CC BY
15РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ ДРЕНИРОВАНИЯ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ РАКЕТЫ
УДК 533.51:629.764.024.3
разработка и внедрение системы дренирования головной части ракеты космического назначения «зенит-35х» морского базирования
© 2014 г. дядькин A.A., казаков м.и., лебедев в.и.
ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Россия, 141070, e-mail: post@rsce.ru
В статье излагаются технические аспекты разработки и эксплуатации уникальной системы дренирования негерметичных отсеков космической головной части ракеты космического назначения «3ernm-3SL», созданной в рамках международного проекта «Морской старт» (Sea Launch) с участием РКК «Энергия» (Россия), фирмы Boeing (США), фирмы Kv^rner (Норвегия) и ГКБ «Южное» (Украина). Система обеспечивает стравливание воздуха из газодинамически связанных негерметичных отсеков космической головной части в процессе полета с целью обеспечения минимальных перепадов давлений, действующих на внешние оболочки каркасных отсеков и перегородки между ними, и выполнения требований разработчиков космических аппаратов к параметрам среды в зоне их расположения. Рассматриваются основные характеристики, этапы отработки системы в процессе создания и особенности ее эксплуатации.
Ключевые слова: космическая головная часть, ракета космического назначения, негерметичные отсеки, дренирование, дренажные устройства, перепады давлений.
development and operation of venting system of ascent unit of zenit-3sl sea-based integrated launch vehicle
Dyadkin A.A., Kazakov M.I., Lebedev v.l.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russia, e-mail:post@rsce.ru
The paper describes technical aspects of development and operation of a unique venting system for unpressurized compartments of the ascent unit of Zenit-3SL integrated launch vehicle developed within the International Sea Launch project (Sea Launch) with the participation of RSC Energia (Russia), Boeing company (the USA), Kv&rner company (Norway) and GKB Yuzhnoe (Ukraine). The system drains air from gasdynamically connected ascent unit unpressurized compartments during a flight to ensure minimum pressure drops acting on the external shells of frame compartments and their partitions, and meet requirements of spacecraft developers for environment parameters in their location area. Reviewed are main performance data, system test phases in the course of development, and its operation specifics.
Key words: ascent unit, integrated launch vehicle, unpressurized compartments, venting, venting system, pressure drops.
ДЯДЬКИН Анатолий Александрович — ктн, начальник отдела РКК «Энергия», e-mail: anatoly.a.dyadkin@rsce.ru
DYADKIN Anatoly Alexandrovich — Candidate of Science (Engineering), Head of Department at RSC Energia
КАЗАКОВ Михаил Иванович — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: мichael.кazakov@rsce.ru
KAZAKOV Mikhail Ivanovich — Head of Sector at RSC Energia
ЛЕБЕДЕВ Владимир Иванович — ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru
LEBEDEV Vladimir Ivanovich — Leading Engineer at RSC Energia
Введение
При создании любой ракетно-космической системы подлежит решению вопрос стравливания газа из негерметичных отсеков на участке выведения. С этой целью создаются специальные дренажные устройства или системы, задачей которых является уменьшение перепадов давлений АР (разность между давлением Рвн в отсеке и давлением Рнар на его наружной поверхности), действующих на оболочки каркасных отсеков.
В данной статье рассматривается создание уникальной системы дренирования космической головной части (КГЧ) ракеты космического назначения (РКН) «3енит-351» морского базирования.
В состав КГЧ РКН «Эенит-35Р» входят: капсулированный блок полезного груза (БПГ) разработки фирмы Boeing с размещенным в нем космическим аппаратом (КА); разгонный блок (РБ) ДМ-51 разработки РКК «Энергия» и приборный отсек (ПО) ракеты-носителя (РН) «Зенит» разработки ГКБ «Южное» [1]. Впервые в мировой практике использован капсулированный БПГ с клапанами на разделительном экране между БПГ и РБ. Капсулированный БПГ выбран прежде всего с целью сохранения конфиденциальности особенностей конструкции КА иностранных разработчиков. В первых модификациях РКН «3енит-351» устанавливалась дополнительная гибкая перегородка между РБ и ПО РН с отверстиями для улучшения условий термостатирования ПО при наземной подготовке (рис. 1). В последующих модификациях, с целью уменьшения массы конструкции БПГ и увеличения массы выводимых КА, перегородка была снята без ухудшения условий термостатирования ПО за счет введения в конструкцию диффузоров специальной формы для подачи термостатирующего воздуха в РБ и ПО РН [2].
