Физические основы пуска. Стартовые и технические комплексы ракет и космических аппаратов

Нестационарные
процессы

Квазистационарные
процессы

Акустические
процессы

Кратковременные
процессы, явно зависящие от времени

Совокупность стационарных установившиеся процессов,
в разные моменты времени

Учитывают нестационарные процессы развития турбулентности в струях при стационарном расчете струй

Пример таких процессов:
Запуск двигательной установки ракеты,
Раскупорка ТПК при минометном старте

Схема формирования пусковой ударной волны при запуске двигателя

1 – начальный участок;
2 – уплотненный слой;
3 – зона формирования волн сжатия;
4 – пусковая ударная волна;
5 – фронтальная граница.

t = 0,1 – 0,2 с
рУВ = 5 – 8 кгс/см2

Схема формирования ударной волны при движении поршня

в

Пример такого процесса:
Расчет взаимодействия
струи с ТПК при
минометном старте

а) геометрия взаимного положения частей системы «ракета - ПУ»;
б) балансы расхода – прихода массы газов в рассматриваемую область течения.

При рассмотрении таких процессов можно считать, что для данного положения системы «ракета - ПУ» параметры газового потока в струе установились

t = 0,001 – 0,01 с
Уровень шума 160 Дб

Акустические процессы являются неотъемлемой частью струйного течения

Блок-схема взаимозависимости инженерных расчетов ПУ
на примере подвижной ПУ

Под рабочими нагрузками понимают нагрузки, появление которых наиболее вероятно в процессе эксплуатации изделия (ветровые нагрузки, весовые и инерционные нагрузки при перемещении узлов и элементов конструкции при помощи приводов, рабочие нагрузки от силовых гидравлических цилиндров (например, привода подъема КЧ).

К предельным нагрузкам относят нагрузки, возникающие при ядерном взрыве (в случае, если такое воздействие задано в ТЗ), а также нагрузки при старте ракет.

Суммарные газодинамические нагрузки и центры давления вычисляются интегрально в зависимости от распределения давления на поверхности как функции времени, и необходимы для определения характеристик динамических процессов, развивающихся в ПУ в процессе старта – амплитуд и периодов колебаний конструкции.

При расчете струйного течения определяется также акустическое поле, которое вызывает высокочастотные колебания элементов конструкции – вибрации, передающиеся на приборные отсеки ракет и ПУ.

Расчеты напряженно-деформированного состояния конструкции ПУ проводятся уже на заключительном этапе расчетного обоснования

Выделяют задачи общей и местной прочности конструкции

Оценка надежности функционирования ПУ происходит уже на заключительном этапе проектирования, когда все основные параметры определены и не должны изменяться кардинально

Подразделение истории развития СК СН на этапы связано с созданием и развертыванием новых поколений БР и принципов применения ракетного оружия. Принято выделять 5 этапов.

Этап 1 (1959-1965 гг.) Создаются и развертываются СК и БР средней (Р12, Р14) и межконтинентальной (Р16 и Р9А) дальности с моноблочными ГЧ и групповым стартом.

Этап 2 (1965-1973 гг.) Достигнут паритет с США
по количеству МБР за счет развертывания ШПУ
(УР-100, Р-36). Договор ОСВ-1 устанавливает
«потолок» количества ПУ и запрещает
строительство новых ШПУ .

Этап 3 (1973-1985 гг.) – модернизация МБР в развернутых ШПУ (УР-100Н, Р-36М) и их
оснащение РГЧ (УР-100НУТТХ, Р-36МУТТХ). началось развертывание подвижных грунтовых
ПУ с БР средней дальности (Темп-С, Пионер).

Этап 5 (с 1991 г по н.в.) в связи с подписанием договоров СНВ-1 и СНВ-2 произошло сокращение СК оснащенных МБР с РГЧ (БЖРК, Р36-М2). Взамен сокращенных создаются новые ракеты с моноблочными ГЧ (Ярс, Тополь-М), размещенные в существующих ШПУ и проводится модернизация грунтовых самоходных установок для размещения этих изделий.

