Глава 1. Основные процессы при старте ракет-носителей

1.1. Источники энергии и виды газодинамических процессов при старте

Источником энергии газодинамических процессов при старте являются струи продуктов сгорания высокоэнтальпийных топлив двигательной установки. В соответствии с тягой двигательной установки ракет (от до ) мощность струй имеет порядок от до .

В зависимости от формы проявления энергии при взаимодействии струй с элементами пускового устройства принято выделять следующие процессы:

• ударно-волновые;

• газодинамические (нестационарные и квазистационарные);

• тепловые;

• акустические.

К газодинамическим процессам относятся процессы, связанные с движением газов высокой кинетической энергии с высокими скоростными напорами при полном давлении в струе до и давлением торможения на преградах до . При этом суммарные нагрузки на газоотводные устройства обычно превышают силу тяги и составляют для ракет с тягой в диапазоне от до соответственно от до .

При большой их величине эти нагрузки не слишком сложны в определении и их учете при проектировании, так как они вызваны прямым воздействием струй, параметры которых определяются расчетным и экспериментальным путем с достаточной точностью. Сложнее определить нагрузки от эжектирующего эффекта струй (от до ) и от Прандтль – Майеровских разрежений (до ). Эжекционные нагрузки могут создавать значительные отрывающие усилия на больших поверхностях пускового устройства и ограждениях зоны движения струй без их непосредственного воздействия.

На облицовывающих поверхность газоотражателя плитах, помимо усилий от внешнего давления, могут реализовываться отрывающие усилия при затекании газов под облицовочные плиты. Тогда усилия на отрыв оказываются такого же порядка, как и прижимающие. Так, на газоотражателе универсального комплекса "стенд-старт" ожидалась возможность реализации отрывных усилий на плиты до и на это были рассчитаны элементы крепления плит (давление на плиты ).

Высокие параметры , , и температура на поверхностях, подвергающихся воздействию струй, вызывают значительное конвективное тепловое воздействие. Число Стантона достигает при этом ; плотность теплового потока к газоотражателю составляет в среднем , а максимальное значение доходит до . Суммарное тепловое воздействие может достигать за время воздействия от до секунд (в соответствии с тягой двигательной установки и параметрами ракет) . Время воздействия определяется, в соответствии с законом подъема ракеты,

и зависит от перегрузки ракеты , диаметра сопел двигательной установки , длины сверхзвукового участка струи двигательной ракеты . Длина сверхзвукового участка одиночной струи для современных двигателей ; для составной , .

Для современных ракет-носителей различного класса (легких, средних и тяжелых) стартовые веса и времена воздействия представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Соотношение стартовой массы и времени теплового воздействия

Вес , т	60	60 – 600	600 – 1000
Время , с	2 – 3	3 – 10	5 – 12

Для ракеты "Сатурн-5":

;

;

; ;

;

.

С увеличением тяги одного двигателя при постоянной суммарной тяге двигательной установки время теплового воздействия возрастает за счет возрастания . Для отечественных ракет-носителей

; .

При аварийном старте (отказ одного двигателя двигательной установки) продолжительность возрастает из-за понижения перегрузки и может достигать . На эту продолжительность должна рассчитываться облицовка газоотражателя, при этом

;

где ; ; ; ; – избыточное давление на отражателе.

На интенсивность теплообмена при старте оказывает влияние акустическое воздействие, излучаемое струями двигательной установки. В некоторых случаях это воздействие может увеличивать интенсивность теплообмена на порядок. При этом число достигает .

Рассмотрим основные применяемые теплозащитные покрытия и значения их эффективной энтальпии :

• ТТПС-15 (полиэтилен с MgO и ZnO). Температура разрушения , , (холодное отвердение);

• ПКМ-6 (органо-керамическая композиция) , , (холодное отвердение );

• бетоны , , .

Специфическим газодинамическим процессом является процесс образования при запуске двигательной установки волн сжатия (). Процесс формируется от движения фронта продуктов сгорания сначала по соплу, а затем по каналам стартового сооружения. Этот процесс принято называть ударно-волновым. Ударно-волновое давление, действующее на кормовую часть ракеты носителя, определяет ее прочность. Время нарастания давления . Скорость движения фронта волн

,

в основном, близка к – скорости звука ( при малых ). Эти характеристики необходимо учитывать в динамике воздействия нагрузок на конструкции.

При отражении волны давления от выходного среза канала газохода образуются волны разрежения. Действие отраженных волн разрежения и эжектирующее действие массы газа формирующейся струи приводит к появлению интенсивного разрежения, по уровню близкого к уровню избыточного давления (от до ). Наибольшая интенсивность ударных волн имеет место в газоходах пускового устройства. Так, на первом шахтном пуске ракеты, которая впоследствии использовалась для запуска космических аппаратов "Космос", недостаточная прочность стакана шахты из-за неправильного учета уровня и динамики нагружения привела к потере устойчивости цилиндрического стакана и аварии.

Для некоторых стартовых систем с минимальными размерами ("Протон" и др.) интенсивность ударно-волновых процессов приводит к необходимости снижения воздействия на ракету с помощью специальных экранов. Аналогичные мероприятия осуществлялись после первого пуска на старте "Спейс шаттла" (апрель 1981 года).