Рис. 1. Схема дренирования космической головной части РКН «Зенит-3SL»: 1 — головной обтекатель (ГО); 2 — блок полезного груза (БПГ); 3 — разгонный блок (РБ) ДЫ-БЬ; 4 — ракета-носитель (РН) «Зенит-2БЬ»; 5 — приборный отсек РН (ПО РН); 6 — разделительный экран с клапанами между БПГ и РБ; 7 — разделительная перегородка с дренажными устройствами между РБ и ПО РН; V,, У2, V — внутренние свободные объемы РБ, БПГ и ПО РН, соответственно; Б2, Б5, Б6, Б13 — дренажные устройства; Б3, Б4, Б21 — дренажные клапаны
Сложность решения задачи
Сложность решения задачи дренирования негерметичных отсеков КГЧ определялась прежде всего тем, что в составе РКН использовались с минимальными доработками уже существующие и летающие РБ ДМ (в составе РН «Протон») и ПО в составе РН «Зенит». Конструкции РБ и ПО РН спроектированы и рассчитаны на вполне определенные перепады давлений АР (где АР = Рвн - Рвн — давление внутри отсека; — наружное атмосферное давление в точке траектории выведения). Головной обтекатель (ГО), входящий в состав БПГ, проектировался заново для РКН «Зенит-ЗБ!» с учетом перепадов давлений, обеспечивающих его минимальную массу. Диапазоны перепадов давлений, на которые проектировались ГО, РБ и ПО РН, приведены в табл. 1.
При выборе конфигурации системы дренирования дополнительную сложность представляло параллельное функционирование
системы термостатирования КГЧ при наземной подготовке РКН и системы дренирования в полете. Для обеспечения необходимого теплового режима приборов и КА в конструкции КГЧ предусмотрены входные и выходные устройства подачи термостатирующего воздуха в отсеки, одна часть из которых в процессе старта закрывается, а вторая остается открытой в течение всего полета и влияет на работу системы дренирования (рис. 1, устройства 53, 55, 56). Наличие этих устройств подлежало учету при формировании системы дренирования и анализе ее работы.
Таблица 1
допустимый диапазон перепадов давлений, действующих на конструкцию отсеков
В составе РКН планировалось использование двух ГО разной длины и объема (У1 = 107,5 м3 и У2 = 170,0 м3). Кроме того, в процессе эксплуатации РКН не исключалось использование других ГО большего объема и размеров (в частности, диаметром более 5,0 м). Поэтому ставилась задача создания универсальной системы дренирования, которая обеспечивала бы заданные диапазоны давлений в отсеках для различных модификаций БПГ без доработок конструкции дренажных устройств и была совместима с системой термо-статирования.
Поскольку запуски РКН «3енит-35£» осуществляются со стартовой платформы (СП) из акватории океана, требовалось исключить попадание агрессивной морской среды внутрь отсеков, особенно в зону КА. Это значительно усложняло решение задачи, учитывая автоматизированный пуск РКН, что исключало участие человека и использование ручных операций за четыре часа до пуска, а также в случае его отмены при возникновении нештатных ситуаций (НШС).
Так как РКН «3енит-351» создавалась в рамках международного проекта «Морской
старт», на начальной стадии работ определенную трудность представляло налаживание взаимодействия специалистов РКК «Энергия», ГКБ «Южное» и фирмы Boeing в силу некоторых различий в методах и подходах к решению задач проектирования, а также языкового барьера. Однако этот момент был достаточно быстро преодолен благодаря высокой квалификации специалистов, участвовавших в проекте. Была определена роль каждого участника в разработке системы дренирования КГЧ:
• головная роль отводилась РКК «Энергия»;
• дублирующие расчеты осуществлялись Boeing и ГКБ «Южное»;
• окончательные решения принимались на основе совместного согласованного решения трех организаций;
• за конструктивное исполнение и отработку элементов системы дренирования отвечали, соответственно, разработчики БПГ, РБ и ПО РН по принадлежности.
