CC BY
35
Kornev Oleg Anatol'yevich, candidate of technical sciences, lead research engineer, kornevolegtula@yandex.ru, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A.Shipunov»,
Platonov Anton Aleksandrovich, postgraduate, platona@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Schmidt Evgeny Aleksandrovich, postgraduate, smidt@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 623.467
ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ РАКЕТЫ НА ОПТИЧЕСКИЙ БЛОК ПУСКОВОЙ УСТАНОВКИ
Н.С. Колобаев, Ю.А. Кривицкая
Проведена оценка влияния струи продуктов сгорания на оптический блок пусковой установки при функционировании стартового двигателя противотанковой ракеты. С помощью численного моделирования в программных комплексах FloEFD и SolidWorks Simulation получены результаты газодинамического и прочностного расчетов. Определены пути доработки, исключающие возможные дефекты в работе блока.
Ключевые слова: оптический блок (ОБ), стартовый двигатель (СД), избыточное давление (ИД).
Начало работы СД противотанковой ракеты сопровождается скачкообразным и высокоинтенсивным изменением параметров в области стартовой позиции. В результате те блоки, которые находятся в зоне истечения продуктов сгорания подвергаются существенному газодинамическому влиянию.
Крышка прибора ОБ (рис. 1, б) была спроектирована без проведения расчетов воздействующих на нее газодинамических сил и без расчета ее прочности. В результате, избыточную прочность имеет пластина крышки (запас прочности п ~ 24). Проушина рамки на корпусе прибора и ось имеют недостаточную прочность.
С целью обеспечения стойкости ОБ и его надежного функционирования было проведено численное моделирование воздействия газовой струи на его корпус, стекла и крышки. Схема моделирования представлена на рис. 1, а. Начальные условия: p^ = 1 атм, Гнач = + 60 °С, угол установки транспортно-пускового контейнера (ТПК) 12,5°.
Далее на рис. 2 - 4 приведены результаты моделирования в виде полей распределения параметров в сечениях струи и по поверхности ОБ и его крышек.
Рис. 1. Расчетная схема (а) и исследуемые элементы ОБ (б): 1 - ТПК; 2 - оптический блок; 3 - расчетная область; 4 - крышка 1; 5 - стекла 1; 6 - стекла 2; 7 - крышка 2
Рис. 2. Поля распределения давления (сечение сверху) в моменты времени: а - * = 0 мс; б - * = 19,1 мс; в - * = 25,1 мс
438
Для получения данных о распределении термодинамических параметров газовой струи были рассмотрены 3 момента времени, которые соответствуют:
- начальному положению СД в ТПК ^ = 0 мс, рис. 2, а);
- положению, близкому к середине ТПК ^ = 19,1 мс, рис. 2, б);
- положению СД перед вылетом ракеты из ТПК ^ = 25,1 мс, рис. 2, в).
Рис. 3. Распределение температуры по корпусу ОБ и его крышкам в моменты времени * = 0 мс (а); * = 19,1 мс (б); * = 25,1 мс (в)
В соответствии с результатами моделирования (рис. 3) максимальные значения температуры продуктов сгорания на поверхностях ОБ соответствует моменту времени 1 = 19,1 мс:
439
- температура продуктов сгорания на поверхности корпуса ОБ достигает 2355 °С;
- температура продуктов сгорания на поверхности стекол ОБ -2017 °С;
- температура продуктов сгорания на поверхности крышек -2200 °С.
Рис. 4. Распределение давления по корпусу ОБ и его раскрытым крышкам в моменты времени * = 0 мс (а); * = 19,1 мс (б); * = 25,1 мс (в)
На рис. 4 приведено распределение статического давления по поверхности корпуса ОБ и его составных частей. Максимальное избыточное давление (разница статического давления и атмосферного), действующее на рассматриваемые элементы:
440
- на корпусе ОБ составляет 3,46 кгс/см2 (1 = 25,1 мс);
- на поверхности стекол ОБ - 0,67 кгс/см2 (1 = 19,1 мс);
- на поверхности левой крышки - 2,16 кгс/см2 (1 = 3,4 мс). Графики изменения среднеинтегральных значений избыточного
давления во времени на поверхности корпуса ОБ, его стекол и крышек представлены на рис. 5. Графики измения среднеинтегральных значений температуры продуктов сгорания на тех же поверхностях представлены на рис. 6.