На рисунке условно показаны:
1 – защитная крыша;
2 – оголовок;
3 – помещения для технологического оборудования; 4 – бетонный ствол шахты;
5 – ракета;
6 – система амортизации;
7 – пусковой стол;
8 – газоотражатель; 9 – емкость для слива технологических жидкостей

В ШПУ глухого типа газы отводятся по кольцевому зазору δ между ракетой и стенками шахтного ствола

Ракета по такой схеме стартует на собственных двигателях и выходит из шахты за 1 – 1,5 с.
Скорость выхода составляет порядка 20..30 м/с.
Температура горячих газов струи 2800-3000 К.

Выбор величины зазора δ обусловлен:
а) обеспечением дозвукового истечения газов в зазоре между ракетой и стволом шахты;
б) условиями работы системы управления, чтобы предотвратить соударения;
в) регламентным и техническим обслуживанием в ходе боевого дежурства;
г) ходом горизонтальной системы амортизации.

Для уменьшения воздействия горячих газов на ракету в бетонном стволе могут быть расположены специальные приемники газов с локализаторами газа или с накопителем

По данным пособия
«Маликов В.Г., Комисарик С.Ф., Коротков А.М. Наземное оборудование ракет. М., Воениздат, 1971 г»

Влияние ветровой нагрузки на процесс старта в момент выхода ракеты из ШПУ

Баллистические ракеты выходят достаточно медленно

Параметры ветровой нагрузки задаются в Техническом задании

Если несоосно, то нарушается условие дозвукового течения в зазоре между корпусом ракеты и стенками шахты. Таким образом, на боковой поверхности корпуса возникает разность в перепаде давления и появляется боковая сдвигающая газодинамическая сила Ргд

Нарушение соосности может возникнуть вследствие начальной неточности установки ракеты на пусковой стол или после срабатывания системы амортизации после ядерного взрыва, либо при действии ветра.

Газодинамическая схема ШПУ такого типа также называется эжекционной.
Горячие газы отводятся по кольцевому зазору δ2 между стенками пускового стакана и шахтного ствола

На рисунке условно показаны:
1 – защитная крыша;
2 – оголовок;
3 – помещения для технологического оборудования; 4 – бетонный ствол шахты;
5 – ракета;
6 – система амортизации;
7 – пусковой стол;
8 – газоотражатель; 9 – емкость для слива технологических жидкостей;
10 – газоповоротные решетки;
11 – пусковой стакан.

Конструктивные схемы ШПУ для ракет Р-12У (рис. а) и Р-14У (рис. б)

а)

б)

Истекающие из сопла газы натекают на ГО, разворачиваются и истекают в зазор δ2 между стенками шахты и ПС.
Газоповоротные решетки, либо газоотводящий козырек, предназначены для отклонения потока в сторону от выходящей из ШПУ ракеты.

Скорость выхода составляет порядка 20..30 м/с.
Температура горячих газов струи: 2800-3200 К.

Всего с 1963 г. по 1966 г. было развернуто около 608 ШПУ, спроектированных в ГСКБ Спецмаш под управлением В.П. Бармина.

Одноступенчатая БР Р-14, также созданная в ОКБ-586 под руководством М.К. Янгеля в 1958 – 1963 г.г., явилась развитием концепции ракеты Р-12, но она обладала вдвое большей по сравнению с Р-12 дальностью и более высокой готовностью к пуску.

Ввиду более высоких тепловых нагрузок ГЧ Р-14 была выполнена виде затупленного конуса

Увеличение запаса топлива достигалось увеличением диаметра баков, при этом впервые использовались «вафельные» обечайки из алюминий-магниевого сплава обработанные химическим фрезерованием. В качестве горючего был применен НДМГ, заменивший керосин, что позволило повысить удельный импульс.

Для шахтного базирования использовалась БР Р14У и шахтный боевой стартовый комплекс, группового старта, состоящий из трех ШПУ «Чусовая» 8П764 также разработанных в ГСКБ Спецмаш, ШПУ располагались на расстоянии не менее 100 метров друг от друга.

СК «Десна-В» состоял из трех ШПУ, расположенных в одну линию неподалеку, подземного командного пункта, подземных хранилищ КРТ и сжатых газов, пункта управления.