Четкое и ясное распределение работ и понятная технология (процедура) ведения работ обеспечили успешное решение задачи в кратчайшие сроки.
требования к системе дренирования
Требования к системе дренирования определялись требованиями разработчиков КА к параметрам среды в БПГ и необходимостью непревышения значений перепадов давлений, использованных при расчетах на прочность БПГ, РБ и ПО, указанных в предыдущем разделе.
Кроме того, в соответствии с требованиями Типового документа контроля интерфейсов (ДКИ) [3] было необходимо:
• обеспечить непревышение максимального градиента изменения давления dP/dt в БПГ при выведении, равного 0,035 кгс/(см2-с) (в последующем цифровое ограничение заменено на зависимость, представленную на рис. 2);
• обеспечить остаточное избыточное давление внутри ГО на момент его сброса не более 0,002 кгс/см2;
• исключить попадание менее чистой воздушной среды из ПО и РБ в пространство под ГО;
• обеспечить перепады давления, действующие на разделительные перегородки между БПГ и РБ и между РБ и ПО РН, не выше значений, указанных в табл. 1.
В документах контроля интерфейсов для конкретной миссии космических аппаратов требования к параметрам среды в БПГ могут отличаться от типовых, как правило, в сторону их ужесточения. в частности, избыточное давление на момент сброса ГО для ряда
Наименование отсека Перепад давления АР, кгс/см2
Головной обтекатель (У2), АР, = Р - Р 2 2 вн га -0,035 < АР2 < 0,146
Разгонный блок (У1), АР = Р - Р 1 1 вн га -0,05 < АР1 < 0,15
Приборный отсек РН (У3), АР, = Р - Р 3 3 вн га -0,1 < АР3 < 0,1
Разделительный экран между БПГ и РБ, АР = Р - Р 2-1 2 1 -0,035 < АР2-1 < 0,035
Перегородка между РБ и ПО РН, АР = Р - Р 1-3 1 3 -0,04 < АР1-3 < 0,04
КА не должно было превышать 0,001 кгс/см2. Поэтому в рамках подготовки предполетной документации на миссию проводятся расчетные исследования и анализ выполнения требований разработчика КА. После запуска разработчику КА в обязательном порядке предоставляется отчет с результатами прямых измерений параметров среды в БПГ в полете (изменение по времени абсолютного и избыточного давлений, градиентов изменения давления (дР/д£) и давления на момент сброса ГО), подтверждающими выполнение требований ДКИ на миссию.
Рис. 2. Допустимый и расчетный градиенты изменения
давления в блоке полезного груза:----— допустимый
градиент; — — расчетный для миссии 1п1в1БаЬ19
конфигурация системы дренирования
На основе анализа особенностей конструкции БПГ, РБ и ПО РН, а также требований к системе дренирования, РКК «Энергия» предложена к разработке принципиальная схема системы дренирования КГЧ, приведенная на рис. 1. Особенностями предложенной схемы являются:
• использование в дополнение к пассивным дренажным устройствам Б5, Б6 на ПО РН устройств клапанного типа Б3, Б4 на среднем и нижнем переходниках РБ (рис. 3, 4);
• использование на ГО дренажных устройств Б2, открывающихся на начальном участке траектории выведения и остающихся открытыми на последующих участках полета для обеспечения нужного давления в ГО на момент его сброса;
• наличие клапанов Б2-1 и дренажных устройств Б1-3 на внутренних перегородках между БПГ и РБ и между РБ и ПО РН соответственно.
Внедрение РКК «Энергия» клапанных дренажных устройств в конфигурацию РБ ДМ-БЬ (на РБ ДМ, используемом в составе РН «Протон», дренажные устройства отсутствуют) позволяет системе дренирования автоматически адаптироваться:
• к особенностям траектории выведения;
• к фактической негерметичности конструкции отсеков и стыков между ними, меняющейся от миссии к миссии в пределах технологических допусков на изготовление конструкции;
• в случаях возникновения НШС.