75000 ф го 60000 | ф 45000 2 | 30000 « | 15000 * 0
^ 4 ................. \
«к \
Ризб корпус Ризб стекла 1 Ризб стекла 2 Ризб крышка 1 Ризб крышка 2
п: s
S. Я
^ о
а ь £ §
.а)
> о
CL с
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 Время, мс Рис. 5. Изменение во времени среднеинтегральных значений распределения избыточного давления по рассматриваемым
поверхностям
2350 2150 1950 1750 Р 1550 1350 1150 950 750
г**
« « mm nnn РКтт ч
• • V
*
_
Тизб корпус Тизб стекла 1 Тизб стекла 2 Тизб крышка 1 Тизб крышка 2
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 Время, мс Рис. 6. Изменение во времени среднеинтегральных значений температуры на рассматриваемых поверхностях
В таблице обощены результаты проведенного расчета.
Основные значения параметров воздействия
~ —-—^^^^^ Элемент Имя параметра ~ -——^^ Корпус ОБ Стекла 1 ОБ Стекла 2 ОБ Крышка 1 ОБ Крышка 2 ОБ
Max статическое давление [Па] 107970 37473 70362 154590 70498
Max избыточное давление [Па] 6670 63827 30938 53290 30803
Max температура продуктов сгорания [°C] 1983 2162 1575 2148 2054
Max сила, Y [Н] 4216 - - 1669 990
Max сила в направлении оси y, Fy [Н] - - - 1433 851
Изгибающий момент, Mz [Н-м] - - - 3772 2444
Примечание: значения всех параметров, приведенных в таблице являются среднеинтегральными по рассматриваемым поверхностям.
441
На основании результатов газодинамических расчетов проводился расчет напряженно-деформированного состояния ОБ в програмном комплексе SolidWorks Simulation.
Конструкция проушин крышки ОБ прочнее конструкции проушин на рамке корпуса более чем в 3 раза. Момент сопротивления в сечении 1-1 равен 47,44 мм3, а в сечении 2-2 - 14,67 мм3 (рис. 7). Конструкция проушины на рамке имеет недостаточную прочность.
ъ
Рис. 7. Конструкция проушины крышки (а) и рамки (б) ОБ
В раскрытом положении, согласно компьютерной модели, крышка опирается на кожух ОБ по плоскости АВ (рис. 8, а). В случае такого опи-рания на проушину корпуса ОБ действует сила 288 кгс.
В зависимости от допусков на размеры крышки и проушин прибора, фактический контакт крышки и корпуса может происходить по линиям А или В (рис. 8, б, в), при этом максимум контактных сил будет смещен по ширине к левой проушине крышки, так как давление газов от стартового двигателя максимально у левого края крышки.
В случае опирания крышки на кожух ОБ по линии А, получим силу 630 кгс. Эта сила действует в поперечном направлении на проушины корпуса ОБ.
В случае опирания крышки ребром В, сила, действующая на проушину рамки прибора, составляет 178 кгс.
На рис. 9 показана расчетная схема нагружения прибора.
Максимальное избыточное давление на левую крышку прибора реализуется при времени t = 3,4 мс от начала работы стартового двигателя противотанковой ракеты. Это давление достигает величины pmax = 2,16 кгс/см2.
а б е
Рис. 8. Схема вариантов опирания крышки на кожух прибора ОБ
Максимальное избыточное давление, действующее на корпусе ОБ, составляет 3,46 кгс/см2 в момент времени t = 25,1 мс.
На поверхности левого стекла ОБ максимальное избыточное давление составляет 0,67 кгс/см2 при времени t = 19,1 мс. Угол приложения нагрузки равен 12,5°.