Ракета Р-9А на топливе кислород-керосин разработана в ОКБ-1 С.П.Королева

Впервые была решена задача старта кислородных ракет из ШПУ. Кислород переохлаждался до минус 187°С, а для его хранения на стартовой позиции был создан специальный комплекс средств, обеспечивающий малые потери кислорода на испарение (2 - 3% в год) и его ускоренную заправку в баки (по данным некоторых источников время заправки не превышало 10 мин.).

ШПУ для ракеты Р-16У

ШПУ для ракеты Р-36

Данная газодинамическая схема является наиболее совершенной и распространенной среди «горячих» схем старта.
Таких ШПУ построено больше всего в СССР. Впервые направляющие в конструкции ПС для ШПУ применил Е.Г. Рудяк.

Продолжая свою работу, ОКБ-586 в 1956-1961 г.г. разработало двухступенчатую ракету Р-16, которая стала первой МБР, пригодной для массового развертывания в ШПУ, т.к.. В отличие от Р-7 имела меньшие габариты в диаметре за счет поперечного деления ступеней и заправлялась долгохранимыми компонентами топлива (НДМГ и АТ).

Модернизированное изделие Р-16У размещалось в ШПУ группового старта (3 в линию ПУ), которая имела глубину 45,6 м, внутренний диаметр стенок шахты 8,3 м и внутренний диаметр пускового стакана 4,64 м.

Установка бугелей на ракете и направляющих в ПС позволила в данной газодинамической схеме в сравнении с предыдущими убрать недостатки, связанные с возможным соударением ракеты со стенками шахты при выходе и повышенными требованиями к СУ ракетой.

Дальнейшая модификация этой ракеты Р-36, созданная на втором этапе развития СК СН, размещалась в ШПУ типа одиночный старт и имела более высокую защищенность

Величина зазора между стволом шахты и ТПК δ2 определяется только исходя из хода горизонтальной СА. Таким образом, диаметр ствола шахты в этой схеме меньше чем в предыдущих схемах.

Выход ракеты из ТПК осуществляется за счет создания в подракетном объеме поршневой силы газами ПАД, при этом опорно-обтюрирующий пояс герметизирует подракетный объем.
В подракетный объем газы поступают последовательно из одного или нескольких ПАД с размещенными в них зарядами, имеющими прогрессивную поверхность горения. В некоторых схемах минометного старта предусмотрены системы по вытеснению воздуха из начального подракетного объема с целью исключения взрывного догорания горючих компонентов пороховых газов (окись углерода и водород).

ШПУ для
МР УР-100

где η – коэффициент потерь;
рк – давление в подракетном объеме в ТПК;
dк – диаметр ТПК;
Lк – длина ТПК;
Rг – газовая постоянная продуктов сгорания ПАД;
Тг – температура продуктов сгорания ПАД.

Параметры Rг  и Тг  характеризуют энергетические свойства топлива применяемого в ПАД.

Чем более выскокоэнергитеческое топливо,
тем меньшая масса газа требуется для осуществления пуска и
тем меньший размер заряда необходим.
Таким образом минимизируются габариты ПАД.

Изделие устанавливается в ТПК с помощью кольцевых (или сегментных) поперечных опор и от продольного перемещения внутри ТПК удерживается системой продольных опор, расположенных в нижней части ТПК.

1 – кольцевой пояс; 2 – ТПК; 3 – толкатель; 4 – фторопластовые накладки;
5 – амортизатор; 6 - башмак

После выхода из ТПК поперечные опоры сбрасываются с изделия. Разрушение механической связи изделия с ТПК (продольных опор) при старте осуществляется с помощью подрыва пироболтов или УКЗ.

На наружной поверхности колец закреплены амортизаторы 5, взаимодействующие с внутренней поверхностью ТПК фторопластовыми накладками 4. Для исключения продольных перемещений каждое кольцо крепится упорами на корпусе изделия.
Каждое кольцо состоит из двух полуколец, соединенных между собой при помощи разрывных болтов. Поперечные опоры отбрасываются с изделия после его выхода из ТПК. Для сброса опор в местах разделения их на секции установлены пружинные толкатели 3, которые после срабатывания разрывных болтов расталкивают полукольца опор перпендикулярно к продольной оси изделия.

