Формы аэродинамических обводов головных частей
Лабораторная работа № 2 по РКТ
Что непонятно по ходу ЛР – помечайте себе где-нибудь и потом в начале пары задавайте мне вопросы либо пишите в контакте. ОЛПрусова
КОНСТРУКЦИЯ ГОЛОВНОГО БЛОКА (ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ) РАКЕТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
В верхней части ракетного летательного аппарата располагается полезный груз. В качестве полезного груза могут быть старшая ступень у составных ракет, отсек оборудования, космический корабль, искусственный спутник, контейнер с научной аппаратурой, боевой груз и т.д.
Для защиты полезного груза от воздействий окружающей среды и внешних нагрузок, а также для придания обтекаемых аэродинамических форм предназначен элемент, получивший название по месту расположения - головной обтекатель.
Таким образом, верхняя часть ракеты с размещенным в ней полезным грузом будет называться головной частью (для моноблочной одноступенчатой ракеты легкого класса) или головным отсеком (для крупногабаритных ракет более тяжелого класса), или головным блоком (для полиблочных многоступенчатых ракетных летательных аппаратов.
Головной блок ракетного летательного аппарата является в основном автономной структурной единицей, состав которой меняется в зависимости от решаемой задачи и практически не влияет на комплектацию ракетных блоков летательного аппарата.
Основные требования к конструкции головных частей
Головная часть является основным элементом конструкции, определяющим эффективность, стартовую массу и габаритные размеры ракетного летательного аппарата. Несмотря на всё разнообразие конструкции ГЧ, они должны удовлетворять следующим общим требованиям.
1. Достаточно высокая прочность при воздействии знакопеременных нагрузок как на активном, так и на пассивном участках полета;
2. Большая теплостойкость (температура приграничного слоя может достигать 12 000 °С);
3. Оптимальное размещение полезного груза заданных форм и габаритов, а также простота внешних обводов;
4. Обеспечение условий требуемой теплозащиты при минимальном коэффициенте силы лобового сопротивления;
5. Наименьшая площадь внешней поверхности при максимальном объеме и заданной форме полезного груза;
6. Высокая надежность решения поставленной задачи;
7. Минимизация массы конструкции головной части, что позволяет увеличить массу полезного груза;
8. Простота и удобство установки и монтажа полезного груза;
9. Обеспечение необходимой температуры и давления в отсеке с полезным грузом;
10. Удобство стыковки головной части с корпусом ракетного летательного аппарата;
11. Простота и технологичность изготовления головной части;
12. Обеспечение минимального рассеивания параметров выведения полезного груза в заданную точку;
13. Обеспечение устойчивости движения ракеты на атмосферном участке траектории полета при минимальном запасе статической устойчивости конструкции ГЧ.
Формы аэродинамических обводов головных частей
Основными формами корпуса головной части могут быть конические, конические со скругленным наконечником, конические со сферическим притуплением и коническим стабилизатором, конические со сферическим притуплением и расширяющимся коническим стабилизатором, двухконусные, цилиндроконические, цилиндроконические со сферическим притуплением наконечника и коническим стабилизатором и оживальной (рис. 3.1).
При выборе формы корпуса головной части обычно учитывают следующие критерии. Во-первых, объем головной части при определенном удлинении 
.Во-вторых, аэродинамическое сопротивление и нагрев. В-третьих, технологичность и стоимость конструкции. В-четвертых, для боевых ракет вероятность обнаружения радиолокационными установками систем противоракетной обороны (ПРО).
Для размещения большого объема полезного груза наилучшей формой корпуса является оживальная (рис. 3.1з). Коническая (рис. 3.1а) и цилиндрическая формы в этом отношении менее удачны.