Рис. 9. Расчетная схема нагружения
В расчете принималось допущение, что давление статично и равномерно распределено по поверхностям прибора.
Также не учитывается, что прочностные характеристики материалов при динамическом кратковременном нагружении для многих материалов значительно превышают статические.
В результате расчета получаем эпюру трех главных напряжений (рис. 10).
von Mises,
2 кгс/мм"
■ 100.0
■ 91.67
■ 83.33
75.00
- 66.67
58.34
50.00
41.67
33.34
■ 25.00
- 16.67
J 8.34
■ 0
Рис. 10. Эпюра напряженно-деформированного состояния проушин ОБ:
1 - проушина крышки ОБ; 2 - проушина рамки ОБ; 3 - ось
Кожух, рамки и крышки ОБ изготовлены из материала с пределом прочности 43 кгс/мм2.
Среднее напряжение в сечении проушины для первого случая опирания составляет 35 кгс/мм2. Запас прочности равен 1,23.
При опирании на верхнее ребро А средние напряжения в сечении левой проушины рамки равны 57 кгс/мм2. Запас прочности 0,75.
При опирании крышки на нижнее ребро В средние напряжения составляют 22 кгс/мм2. Запас прочности равен 1,96.
Стенки кожуха при максимальном избыточном давлении 3,46 кгс/см2 имеют средние напряжения по поверхности 1,2 кгс/мм2. Коэффициент запаса прочности стенок кожуха более 35.
Напряжения на поверхности стекол прибора при давлении 0,67 кгс/см2 составляют 0,7 кгс/мм2. Стекла выполнены из материала с пределом текучести ~ 4 кгс/мм2, коэффициент запаса прочности стекол составляет 5,7.
Ось, при действии максимальных расчетных сил 630 и 178 кгс, в сечении левой проушины имеет напряжения на срез, равные 24.. .83 кгс/мм2.
Ось выполнена из прутка с пределом прочности не более 66 кгс/мм2. Запас прочности оси равен 0,8.2,9.
Проушина крышки нагружается осью силами 630 и 178 кгс в зависимости от опирания крышки. Напряжения среза в сечении проушины равны 2,3. 8,2 кгс/мм2. Запас прочности равен 3,2.11,2.
Изгибающие напряжения на поверхности крышки ОБ при давлении 2,16 кгс/см2 составляют 1,8 кгс/мм2. Запас прочности крышки на изгиб равен 24.
Согласно проведенному расчету гарантированы поломки в проушине рамки ОБ и оси при опирании крышки по линии А.
Причинами поломок являются:
1. Ошибки конструирования, в результате которых плечо от контактных сил до оси закрепления может изменяться в 3,5 раза, а, следовательно, и нагрузки на детали закрепления крышки прибора.
444
2. Превышение фактических газодинамических сил при старте ракеты.
Для устранения полученных дефектов необходимы следующие доработки
1. Изменить форму крышки для обеспечения её опирания с максимальным плечом до оси закрепления (рис. 8, в).
2. Изменить форму проушины на рамке прибора, как показано пунктирной линией на рис. 7, б, чтобы убрать концентратор напряжений.
3. Увеличить толщину проушин рамки g в 1,5...1,75 раза. При этом прочность проушин увеличится в 2 ... 3 раза.
С целью уменьшения воздействия избыточного давления и температуры на поверхности ОБ и его крышки рекомендуется использовать отражатель (рис. 11), который развернет газовую струю в сторону от этого блока (рис. 12). Тем самым снижается риск проявления нагара на стеклах ОБ, что нарушает его работу, и уменьшается вероятность отрыва крышек, предназначенных для защиты ОБ от посторонних воздействий. Картина распределения давления по корпусу ОБ представлена на рис. 13.