К акустическим и пульсационным относятся процессы пульсаций давления, связанные с излучением турбулентной сверхзвуковой струей акустической энергии, с возбуждением колебаний в каналах и объемах стартового сооружения, в которых движутся газовые струи, а также с пульсациями в зонах действия струй на элементы пускового устройства и ракеты и в вихревых зонах. Значительное влияние на уровень акустических нагрузок оказывает отражение акустических волн от поверхностей площадки и стартового стола.

Акустическое излучение сверхзвуковой турбулентной струи характеризуется коэффициентом , дающим суммарную мощность акустического поля от мощности струи (или ).

Для ракеты-носителя "Сатурн-5" ( ) мощность акустического излучения достигает .

Воздействие на струи двигательной установки газоотводных устройств (газоотражателей, газоходов), в основном, приводит к уменьшению кинетической энергии и к уменьшению мощности акустического излучения. Однако здесь появляются такие новые факторы, как отражение акустической энергии, а также изменение направленности и новые дополнительные излучения от зон пульсаций давления на преграде. Все это приводит к тому, что акустические нагрузки на ракету-носитель (особенно корму) существенно превышают акустические нагрузки в полете. Так, акустические нагрузки при старте на больше, чем нагрузки от струй двигательной установки в полете. Эти нагрузки превосходят также акустические нагрузки от пульсаций в аэродинамическом потоке. Характерные акустические нагрузки от различных источников для ракет-носителей приведены в таблице 1.2.

Как видно из таблицы 1.2, акустические давления при старте, как правило, превышают давление в полете. Кроме того, они имеют существенно большую площадь воздействия на носитель, чем пульсации на выступающих элементах, в зонах отрыва и др. Кроме того, мощность акустических процессов при старте может существенно увеличиваться при возникновении автоколебательных процессов, то есть процессов с обратной связью.

Так, при возникновении автоколебаний в шахте для запуска ракеты-носителя спутников "Космос" наблюдался уровень пульсаций давления до . Такие условия запуска создавали аварийные ситуации, а также недопустимые отклонения в работе системы управления и элементов космического аппарата (ложные сигналы, погрешности в точности выведения и т.п.).

Здесь следует отметить, что последствия действия высоких акустических нагрузок на ракету трудно прогнозируемы, а иногда непредсказуемы. Это связано с тем, что:

• во-первых, сами пульсации имеют широкий спектр, и для струй двигательной установки он характеризуется полосой в восемь октав ;

• во-вторых, очень широк спектр собственных частот агрегатов и приборов на ракете, то есть и при узком дискретном воздействии авторезонансного процесса может иметь место отклик на него многочисленных элементов ракеты. При пусках носителя "Космос" имели место пульсации на частотах . При этом на такие частоты отмечалась реакция некоторых элементов системы управления, в том числе и командных приборов. Для обеспечения надежности пуска космических аппаратов "Космос" потребовалась разработка системы глушения автоколебаний и подавления аномально высокого уровня пульсаций на дискретной частоте.

Таблица 1.2

Акустические нагрузки для ракет-носителей

Источник	Отношение среднеквадратичного давления к	Звуковое давление, дБ	Частоты
Турбулентный пограничный слой	0,005 – 0,01	139 – 145 *)	Низкочастотный спектр
Пульсации донного давления	0,01 – 0,02	145 – 151 *)	Низкочастотный спектр
Поток на выступающих элементах	0,01 – 0,1	145 – 165 *)	Низкочастотный спектр
Полостной резонанс	0,02 – 0,35	154 – 175 *)	Дискретные частоты
Отрывные течения	0,02 – 0,1	154 – 165 *)	Дискретные частоты
Пульсации скачка сверхзвукового потока	0,05 – 0,1	159 – 165 *)	Дискретные частоты
Пульсации скачка транс. звук	0,05 – 0,25	159 – 171 *)	Дискретные частоты
При старте на днище		165 – 168	Низкие частоты
При старте из шахтного пускового устройства		160 – 170	Низкие частоты
При автоколебательном процессе		165 – 185	Дискретные частоты

Примечание: ^*) При .

С ростом мощности ракеты понижаются частоты акустических излучений согласно критерию . Одновременно, в определенной мере аналогично, понижаются частоты собственных колебаний агрегатов и приборов ракеты. С понижением частоты пульсаций воздействующего давления и понижением частот колебаний конструкций обостряются проблемы вибропрочности носителя. Эти нагрузки составляют существенную долю суммарных нагрузок и снижают запас прочности. Так, при старте ракеты-носителя Н-1 имел место низкочастотный автоколебательный процесс с уровнем , и потребовалось упрочнение крепления различных агрегатов в кормовом отсеке ракеты-носителя. Разрабатывались и средства подавления этого автоколебательного процесса, однако на натурном пуске эти средства не были установлены, а затем программа Н-1 была закрыта.

Параметры акустического нагружения ракеты-носителя определяют условия отработки агрегатов на виброакустических стендах. Ориентировочно можно отметить следующие характерные последствия воздействия на ракету-носитель акустических нагрузок:

• – сбои в работе аппаратуры;

• – поломки в аппаратуре;

• – потери прочности панелей при длительном нагружении и повторном нагружении.

Вследствие этого многие агрегаты ракеты-носителя должны проходить акустическую отработку на уровни акустических нагрузок при старте. Такую отработку проходили агрегаты ракеты-носителя "Энергия" и орбитального корабля "Буран".