CC BY
117
УДК 629.7.085: 629.764.7
В. А. Зверев, А. Ю. Украинский
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ОТВОДА КОНСТРУКЦИЙ СТАРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ "СОЮЗ" ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ГИДРОБУФЕРОВ ТОРМОЖЕНИЯ
Рассмотрены основы методики расчетного анализа динамики отвода и торможения подвижных конструкций агрегатов стартовых комплексов для космических ракет-носителей. Необходимость проведения подобного анализа обусловлена тем, что от параметров отвода зависит безопасность пуска ракет-носителей, кроме того, выбор способа торможения во многом влияет на долговечность и надежность эксплуатации отводимого элемента конструкции стартового оборудования.
E-mail: sm8@sm8.bmstu.ru
Ключевые слова: стартовый комплекс, ракета-носитель, динамика отвода, гидробуфер, сила торможения, подвижный элемент, безударный отвод, уравнение движения.
Ракеты-носители (РН) серии "Союз" успешно эксплуатируются с 1963 г. В настоящее время они являются самым надежным и эффективным средством выведения на околоземную орбиту автоматических космических аппаратов социально-экономического, научно-исследовательского, специального назначения, а также пилотируемых и грузовых космических кораблей. Ракеты-носители серии "Союз" на ближайшее десятилетие будут базовыми в российской системе средств выведения, а также будут занимать важное место в программах международного сотрудничества в области космоса.
Длительная успешная эксплуатация РН серии "Союз" во многом связана со стартовым комплексом (СК) и, в частности, с его стартовой системой (СС). Компоновка СС, конструктивные и технические решения, заложенные в ее агрегатах, во многом позволили СК успешно функционировать в течение 50 лет. Однако модернизации РН "Союз", особенности месторасположения будущих космодромов, стремление наиболее полно обеспечить безопасность пуска РН при возникновении различных нештатных ситуаций предполагают определенные изменения в агрегатах и элементах СС. Одна из задач при модернизации пусковых устройств (ПУ) заключается в необходимости обеспечения надежного безударного отвода ее подвижных элементов (опорных ферм, кабельных и кабель-заправочных мачт (КЗМ)), отводимых либо в момент старта ракеты, либо незадолго до старта.
На рис. 1 приведен пример подвижной конструкции — КЗМ СК для РН серии "Союз". Отвод (поворот) подвижной части мачты
Рис.1. Схема КЗМ для РН серии "Союз":
1 — противовесы; 2 — гидробуферы торможения; 3 — оси поворота; 4 — подвижная часть КЗМ
осуществляется под действием противовесов, а торможение — при помощи гидробуферов.
Динамика отвода КЗМ во многом зависит от типа гидробуферов торможения и характера их работы.
Рассмотрим два расчетных случая.
1. Торможение гидробуфером начинается при определенном угле отвода мачты (что соответствует схеме торможения КЗМ СС РН "Союз", существующей на сегодняшний день (рис. 2, а)).
2. Торможение гидробуфером начинается с самого начала отвода мачты (что соответствует схеме торможения КЗМ СС РН "Союз-СТ", создаваемой в Гвианском космическом центре (рис.2, б)).
В расчетных схемах КЗМ представляется жестким телом с соответствующими массой, координатами центра тяжести и моментом инерции, приведенным к оси поворота.
Уравнение движения КЗМ можно представить в следующем виде:
Зу" = От с со$>(ас + у)+ + Wтw siп(aw + у) - пи (Яр и + ЯвРв),
где З — приведенный момент инерции системы; у, у" — угловые перемещение и ускорение КЗМ; О — масса мачты; W — ветровая нагрузка, приведенная к центру ветрового давления; Я — сила торможения гидробуфера; ЯВ — сила торможения эквивалентного буфера (гипотетического буфера с жесткостью, эквивалентной жесткости, воспринимающей мачту с самого начала отвода мачты); тс, ^ — радиусы-векторы соответственно центров тяжести и ветрового давления относительно оси поворота мачты; ас, aw — углы, определяющие начальное положение центров тяжести мачты и ветрового давления относительно вертикальной оси координат; пи — число параллельно работающих гидробуферов; ри, рв — плечи сил, развиваемых гидро- и эквивалентным буфером, относительно оси поворота мачты.
В общем виде аэродинамическую силу W можно вычислить по формуле
W = 0,5рСх(у^ы(у)(уfтw ып^ + у) ± V)2,
где V — расчетная средняя скорость ветра в центре давления (в точке приложения силы W); р — расчетная плотность воздуха; СХ (у) —
Рис.2. Расчетная схема для случая, когда торможение КЗМ гидробуфером начинается при определенном угле отвода мачты (а) и с самого начала отвода мачты (б)
коэффициент аэродинамического сопротивления; Гм(ф) — площади миделева сечения.
Знак аэродинамической силы Ш определяется знаком выражения (ф+ ф) ± V). Приближенно примем, что
Сх Шм (ф) = СХ ^ 8т(а^ + ф),
где ГХ — наветренная площадь некоторого эквивалентного тела, имеющего постоянный коэффициент аэродинамического сопротивления Сх.