Рис. 11. Пример защиты ОБ отражателем
Рис. 12. Распределение скорости реактивной струи при наличии
отражателя (сечение сверху)
Рис. 13. Распределение давления по корпусу ОБ и его крышкам в момент времени * = 19,1 мс (с отражателем)
В результате использования отражателя максимальное значение избыточного давления на корпусе ОБ снизится на 81 %; на крышке 1 - на 67 %, на крышке 2 повысится на 10 %. Максимальное значение температуры продуктов сгорания на корпусе прибора снизятся на 29 %, на крышке 1 - на 46 %, на крышке 2 - на 31 %. При этом максимальное избыточное давление на поверхности отражателя составляет 3,92 кгс/см2, а максимальная температура продуктов сгорания - 2397 °С.
Список литературы
1. Дунаев В.А., Максимов Ф.А. Моделирование сверхзвуковых течений невязкого газа. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 200 с.
2. Платонов Ю.П. Термогазодинамика автоматического оружия. М.: Машиностроение, 2009. 356 с.
3. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1976. С. 386 - 391.
Колобаев Никита Сергеевич, инженер, аспирант,
nikitakolobaev1993@rambler.ru, Россия, Тула, АО ««Конструкторское бюро приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»,
Кривицкая Юлия Андреевна, инженер, juliazasypkina@yandex.ru, Россия, Тула, АО ««Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова»
ASSESSMENT OF THE ROCKET JET IMPACT ON THE OPTICAL BLOCK OF THE LA UNCHER
N. S. Kolobaev, Y. A. Krivitskaya
In this paper, the influence of the jet of combustion products on the optical block during the operation of the starting engine of an anti-tank rocket is estimated. The results of gas-dynamic and strength calculations are obtained with the help of numerical simulation in software complexes FloEFD and SolidWorks Simulation. The ways of improvement excluding possible defects in the operation of the block are determined.
Key words: optical block (OB), starting engine (SE), overpressure.
Kolobaev Nikita Sergeevich, 2nd category engineer, postgraduate, nikitakolobaev1993@rambler.ru, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A. Shipunov»,
Krivitskaya Yulia Andreevna, engineer, juliazasypkina@yandex. ru, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A.Shipunov»
УДК 623.55.025
СЕРВИСНЫЕ АЛГОРИТМЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
ЗЕНИТНОГО КОМПЛЕКСА
П.Н. Мельников
Проведен анализ структуры и принципов построения сервисного алгоритмического обеспечения вычислительной системы зенитного комплекса вооружения.
Ключевые слова: сервисные алгоритмы зенитного ракетно-артиллерийского комплекса вооружения.
Под сервисными алгоритмами зенитного ракетно-артиллерийского комплекса вооружения будем понимать алгоритмы, напрямую не связанные с боевым применением оружия. К таким алгоритмам можно отнести алгоритмы контроля аппаратуры, настройки и взаимной юстировки систем комплекса, регистрации и обработки телеметрической информации, отображения информации, тренировки экипажа, а также имитации работы внешних систем комплекса.
Алгоритмы контроля аппаратуры реализуются в программном обеспечении вычислительной системы, которая сама является составной частью зенитного комплекса. По этой причине эту часть программного обеспечения называют программным обеспечением самоконтроля комплекса, а вычислительную систему - ядром комплексной самопроверки. Решение задачи контроля комплекса в такой постановке требует от разработчика вычислительной системы обеспечить надежность вычислений, сравнимую или превышающую надежность работы проверяемых систем зенитного комплекса. Современный уровень развития вычислительной техники позволяет обеспечить требуемую надежность вычислений в гораздо более жестких условиях эксплуатации, чем условия эксплуатации зенитной техники. Например, эксплуатация вычислительной техники на производствах непрерывного типа, а также - в космосе. Своеобразие жизненного цикла оборудования зенитного комплекса заключается в том, что его аппаратура практически всегда находится либо в выключенном состоянии, либо включена для обеспечения управления комплексом в дежурном состоянии, которое может непрерывно длиться десятки часов. Непосредственно боевое применение оружия длится единицы минут. Однако следу-
447
