1.2. Схемы развития газодинамических процессов при различных условиях старта

Рассмотренные выше виды процессов имеют свои характерные признаки и изучаются каждый в отдельности специально разработанными для них методами. Однако на практике они реализуются как единый сложный процесс изменения параметров газа (, , ) около ракеты и в каналах пускового устройства. Это изменение обусловлено динамикой режимов двигательной установки (запуск на режим, предварительная ступень тяги и др.) и движением ракеты над пусковым устройством, при котором возможны боковые смещения и угловые движения сопел. В этом сложном процессе ударно-волновая стадия непрерывно переходит в нестационарную или квазистационарную стадию газодинамических, тепловых и акустических процессов, развивающихся одновременно. При этом имеет место также влияние одних процессов на другие. Важной является переходная стадия – от ударно-волновой в квазистационарную, так как на этой стадии имеют место максимальные нагрузки на конструкции от разрежений. Газодинамические параметры на этой стадии возможно определить только экспериментально. Их необходимо знать заранее (до летно-конструкторских испытаний), так как во время этой стадии возможны аномалии в работе двигательной установки.

Параметры процессов и характер их развития различаются при старте с пусковых установок различных схем. На рис.1.1, 1.2 представлены схемы развития процессов в период старта при старте с пусковых столов (рис.1.1) и стартовых сооружений с заглубленными газоходами (рис.1.2).

Наиболее простым видом является старт ракет с пусковых столов. Такой вид старта был использован для ракеты-носителя "Космос-2" (четырехскатный отражатель), "Циклон" (шестискатный и односкатный отражатели) и др.

Рис.1.1. Развитие газодинамических процессов при старте с пусковых столов

Распространенным видом стартового устройства является стартовое сооружение с заглубленными газоходами. При этом типе сооружения облегчается использование установщиков, транспортирующих ракеты в горизонтальном положении.

Для первых носителей "Восход" и "Восток" было создано сооружение с газоотражателем лоткового типа, затем для носителей "Протон" – двухгазоходное сооружение, для носителей "3енит" – одногазоходное сооружение. Для ракеты-носителя "Энергия" были созданы сооружения с одним и тремя заглубленным газоходами. Последнее было переоборудовано из пускового устройства для ракеты-носителя Н-1.

Рис.1.2. Развитие газодинамических процессов при старте с заглубленных пусковых установок

Для ракеты "Сатурн-5", которая транспортировалась на старт в вертикальном положении по эстакаде длиной , была создана пусковая платформа высотой примерно и заглубленными на газоходами.

При старте с сооружений, имеющих заглубленные газоходы, параметры газодинамических процессов и нагрузки на ракету выше, чем при старте с пусковых столов.

К наиболее сложным относятся процессы при старте из шахтных пусковых установок. Такая установка использовалась при пуске ракеты носителя спутников "Космос".

При снятии ракет с вооружения такие старты возможно использовать и в дальнейшем. Благодаря защите от внешних атмосферных воздействий установки шахтного типа имеют преимущество в обеспечении условий хранения и подготовки ракеты к пуску, а также не требуется высоких эстакад для обслуживания ракеты-носителя. Шахтные пусковые установки, которые использовались для пусков ракет-носителей космических аппаратов "Космос" являются шахтными – с газоходами, однако в дальнейшем в рамках применения ракет по программе конверсии возможно использование пусковых шахт другого типа, в том числе "минометного".

Для всех представленных случаев следует выделить общую кратковременную стадию () развития ударно-волновых процессов при запуске двигательной установки ракеты, но различную по интенсивности ударно-волнового давления для различных схем.

Газодинамические параметры на этой стадии определяются циклограммой выхода двигательной установки на режим и геометрическими характеристиками стартовой системы.

В дальнейшее время старта, когда ракета поднимается по вертикальной траектории, можно выделить два периода. Первый период подъема длительностью характеризуется тем, что взаимодействие струй двигательной установки с пусковым устройством оказывает влияние на ракету, участок траектории этого периода – до . Физически это длина циркуляционных зон от взаимодействия с площадкой струй двигательной установки. Во втором периоде подъема до высоты имеет место монотонно уменьшающееся воздействие газовых струй на стартовую площадку и расположенные на ней агрегаты. Параметры воздействия при этом определяются как падающей, так и растекающейся струей.

Влияние на ракету взаимодействия струй с пусковым устройством может усиливаться с образованием отраженных течений при боковых и угловых смещениях ракеты и отклонении струй от действия различных возмущений (ветровое воздействие, отключение одного из двигателей). Усиливается также воздействие струй на стартовую площадку.

Для всех схем старта имеет место полный состав газодинамических, тепловых и акустических процессов, однако при шахтном старте ударно-волновые и акустические процессы наиболее интенсивны.

Так, при открытом старте уровни ударно-волнового давления составляют , а при старте из шахт – .

Уровни акустических давлений будут соответственно при открытом старте и – при шахтном.

При старте с пусковых столов и заглубленных сооружений, в период взаимодействия струй с отражателем и обратного влияния этого взаимодействия на ракету, могут реализовываться различные газодинамические условия у кормовой части ракеты в зависимости от геометрических характеристик газоотражателя. Эти режимы возможно характеризовать уровнем избыточного давления на днище ракеты, отнесенному к избыточному давлению на днище в режиме полета в начале траектории, когда кончается влияние стартового сооружения. Это давление на днище определяется

,

где ; ; ; – площадь зазоров между соплами; – площадь сопел;

;

; – окончание влияния отражателя на донное давление.

Можно выделить четыре характерных режима изменения относительного донного давления для четырех видов взаимодействия струй с отражателем (рис.1.3).

Первый режим – полного отвода струй отражателем при углах встречи струй с отражателем . Здесь .

Второй режим – воздействие на днище обратных течений отражателя: .

Третий режим – отвод газовых струй в исходном положении ракеты, а затем появление отраженных течений примерно на середине участка подъема . Это режим вторичных обратных течений, при котором на участке будет , а при будет .

Четвертый режим – при старте с заглубленных сооружений и из шахтных пусковых устройств характеризуется повышенным разрежением у днища вследствие действия эжекции . При этом режиме опасны отрывающие усилия на днище.

Геометрия газоотражателя влияет и на величину ударно-волнового давления, в основном способствуя отводу газов и волн и снижению ударно-волнового давления.

Однако основную роль в установлении величины ударно-волнового давления играет площадь газоходов. При этом полагается, что характеристика выхода двигательной установки на режим задана. Влияние площади газоходов и длины каналов на ударно-волновое давление можно определить по приближенной эмпирической формуле

; ; .

По расходной характеристике выбираются и .

Рис.1.3. Газодинамические условия у днища ракеты для пусковых устройств 1–4