Рис. 3. Конфигурация дренажного устройства S3 на нижнем переходнике разгонного блока (РБ): 1 — крышка (створка) клапана; 2 — проходное сечение дренажного устройства Б3; 3 — корпус нижнего переходника РБ
Рис. 4. Конфигурация дренажного устройства S4 на среднем переходнике разгонного блока (РБ) с обтекателем: 1 — крышка (створка) клапана; 2 — проходное сечение дренажного устройства Б4; 3 — корпус среднего переходника РБ; 4 — обтекатель дренажного устройства; 5 — выходное сечение обтекателя Б .
обт
Для выполнения требований по величине остаточного давления под ГО на момент его сброса (для минимизации динамических воздействий на КА) требовалась организация постоянно открытого в полете дренажного устройства Б2 на ГО, так как максимальные давления открытия клапанов Б2-1 на экране БПГ (АР2-1 = = 0,0025 кгс/см2) превышали заданное типовое ограничение АР2 = 0,002 (0,001) кгс/см2 на момент сброса ГО. в то же время, при стоянке РКН
на пусковом устройстве (ПУ) СП перед стартом с открытыми дренажными устройствами на ГО не исключалось попадание морской среды в зону КА, что недопустимо. Оригинальное конструктивное решение этой проблемы было предложено специалистами фирмы Boeing — установить на открытые дренажные устройства крышки специальной формы, изготовленные с использованием «магнитной» резины, которые отделялись бы под воздействием набегающего потока воздуха на начальном участке движения РКН при малых скоростных напорах. Форма и конфигурация крышки (рис. 5), отработанные фирмой Boeing, обеспечивали отделение крышек при высоте подъема РКН порядка 100...200 м и скоростных напорах набегающего потока в интервале 0,012.0,020 кгс/см2, что визуально контролировалось фото- и видеосъемками при пусках. Малая масса крышек и эластичность их материала не представляли угрозы для расположенных ниже БПГ элементов конструкции РН.
Рис. 5. Конфигурация крышки дренажного устройства S2 на головном обтекателе (ГО): 1 — корпус ГО; 2 — выходное сечение дренажного устройства 82; 3 — отделяющаяся в полете крышка дренажного устройства S2
Наличие клапанов на разделительном экране между БПГ и РБ обеспечивает перетекание газа из БПГ в РБ и выполнение ограничений по перепадам давлений на нем. Аналогично дренажные отверстия на гибкой перегородке между РБ и ПО обеспечивают перетекание части газа из РБ в ПО РН (и обратно) и минимизацию нагружения экрана.
Клапаны одностороннего действия на экране БПГ исключают перетекание воздуха из РБ в БПГ в полете при понижении давления в БПГ до уровня давления в РБ.
Для уменьшения влияния внешнего набегающего потока на работу дренажных устройств среднего переходника РБ выходные сечения устройств прикрыты клиновидными обтекателями (см. рис. 4). Геометрия обтекателей выбрана такой, чтобы площадь выходного сечения обтекателя соответствовала потребной эффективной площади дренажного устройства S4. На нижнем переходнике обтекатели на выходных устройствах системы термостатирования S3 не устанавливаются, что предотвращает преждевременное открытие этих клапанов на участке полета РКН с максимальными скоростными напорами. Под действием прижимающей аэродинамической силы от набегающего потока эти клапаны открываются лишь в конце полета на непродолжительное время (рис. 20) и практически не влияют на величины давлений в отсеках. Таким образом, обеспечивается совместимость систем дренирования и термо-статирования.
Для обеспечения универсальности системы и возможности ее использования с разными ГО и КА в системе предусмотрены следующие элементы регулирования:
• число клапанов S, на РБ может варьироваться от одного до пяти (в исходном варианте системы) или двух (в модифицированном варианте) путем фиксации ненужных в данном полете клапанов перед полетом по результатам анализа в рамках интеграции;
• сменные дренажные устройства S7 на ПО с площадями выходных сечений ~170 и ~130 см2, которые выбираются по результатам предполетного анализа с учетом фактической негерметичности отсеков и стыков между ними.