Недостатки схемы:
1) элементы вертикальной системы амортизации сильно нагружены в момент старта;
2) необходимо экспериментальное и теоретическое обоснование выбора высоты запуска ДУ.

Применение минометной схемы позволяет решить проблему приспосабливаемости ракеты к различным видам базирования и типам ПУ

Квазистационарный является основным, а автоколебательный возможен только при определенных сочетаниях взаимного расположения струи и ТПК

Экспериментальная отработка заключается в определении положений ракеты, при которых вероятно возникновение автоколебательных режимов взаимодействия.

Структура течения на этом режиме характеризуется:
- встречно-струйным течением;
- внутренним встречно-струйным течением в ТПК от его среза до области разворота газового потока (зона неравномерного распределения давления);
- слабовыраженным вихревым течением в области, ограниченной разворотом потока и днищем ТПК (изобарическая зона).

Наибольшее влияние из определяющих факторов на уровень нагружения ТПК оказывает отношение диаметров dтпк/dа. Наиболее опасный случай соответствует полному затеканию струи в ТПК в пределах первой УВК, при этом отношение диаметров составляет 1,3 .. 2,5.

При уменьшении значения dтпк/dа на определенном удалении от среза ТПК, когда точка отражения висячего скачка от оси струи расположена в области верхнего среза ТПК, квазистационарный режим взаимодействия становится неустойчивым и возникает автоколебательный режим. Наибольшая амплитуда колебаний давления внутри ТПК наблюдается при соосном расположении осей сопла и ТПК.

U - скорость газа;
Cs- скорость распространения волн сжатия относительно газа.

На рисунках показано колебание давления внутри ТПК при реализации автоколебательных режимов.

1) Дозвуковое течение эжектируемого потока в ПС;
2) Смешение сверхзвуковой струи и эжектируемого потока;
3) Разворот струйного течения на газоотражателе;
4) и 5) течение горячих газов в газоходе;
4) Выравнивание потока;
5) Одномерное течение;
6) Течение на газоповоротных решетках.

ПС подвергается в процессе старта силовому и тепловому воздействию, вызывающему термические напряжения и деформации со стороны струй и газов, движущихся в газоходах (теплообмен в ШПУ интенсивней чем при таких же начальных данных в неограниченном пространстве)

У верхнего среза ШПУ в зоне взаимодействия эжектируемого потока и газов, выходящих из газохода, происходит аэродинамическое воздействие на ракету, особенно опасное при повороте отводимых газов из газохода к ракете и частичное направление их в ствол ШПУ (так называемая «закольцовка»).

ГО подвергается интенсивному силовому и тепловому воздействию со стороны струй, а также эрозионному воздействию из-за влияния сил вязкости в струях. Бетонный ствол шахты также подвержен эрозии.

Основные факторы, влияющие на нагружение элементов конструкции:

Классификация струйных течений

- по форме сопла на плоские, осесимметричные и трехмерные;
- по роду рабочего тела на однофазные, двухфазные и многофазные;
- по величине энтальпии торможения и структуре внутренней энергии молекул рабочего газа на низкотемпературные (внутренняя энергия молекул состоит только из энергии поступательных и вращательных степеней свободы), высокотемпературные (возбуждены также колебательные степени свободы) и плазменные (существенен вклад энергии ионизации);
- по степени разреженности рабочего тела на плотные струи и струи разреженного газа;
- по зависимости параметров течения от времени на стационарные и нестационарные;
- по взаимодействию струи с окружающей средой и физическими объектами, находящимися в ней на свободные и импактные (струи, взаимодействующие с преградами).

Схема формирования ударной волны при движении поршня

Газодинамическая структура начального участка струи

Ркс = 7 ати

Ркс = 11 ати

Ркс = 36 ати

Явление эжекции возникает в результате вязких свойств газа и развивается на границе струи.

Вблизи кромки кольцевого зазора возникают циркуляционные (вихревые) зоны, из-за инерционных свойств реального газа

Этот процесс может быть проиллюстрирован эпюрой распределения скоростей эжектируемого потока в сечении А-А. Распределение скоростей неравномерное, поэтому в этой области течения происходит перераспределение энергии (кинетической, потенциальной и тепловой).