С точки зрения аэродинамического нагрева наиболее благоприятной формой является коническая со скругленным наконечником (рис. 3.1б) и цилиндроконическая (рис. 3.1). Количество тепла, поглощаемое единицей поверхности головной части при движении в плотных слоях атмосферы, в значительной степени определяется баллистическим коэффициентом, который зависит от формы корпуса и угла атаки. Известно, что перед снижающейся головной частью образуется ударная волна, за которой происходит образование плазмы (ионизированного воздуха), сопровождающееся повышением давления и температуры. Перед притуплённым наконечником головной части конической (рис. 3.1б – д) или цилиндроконической (рис. 3.1) формы образуется мощная ударная волна, приводящая к рассеянию значительного количества тепловой энергии в окружающем пространстве. Вследствие скругления увеличивается также поверхность головной части, через которую отводится тепло внутрь теплозащитного покрытия. Коническая головная часть (рис. 3.1а) в этом отношении наименее благоприятна, поскольку вершина корпуса является точкой полного торможения и носовой конус сильно нагревается. Цилиндроконическая форма (рис. 3.1ж) со сферическим наконечником обладает также существенными преимуществами по массе, запасу статической устойчивости и габаритам по сравнению с конической формой (рис. 3.1а и б). С точки зрения аэродинамического сопротивления наиболее рациональными являются оживальная (рис.3.1з) и коническая (рис.3.1а, б и в) формы корпуса.
Радиоотражательная способность головной части, что важно для боевых ракет, зависит от ее размеров, конфигурации и материалов корпуса. Наименьшие размеры имеет цилиндроконическая (рис. 3.1е и ж) форма. Однако интенсивная ударная волна перед скруглением головной части и след ионизированного воздуха, возникающие при движении в плотных слоях атмосферы, являются серьезными демаскирующими факторами для радиолокационных станций (РЛС) противника. Поэтому наиболее рационально применение конической формы головной части с расширяющимся коническим стабилизатором (рис. 3.1 г) для ракет малого класса и двухконусной (рис. 3.1 д) для более крупных ракет.
Головная часть оживальной формы (рис. 3.1з) создает значительно менее интенсивную ударную волну. Для радиолокационной маскировки при изготовлении корпуса головной части боевых ракет используются специальные материалы, пропускающие или поглощающие излучения РЛС и оставляющие слабый ионизированный след. Именно поэтому на боевых ракетах "Поларис-A3" и "Минитмен-3", используются головные части с оживальной формой корпуса.
Форма и размеры корпуса головной части ракеты, для которой полезным грузом являются искусственный спутник Земли, автоматическая межпланетная станция или другой КА, определяются прежде всего габаритными размерами, и формой полезного груза. При этом форма корпуса головной части (головного обтекателя) вблизи стыка с ракетным блоком ракеты-носителя (рис. 3.2) зависит от соотношения диаметров головного обтекателя (корпуса головной части) и используемого ракетного блока ракеты-носителя.
Корпус головной части ракеты-носителя "Восток" (рис. 3.2а), который был предназначен для размещения первых ИСЗ, а также пилотируемых космических кораблей "Восток" и "Восход", имел двухконусно-цилиндрическую со скругленным наконечником и сужающейся юбкой форму.
Корпус головной части ракеты-носителя (рис. 3.2б), предназначенный для размещения космических кораблей "Союз", имеет цилиндроконическую с сужающейся юбкой форму.
Корпус головной части ракеты-носителя (рис. 3.2в), предназначенный для размещения ИСЗ серии "Космос" и "Интеркосмос", имеет цилиндроконическую форму со скругленным наконечником.
Корпус головной части ракеты-носителя "Атлас-Аджена" (рис. 3.2г), предназначенный для размещения КА "Рейнджер" и "Маринер", имеет двухконусно-цилиндрическую со сферическим наконечником и сужающейся конической юбкой форму.
Корпус головной части ракеты-носителя (рис. 3. 2д), предназначенный для размещения спутников серии "Дискаверер", имеет цилиндроконическую со скругленным наконечником и коническим стабилизатором форму.
Корпус головной части ракеты-носителя "Титан-3С" (рис. 3.2е), предназначенный для размещения тяжелых спутников серии "Нимбус" и станций, имеет цилиндроконическую со скругленным наконечником форму.