При разработке системы дренирования серьезную проблему представляло определение фактической негерметичности конструкции БПГ, РБ и ПО РН, а также стыков между ними. Значения указанных негерметичностей существенно влияют на результаты численного моделирования и значения давлений в отсеках в полете. Требовалась разработка нетрадиционных подходов к решению этой проблемы. Специалистами РКК «Энергия» предложена и реализована безопасная технология определения негерметичностей и проверки характеристик дренажных устройств и работы системы дренирования в целом на собранной РКН в процессе подготовки пуска c использованием штатной системы термостатирования,
обеспечивающей переменный и контролируемый расход воздуха в отсеки. В рамках предложенной технологии (методики) для определения фактической негерметичности того или иного отсека или расходных характеристик соответствующего дренажного устройства в отсек подается термостатиру-ющий воздух с фиксированным расходом. С помощью прецезионных датчиков давления, устанавливаемых в отсеках на время испытаний, и специально спроектированного пульта поочередно измеряются давление в отсеках, атмосферное давление и соответствующие перепады давления между отсеками и внешней атмосферой в зале испытаний, или между отсеками. По измеренным значениям и известному расходу воздуха (который ступенчато изменяется в процессе испытаний) определяются значения негерметичностей отсеков и зависимости расходных характеристик (в форме эффективных площадей) от величины избыточного давления. Благодаря четкой организации работ, отработанной документации и созданию специального оборудования (пульта) для проведения испытаний процесс занимает в штатном случае не более 1,5-2,0 ч и является завершающей операцией в процессе проверки РКН перед перегрузкой ее со сборочно-командного судна (СКС), на котором идут испытания, на СП. Перегрузке предшествует выпуск Заключения с результатами испытаний. Операция проверки является обязательной и проводится в каждой миссии усилиями специалистов РКК «Энергия», Boeing и ГКБ «Южное». В дополнение к этим испытаниям Boeing проводит автономные испытания капсулированного БПГ для определения его негерметичности. Оправданность обоих видов испытаний подтверждается выявленными отклонениями отдельных параметров системы в некоторых миссиях накануне пусков по программам «Морской старт» и «Наземный старт», где также внедрена эта технология.
В комплексе «Наземный старт» реализована конфигурация системы дренирования КГЧ и дренажные устройства на РБ ДМ-51Б и ПО РН, аналогичные использованным в проекте «Морской старт». На некапсулированном ГО разработки НПО им. С.А. Лавочкина дренажные устройства отсутствуют.
Отдельные результаты сравнения проектных параметров дренажных устройств системы с фактическими, полученными в процессе испытаний на негерметичность, показаны на рис. 6-8. Гистограмма негерметичностей, представленная на рис. 9, подтверждает стабильность характеристик от миссии к миссии.
5 ... см2
эфф7
50 40
30 20 10
/ /
X /
< ■ X х X ) > , X А х
V. X х у
0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014
Р2- Ркгс/см2
Рис. 6. Расходная характеристика Бафф клапана на разделительном экране между блоком полезного груза и разгонным блоком: • — результаты комплексных испытаний в миссии IntelSat19; X — результаты комплексных испытаний предыдущих миссий; ■ max л
— max\
— nom }
— min )
— диапазон значений S ... заданный
эфф'
в документации [3]
, кгс/см:
Рис. 7. Расходная характеристика Бафф клапана S3 на нижнем переходнике блока ДМ-SL: • — результаты комплексных испытаний в миссии IntelSat19; • max
— max\
— nom }
— min )
— диапазон значений S . заданный
эфф'
в документации [3]
Рис. 8. Расходная характеристика S^ клапана S4 на среднем переходнике блока ДМ-SL: • — результаты комплексных испытаний в миссии IntelSat19; ■ max>
— max\
— nom }
— min )
— диапазон значений S . заданный
эфф
min в документации [3]
Рис. 9. Негерметичность отсеков различных миссий: ■ — негерметичность БПГ; ■ — негерметичность ГО; ■ — негерметичность адаптера; — суммарная негерметичность РБ+ПО РН; ■ — среднее значение эффективной площади суммарной негерметичности БПГ+РБ+ПО РН
исходные данные для анализа
В рамках предложенной принципиальной схемы дренирования КГЧ (см. рис. 1) для выбора параметров ее дренажных устройств использовалась следующая информация:
• схема расположения дренажных устройств отсеков с привязкой их к конструкции (положение выходных сечений дренажных устройств на поверхности КГЧ);
• свободные внутренние объемы отсеков (объемы стравливаемого воздуха);
• конструкционное выполнение дренажных устройств;
• расходные характеристики дренажных устройств;
• внешнее давление на выходе дренажных устройств;
• распределение давления по наружной поверхности КГЧ;
• параметры траектории выведения (изменение по времени полета скорости, высоты, угла атаки);
• значения негерметичностей отсеков и стыков между ними (в форме эффективных площадей — где S — геометрическая площадь проходного сечения, ц — коэффициент гидравлического сопротивления) и мест их расположения на поверхности КГЧ.