Ниже вихревой зоны эжектируемый поток становится турбулентным и неравномерность распределения скоростей быстро исчезает. Устанавливается так называемый «трубный профиль» (см.эпюру скоростей в сечении Б-Б), который можно подразделить на две части: турбулентное ядро и вязкий подслой.

«Трубный профиль», с достаточной для инженерной практики точностью, можно осреднить. пренебрегать изменением параметров в поперечных сечениях (трением о стенку) возможно только в гидравлически коротких каналах.

Тема 4.3: Смешение сверхзвуковой струи и эжектируемого потока

Структура сверхзвуковой струи, распространяющейся от момента запуска ДУ внутри ПС до момента выхода его на некоторый установившейся режим претерпевает изменения, связанные с изменением по времени нерасчетности.

n = 1,5

Недорасширенная одиночная струя (Ma=2, α=0)
при увеличивающейся с течением времени нерасчетности n = 1,5-5,2

Блочные струи

Блочные струи плотной компоновки (струи разных блоков взаимодействуют на начальном или газодинамическом участке)

расстояние между соплами и угол их разведения

Блочные струи разреженной компоновки (струи разных блоков взаимодействуют на основном участке или не взаимодействуют)

Общая картина физических процессов:
При истечении струй из нескольких сопел, при определенных режимах течения и геометрии соплового блока может происходить взаимодействие струй на начальном участке между собой - формируется составная струя.
Для таких струй, в отличие от свободных, характерны более сложная ударно-волновая картина течения вследствие ее пространственного характера, появление дополнительных ударных волн.
Взаимодействие струй на начальном участке может приводить к возникновению обратных течений, которые оказывают интенсивное силовое и тепловое воздействие на днище ракеты.

При рассмотрении геометрии блока важными параметрами являются расстояние между осями сопел ℓ и выступание сопел за днище ракеты h.

На рисунке обозначены:
1 и 4 – висячие скачки;
3, 6 и 7 – отраженные скачки;
2 – линия тангенциального разрыва;
5 – диск Маха.

На рисунке двухсопловая струя (M=3.54, α=8,2º n=0,69)
а) Расхождение сопел 1º; б) Сближение сопел 1º

а)

б)

а)

б)

в)

1) Режим эжекции (предпочтительный для шахтного старта), когда струи, истекающие из блока, не взаимодействуют на начальном участке. В этом случае происходит подсос воздуха из окружающей среды в донную область. Донное давление при этом меньше давления окружающей среды. Данный режим течения характерен для РКН «Протон» и «Ангара», т.к. диаметры блока достаточно большие.

3) Режим сильных обратных токов. Донное давление становится намного больше наружного и может наступить такой режим, когда течение в этой области и в частности донное давление не зависят от давления в окружающей среде. Газ, поступающий в донную область, уже не вовлекается в струйное течение, а растекается по днищу ракеты. Реализуется режим «запирания» донной области.

Для четырехсопловой компоновки режим «запирания» наступает
при ℓ / da < 1,5.

Тема 4.6: Разворот потока на газоотражателе (ГО)

Участок (3) - участок разворота потока в нижней части пускового стакана.

Газодинамические схемы ГО

Важная задача проектирования - достижение минимальных габаритов ГО при надежном, практически полный отводе газовой струи от кормовой части ракеты для создания условий минимального силового и теплового воздействия струй на ракету.

В ШПУ газы отводятся в газоотводящий тракт (газоход).
Расположение технологического оборудования вблизи ГО может вызывать появление местных отраженных струйных течений и обратных токов.
Когда из-за габаритов не удается обеспечить полный отвод газов, наличие даже незначительного избыточного давления (0,1 - 0,2 ати) на днище ракеты вызывает необходимость проведения расчетов элементов днища на силовое и тепловое воздействие газовых струй.

Наиболее распространенными по конструкции являются ГО с плоскими гранями расположенными под углом к оси струи и переходящими в цилиндрическую поверхность.

