Ракеты-носители и их устройство
По направлению подготовки
Экономика и управление на предприятии
Утверждено
на заседании кафедры
«___»____________ 20г.
Москва – 2005 г.
Основные обозначения
БР - БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ РАКЕТА
ИСЗ - ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ
КК - КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ
КА - КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
ГЧ - ГОЛОВНАЯ ЧАСТЬ
ПО - ПРИБОРНЫЙ ОТСЕК (ПО)
СУ - СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ДУ - ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ЖРД - ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
РН – РАКЕТА-НОСИТЕЛЬ
1. Целью выполнения лабораторной работы является: закрепление знаний, полученных при изучении лекционного материала, посвященного изучению испытаний ракетно-космической техники.
Изучить компоновку ракеты, размещение её основных отсеков, агрегатов, систем. Изучить конструкцию головной части, требования, предъявляемые к ее аэродинамическим характеристикам.
Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен внимательно изучить теорию, изложенную в лекционном материале.
При выполнении работы первоначально надо разобраться в принципе реактивного движения, а затем перейти к изучению конструкции РН и особенностей технических решений отдельных составных частей РН.
Студент должен уметь разбираться в функциональном назначении отдельных составных частей РН, в их конструктивных проработках, в преимуществах и недостатках технических решений при создании РН.
Теория и методические указания
Ракеты-носители и их устройство
Современная ракета - носитель представляет собой многоступенчатую баллистическую ракету (БР), предназначенную для выведения в космос полезного груза, например, различных искусственных спутников земли (ИСЗ) космических кораблей (КК), обитаемых орбитальных станций, имеющих общее название – космические аппараты (КА). Конструктивные схемы ракет-носителей, баллистических ракет в каждом конкретном случае зависят от назначения ракеты, вида топлива, типа двигателей и конструкции головных частей (агрегатов, отсеков, систем). Взаимное размещение составных частей ракеты может быть различным.
Каждая ступень ракеты состоит из корпуса, топливного отсека с запасом топлива, двигательной установки, систем подачи топлива, органов управления, аппаратуры управления и элементов конструкции и оборудования (систем разделения ступеней, переходников, хвостовиков и т.п.).
Последняя ступень ракеты несет полезный груз определенного назначения.
Конструкция ракеты работает в очень напряженных условиях. Она должна выдерживать не только статические, но и динамические нагрузки, включая вибрационные, основным источником которых являются ракетные двигатели. Корпус соединяет все части ракеты в единую конструкцию. С точки зрения строительной механики он представляет собой сравнительно тонкостенную оболочку (обшивку), подкрепленную изнутри стрингерами и шпангоутами.
В полете корпус ракеты испытывает аэродинамические нагрузки (только при полете в атмосфере) и силу тяги двигателя. Эти нагрузки уравновешиваются силой тяжести и силами инерции. Аэродинамические силы появляются на поверхности корпуса ракеты при обтекании его потоком воздуха.
Сила тяги двигателя направлена вдоль оси ракеты. Точками ее приложения являются узлы крепления двигателя к корпусу.
Обшивка придает корпусу обтекаемую форму. Она воспринимает местные аэродинамические нагрузки, передавая их на стрингеры и шпангоуты в виде нормальных сил. При этом она работает на поперечный изгиб и растяжение.
Стрингеры – это продольные элементы конструкции. Они вместе с обшивкой воспринимают изгибающие моменты и осевые нагрузки, действующие на корпус.
Помимо осевых усилий стрингеры испытывают поперечные нагрузки.
Опорами для стрингеров являются шпангоуты, которые представляют собой тонкостенные кольца определенного сечения, обеспечивающие форму поперечного сечения ракеты. Шпангоуты воспринимают радиальные усилия и придают конструкции необходимую жесткость.
По длине корпус разбит на отсеки, название которых определяется расположенными в них элементами ракеты: отсек полезного груза, приборный отсек, топливный, отсек двигательной установки и др.
Отсек полезного груза, как правило, прикрыт головным обтекателем, который предохраняет полезный груз, а иногда и последнюю ступень ракеты, от аэродинамического и теплового воздействия при движении ракеты в плотных слоях атмосферы с большими скоростями. После выхода за пределы атмосферы головной обтекатель сбрасывается механизмом отделения.
Отсеки корпуса соединяются стыковочными узлами. Они обеспечивают заданную геометрическую форму изделия после сборки, передают усилия от одного отсека к другому и в значительной мере определяют технологические и эксплуатационные качества ракеты.
На внутренней поверхности корпуса имеются устройства для крепления аппаратуры. На наружной – для крепления стабилизаторов и других элементов ракеты. Первая ступень ракеты в хвостовом отсеке, помимо двигателя и части приборов системы управления, имеет силовые элементы для установки ракеты на пусковом столе.
Корпус ракеты часто выполняет роль стенок баков для компонентов топлива, образуя так называемые "несущие баки", т. е. такие баки, которые принимают на себя все возникающие в полете нагрузки. Создавая в несущих баках определенное давление (наддув), обеспечивают работу их обшивки на растяжение, т.е. в условиях, наиболее благоприятных для тонких оболочек. В результате появляется возможность создавать тонкостенные топливные баки большого объема с большой прочностью и жесткостью, воспринимающие продольные сжимающие силы и изгибающие моменты, действующие на корпус ракеты в полете. Подобная конструкция значительно снижает массу ракеты.
Баки занимают около 3/5 длины ракеты, а компоненты топлива, помещенные в них, составляют 90% и более полной массы ракеты. Для достижения больших скоростей полета РН делают составными (многоступенчатыми). Ступени соединяют между собой такими узлами, которые обеспечивают их отделение в полете.
После использования топлива работающей ступени и выключения ее двигательной установки топливные баки могут быть отброшены, и масса оставшейся части ракеты уменьшается. При этом ей может быть сообщена большая скорость по сравнению со скоростью одноступенчатой ракеты той же начальной массы при одинаковом запасе топлива и массе полезного груза.
В ракетах с последовательным расположением ступеней последние могут соединяться с помощью переходников, имеющих разрывные болты или быстродействующею замки. Если диаметры ступеней различны, то переходник имеет коническую форму. При одинаковом диаметре ступеней используются цилиндрические переходники.
В составных ракетах имеется специальная система разделения ступеней, в основу которой положено два способа разделения: огневой (горячее разделение) и торможение корпуса нижней ступени (холодное разделение).
При огневом разделении верхняя ступень разгоняется двигателем, а нижняя в это время тормозится продуктами сгорания двигателя верхней ступени. В этом случае переходник первой ступени изготавливается в виде открытой фермы или имеет специальные окна для выхода продуктов сгорания, т. к. двигатель второй ступени запускается раньше, чем разрушаются разрывные болты или раскрываются замки.
Для защиты переднего бака нижней ступени от высоко нагретых продуктов сгорания двигателя верхней ступени на днище бака наносится термозащитное покрытие.
При втором способе разделения корпус нижней ступени тормозится специальными пороховыми двигателями.
РН запускаются вертикально, т. к. вертикальный старт упрощает проектирование и изготовление пускового устройства, которое удерживает РН перед стартом и во время выведения двигателя на необходимый режим работы с помощью одних только опор хвостовой части ракеты.