Информация по свободным внутренним объемам отсеков КГЧ приведена в табл. 2. Для БПГ указаны два объема:
• один из них (V = 107,5 м3) соответствует варианту ГО для одиночного полезного груза; обводы этого варианта приведены на рис. 1; с этим БПГ осуществлены все пуски РКН «3енит-3££»;
• второй объем ( V = 170,0 м3) соответствует БПГ с двойным полезным грузом.
Таблица 2
Свободные объемы негерметичных отсеков кгч
Отсек V, м3
Блок полезного груза, V2 107,5 (170,0)
Разгонный блок, V1 30,0
Приборный отсек РН, V3 10,0
Дренажные устройства на ПО постоянно открыты в течение всего полета, а устройства на ГО — после подъема РН на высоту -100.200 м. Дренажные устройства на РБ клапанного типа показаны на рис. 10.
а) б)
Рис. 10. Конструкция дренажных клапанов S3 и S4разгонного блока: а — клапан 1 — створка (крышка) клапана; 2 — корпус нижнего переходника РБ; 3 — пружины; 4 — узлы поворота створки; б — клапан 84: 1 — створка (крышка) клапана; 2 — корпус среднего переходника РБ; 3 — пружины; 4 — узлы поворота створки
Расходные характеристики всех дренажных устройств на стадии выбора их параметров определены на основе экспертных оценок и инженерных расчетов и уточнены на последующих этапах работ по результатам экспериментальных исследований:
• в РКК «Энергия» для устройств S3, S4;
• в ЦНИИмаш для устройств S5, S6, S1-3;
• в Boeing для устройств S2, S2-1.
Принятые для анализа работы системы расходные характеристики отдельных устройств приведены на рис. 6-8. Все характеристики получены при испытаниях штатных дренажных устройств БПГ, РБ и ПО РН.
Изменение по времени траекторных параметров приведено на рис. 11 и соответствует некоторой типовой траектории полета РКН [4].
q, кгс/м2; Уотн, м/с 5 000i
3 5001
Рис. 11. Изменение по времени относительной скорости Уотн, числа Маха (М^), скоростного напора q и высоты полета Н для типовой миссии: -■--V , м/с;
отн' / '
-•---♦--q, кгс/м2; -▲--Н, км
Распределение давления (коэффициента давления) на наружной поверхности КГЧ на стадии выбора параметров системы оценивалось РКК «Энергия» расчетом и уточнялось по результатам экспериментальных исследований дренажной модели КГЧ масштаба М1:30 в аэродинамической трубе У-21 ЦНИИмаш. Дренажная модель проектировалась и изготавливалась РКК «Энергия» (рис. 12-14). Зависимости от числа Маха коэффициента давления Ср на выходе дренажных устройств (при отсутствии истечения воздуха) приведены на рис. 15-17. Параллельно с дренажной изготавливалась и испытывалась в Центральном аэрогидродинамическом институте им. проф. Н.Е. Жуковского модель с использованием бароиндикаторов [5]. Информация по полям распределения давления (рис. 18) использована для оптимального размещения приемников статического давления на дренажной модели. Диапазон значений Ср на выходе дренажных устройств S3 и S4 определялся с учетом ГО разной длины.