На рис. двускатный и шестискатный газоотражатели

Замена плоской грани конической поверхностью усложняет технологию изготовления и не дает преимуществ по газодинамическим характеристикам ГО

Наиболее выгодно с точки зрения габаритов использование многоскатных ГО с числом граней, равным числу сопел. В этом случае габариты ГО минимальны.

Малогабаритым является также грибковый ГО.

Однако отражение от сложной поверхности в переходный период установления струйного течения от нестационарного к стационарному режиму может вызвать локальное повышение теплового и силового воздействия на элементы корпуса ракеты и днище.

На характер взаимодействия струи с ГО и величину избыточного давления на днище ракеты оказывают влияние следующие геометрические параметры:
α - угол наклона грани отражателя или
полуугол при вершине;
β - угол встречи струи с преградой;
L - длина прямолинейного клиновидного
участка;
R - радиус кривизны закругления у
основания;
H - расстояние от среза сопел до
точки встречи струи с ГО.

В результате взаимодействия струи с поверхностью ГО возможен неполный отвод струй от днища ракеты. Определяющим параметром является угол β.

Особенно сложный характер взаимодействия с днищем оказывается в случае, если струи блочные.
Примером возвратных течений к днищу может служить схема течения из шестисоплового блока на двускатный ГО малых габаритов.
В центре днища при этом возникает избыточное давление, а горячие газы растекаются в зазорах между соплами. Возникает режим, аналогичный режиму донного давления с запиранием потока.

Величина избыточного давления уменьшается с:
- уменьшением полуугла α при вершине ГО;
- увеличением высоты ГО;
- увеличением расстояния до среза сопел.

а)

б)

б) с отошедшим скачком. При этом и силовые и тепловые нагрузки выше. Реализуется в конце ударноволнового участка (при подъеме РКН) – там падает число M, а также в случае, если ГО расположен в зоне отрицательной радиальной скорости.

Параметры струи - da= 1.43 м, М=3,5. ГО высотой 0,7м.

H=3,0 м

H=6,0 м

n = 0,65

n = 0,55

Поперечный размер (диаметр) ГО должен быть существенно больше диаметра струи – иначе при запуске РД на РКН также будут действовать отраженные волны.

Тема 4.7: Течение внутри газоотводящих каналов

Общая характеристика теплового воздействия на газоход

Вследствие турбулентности течения и большой разницы температуры газа и стенок возникает неравномерность нагрева элементов конструкции и оплавление.
Возникают термодеформации металлических конструкций и растрескивание бетонных конструкций.

Поскольку ствол шахты выполнен из бетона, который имеет сравнительно низкую температуру плавления (максимальная величина температуры поверхности бетона обычных строительных марок, установленная экспериментальным путем, при которой начинается плавление, составляет 1300 ОС), то происходит его интенсивный эрозионный унос.
Толщина унесенного за один пуск слоя при величине теплового потока q = 1500 ккал/м2·с равна, примерно, 3 мм.

Области максимального нагрева грани ГО расположены на оси струи и на закруглении грани при переходе в цилиндрический участок

Размер зоны теплового воздействия под соплом примерно равен площади проекции выходного сечения сопла ДУ на грань. В случае многосопловой компоновки, при которой может происходить взаимодействие струй соседних двигателей, в местах взаимодействия струй между собой нагрузки будут больше.

Общая характеристика теплового воздействия на газоотражатель

При использовании легкоплавких материалов для ГО (бетон, алюминиевые сплавы) в месте натекания струи на ГО образуется подковообразная канавка оплавления со смещением чуть выше оси струи.

Для условий теплового воздействия, при которых интенсивный тепловой поток действует короткое время, величина эрозионного уноса металла практически не зависит от толщины пластины, если ее толщина лежит в диапазоне δ = 6 .. 16 мм. Это связано с тем, что достаточно тонкие листы при таких толщинах успевают прогреться до высокой температуры даже за короткое время воздействия, а средняя температура листа, таким образом, оказывается около температуры плавления. С увеличением толщины листа до δ = 30 мм уменьшается средняя температура стенки, что позволяет уменьшить эрозионный унос.

С увеличением длительности теплового воздействия, даже при уменьшении теплового потока, влияние толщины стенки на параметры прогрева становится определяющим.