Следует отметить, что упрощенная оценка силы Ш допустима, так как ее вклад в сравнении с другими силами относительно мал. Таким образом, сила Ш может быть вычислена по следующей формуле:
Ш = 0,5рСХГХ + ф) • (фтщ + ф) ± V)2.
Для определения силы торможения гидробуфера рассмотрим его схему, представленную на рис. 3. Шток с поршнем, имеющим эквивалентную площадь , скользит внутри гидроцилиндра, снабженного кольцевой диафрагмой (очком). При движении цилиндра относительно
штока со скоростью Ык жидкость из напорной полости через кольцевой зазор в диафрагме перетекает в полость, где имеется нормальное атмосферное давление. Поскольку сечение штока переменное по длине, то площадь кольцевого канала /к в диафрагме тоже переменная и зависит от хода Ня.
Сила сопротивления гидробуфера Я зависит от давления жидкости в напорной полости гидроцилиндра и эквивалентной площади поршня Гк. Давление жидкости в напорной полости определяется гидродинамическими условиями перетечки жидкости в кольцевом канале.
Силу сопротивления гидробуфера Я можно определить по формуле
R = 0,5рж hR У fR,
где рж — плотность рабочей жидкости гидробу-
Рис. 3. Схема гидробу- фера; £ — коэффициент сопротивления расходу
фера: жидкости в кольцевом зазоре. Площадь кольце-
1 — корпус; 2 — кольцевая диафрагма- 3 — вого канала можно найти по выражению
поршень
fR = П
D2 - d2 (hR)
где Б — внутренний диаметр диафрагмы (очка); ¿(Кк) — текущий диаметр штока (веретена), образующий текущую площадь кольцевого зазора (зависимость ¿(Кк) может быть задана некоторым графиком). Ход штока гидробуфера вычисляем по формуле
Ьк(ф) = 1я - 1я0,
где 1Ко и 1к — начальная и текущая длина гидробуфера.
Выражение для вычисления текущей длины гидробуфера имеет
вид _
1к = у/(х4 - Хз)2 + (У4 - Уз)2,
где х3, у3 и х4, у4 — координаты нижней и верхней точек гидробуфера (см. рис. 2).
Координаты х4, у4 можно определить по формулам:
Х4 = тк ео8(ак + ф - фК), у4 = тк ат(ак + ф - фК),
где тк — радиус-вектор верхней точки гидробуфера относительно оси поворота мачты; ак — угол, определяющий начальное положение верхней точки гидробуфера относительно вертикальной оси координат;
4
у°е — угол поворота мачты до начала торможения (до встречи с буфером).
Относительную скорость штока Ь!и можно определить по известной угловой скорости вращения стрелы следующим образом:
где Ь — текущий полупериметр треугольника, образованного началом координат, верхней и нижней точками гидробуфера; т3 — расстояние от оси поворота мачты до нижней точки гидробуфера.
Если конструкция гидробуфера предполагает наличие возвратной пружины, то общее усилие, развиваемое буфером, можно определить по выражению
где Си — жесткость возвратной пружины гидробуфера.
Поскольку эквивалентный буфер работает в самом конце отвода мачты, его можно смоделировать малодеформируемой пружиной соответствующей жесткости.
Пусть моменту начала работы эквивалентного буфера соответствует определенный ход штока гидробуфера кив. Тогда, учитывая малые перемещения всех элементов системы в самом конце отвода, можно записать выражение для силы эквивалентного буфера следующим образом:
где Св — жесткость эквивалентного буфера.
В силу малых деформаций эквивалентного буфера плечо рв можно принять постоянным.
С использованием полученных зависимостей для рассматриваемых расчетных случаев были определены параметры движения модели подвижной части КЗМ как жесткого целого при действии сил веса, ветровых нагрузок различного направления, а также реакций со стороны гидробуферов торможения. Кроме параметров движения мачты в рамках расчета были получены параметры давления в гидробуферах торможения. На рис. 4 в качестве примеров результатов расчета показаны графики изменения давлений для рассматриваемых расчетных случаев — торможение начинается при определенном угле отвода мачты и торможение гидробуфером начинается с самого начала отвода.
Приведенные результаты показывают, что при втором способе торможения мачты в гидробуфере максимальное давление меньше. Кроме
Ыв = у'ри. Плечо силы гидробуфера вычисляем как
R
RB — CB (hR — hRß)-,
PR
О 123456789 10 11 t, с 0 2 4 6 8 10 12 t, с а б
Рис. 4. Результаты расчета и изменения давления в гидробуфере при торможении КЗМ гидробуфером при определенном угле отвода мачты (а) и с самого начала отвода мачты (б)
того, общий характер изменения давления более плавный. Эти обстоятельства делают вариант торможения мачты с самого начала ее отвода более предпочтительным в плане обеспечения надежного безударного отвода КЗМ от РН.
В целом представленный подход исследования динамики отвода подвижных элементов стартовой системы для РН позволяет получить необходимые параметры их движения, а также выбрать тип гидробуфера торможения и характер его работы. Кроме того, полученные результаты можно использовать для расчета инерционных нагрузок на подвижные элементы СС в целях проведения их прочностного расчета, что в итоге позволяет решить задачу комплексного расчета отводимого агрегата и системы торможения.
Статья поступила в редакцию 21.12.2009
