по многоблочной схеме, т.е. в виде пакета топливных отсеков, топливных баков или транспортабельных элементов РБ. В первом случае пакет состоит из однотипных малогабаритных топливных отсеков, каждый из которых содержит бак окислителя и бак горючего. Во втором случае пакет состоит из нескольких параллельно расположенных топливных баков окислителя и горючего, а в третьем случае РБ собирается из транспортабельных элементов на сборочном заводе вблизи стартовой позиции.

Классификация отсеков ракетного блока

Корпус ракетного блока является его силовой основой, объединяющей все агрегаты и системы в единое целое. В общем случае, воспринимая внешние статистические и динамические, распределенные и сосредоточенные нагрузки, отдельные составные части корпуса решают, кроме того, определенные функции, связанные с размещаемыми в них системами и агрегатами. Особенности функционального назначения какой-либо части корпуса оказывают влияние на ее конструктивное исполнение: выбор материала, конструктивно-силовую схему (КСС) корпуса, методы соединения конструктивных элементов между собой и т.д.

В соответствии с функциональными и конструктивно-технологическими признаками корпус РБ можно условно разделить на:

• сухие отсеки (переходный, межбаковый, хвостовой);

• топливные отсеки (баки окислителя и горючего);

• рамы (крепления приборов и двигателей);

• вспомогательные элементы конструкции.

Переходный отсек предназначен для стыковки данного РБ с последующим ракетным или головным блоком и служит для размещения в нем приборов системы управления и измерения, а также устройств системы разделения (отражательное устройство, обеспечивающее защиту днища бака при "горячем" отделении РБ).

Межбаковый отсек соединяет топливные баки в единый топливный отсек (это соединение может быть неразъемным и разъемным) и служит для размещения в нем блоков аппаратуры системы управления и агрегатов пневмогидравлической системы топливных баков.

Топливный отсек может быть выполнен и без межбакового отсека (с использованием совмещенного днища). Топливные отсеки предназначены для размещения рабочих запасов окислителя и горючего. В зависимости от компоновочной схемы РБ и массы топлива баки характеризуются большим разнообразием форм и размеров.

Хвостовой отсек служит для размещения в нем двигателей, систем и агрегатов двигательной установки. На его корпусе могут быть размещены аэродинамические устройства стабилизации и управления, стартовые опоры или силовые связи с РБ, устройства функциональной связи данного блока с другими блоками или с "землей".

Помимо этого корпус хвостового отсека обеспечивает защиту расположенных внутри агрегатов от аэродинамических нагрузок. Хвостовой отсек РБ второй и последующих ступеней после отделения отработавших РБ в большинстве случаев исчерпывает свои функции и может быть отделен (сброшен).

Рамы крепления двигателей служат для передачи сосредоточенных нагрузок от двигателей на корпус ракетного блока и могут быть выполнены в виде ферменных или балочных конструкций.

По конструктивному признаку отсеки классифицируют на каркасные, ферменные и балочные (рамные); по технологическому признаку - на монолитные и сборные, а последние - на клепаные, сварные и комбинированные.

Конструктивно - силовые схемы отсеков.

Компоновочная схема ракеты-носителя определяет схему нагружения каждого отсоса (величины инерпиошых нагрузок и места их приложе­ния, аэродинамические нагрузки), которая в сочетании с нагрузками (давление наддува в баке, давление внутри приборного отсека), обусловленными функциональным назначением отсека, характеризует напряженное состояние элементов корпуса отсека.

Так, цилиндрическая оболочка несущего топливного отсека нагружается сжимающей инерционной нагрузкой от расположенных выше масс, аэродинамической продольной силой X и растягивающей силой от внутреннего давления наддува. Величина результирующей осевой силы зависит от соотношения внешних сил и внутреннего давления и может быть сжимающей (N < 0) или растягивающей (N > 0).

Цилиндрическая оболочка подвесного топливного бака воспринимает лишь внутреннее давление и инерционные нагрузки от топлива и всегда нагружается на растяжение как в продольном, так и поперечном направлении.

Негерметичные "сухие" отсеки (межбаковые, переходные, хвостовые) нагружаются сжимающими аэродинамическими и инерционными силами со стороны отсеков, расположенных выше.

Анализ напряженного состояния корпуса отсека является важным шагом при выборе его конструктивно-силовой схемы, под которой мы будем понимать совокупность силовых элементов (обшивка, стрингеры, шпангоуты и т.д.) и схему их соединения.

Действительно, если корпус нагружен растягивающей силой, то наилучшей КСС в данном случае будет гладкая оболочка, поскольку изготовление ее в виде оболочки, подкрепленной продольным силовым набором, при одинаковой площади поперечного сечения не приводит к повышению несущей способности и лишь ухудшает технологичность. Если же корпус нагружен сжимающей силой, то разрушение конструкции происходит в результате общей потери устойчивости корпуса и местной потери устойчивости отдельных конструктивных элементов. В данном случае выбор конструктивно-силовой схемы корпуса (подкрепленная, вафельная или сотовая оболочка) будет влиять на массу конструкции корпуса отсека.

Таким образом, изменяя компоновочную схему ракеты-носителя (и его РБ), мы изменяем характер нагружения проектируемого отсека и выбираем для этого случая наилучшую конструктивно-силовую схему этого отсека.