Рис. 12. Препарированная модель КГЧ для измерений статического давления и пульсаций давления с датчиками пульсаций фирмы «Эндевко»: 1 — панель с приемниками статического давления; 2 — датчики пульсаций; 3 — корпус модели
Рис. 13. Препарированная модель КГЧ с коммутатором: 1 — корпус модели; 2 — коммутатор приемников статического давления с трубками
Рис. 14. Собранная модель КГЧ
Рис. 15. Изменение по числам Маха коэффициента давления на выходе дренажного устройства Б2 на ГО (без учета истечения газа):
■ шах>
— max\ -— nom }
— min )
диапазон значений С
р2'
заданный в документации
а)
с
I
0,10 0,05
о
-0,05 -0,10 -0,15 -0,20 -0,25 -0,30 -0,35 -0,40
рА
)- -4 f - с 4=
* -
/ л ~7— 4—
-1 гУ
—t /—
t-
ь I—
б)
Рис. 16. Изменение по числам Маха коэффициентов давления на выходе дренажных устройств S3 и S4 на РБ (без учета истечения газа): а — устройство 8}; б — устройство 84; • шах>
— max\ -— nom }
— min )
— диапазон значений С „ С , заданный в документации
а)
б)
Рис. 17. Изменение по числам Маха коэффициентов давления на выходе дренажных устройств S5 и S6 на ПО РН (без учета истечения газа): а — устройство S5; б — устройство S6; ■ max л
— max\ -— nom }
— min J
— диапазон значений С , Ср6, заданный в документации
Мте = 0,96; а = 3,00; (3 = 0,00
СИЕ
I 0,300 - 0,200 - 0,100 о
-0,100 -0,200 -0,300 -0,400 -0,500 -0,600
а)
б)
Рис. 18. Распределение коэффициента давления по поверхности и по длине I модели КГЧ при = 0,96, а = 6°, полученных с использованием люминисцентных (бароиндикаторных) покрытий: а — исходная информация; б — оцифрованная информация вдоль образующей корпуса модели;--наветренная образующая;--подветренная образующая
С использованием перечисленных исходных данных проведен комплексный анализ работы системы дренирования. в процессе анализа варьировались:
• эффективные площади дренажных устройств в разном сочетании;
• расходные характеристики в полосе их разброса (см. рис. 6-8);
• коэффициенты Ср на выходе устройств в полосе их разброса;
• значения негерметичностей отсеков и стыков между ними;
• свободные объемы ГО;
• траекторные параметры в пределах возможной трубки траекторий в различных миссиях.
По результатам параметрических исследований с учетом заданных требований и ограничений выбраны оптимальные площади проходных сечений дренажных устройств, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
площади проходных сечений дренажных устройств
Дренажное устройство (см. рис. 1) Площадь проходного сечения,см2
Головной обтекатель, 52 81,0 (4 отверстия)
Разделительный экран между БПГ и РБ, 52-1 65,7 (9 клапанов)
Разгонный блок, S3 247,0 (5 клапанов)
Разгонный блок, 54 220,0 (5 клапанов)
Приборный отсек РН, 55 137,0
Приборный отсек РН, 56 130,0 (170,0)
Перегородка между РБ и ПО РН, 51-3 215,0 (2 отверстия)
Типовое изменение расчетного избыточного давления и других параметров среды в отсеках для одной из миссий показано на рис. 2, 19, 21. Видно, что система обеспечивает выполнение всех ограничений, заданных для данной миссии.
АР2, кгс/см2 0,08
б)
Рис. 19. Изменение по времени полета избыточного давления АР в БПГ и в РБ+ПО РН: а — отсек БПГ; б — отсек РБ+ПО РН; о — результаты измерений в полете ■ maxч
max, min — расчетный прогноз для миссии с учетом погрешностей определения исходных данных для расчета
— maxч
— nom I _
— min J .
метод расчета и программное обеспечение
Для решения задачи стравливания газа из нескольких газодинамически связанных отсеков во внешнюю среду с изменяющимися по времени
параметрами для конструкции с различными типами дренажных устройств потребовалась разработка специального программного обеспечения. Необходимое для расчетов программное обеспечение разработано РКК «Энергия». С его помощью выбраны основные проектные параметры системы дренирования КГЧ.
Разработанный программный комплекс «Дренаж» позволяет проводить расчеты для систем с произвольным количеством связанных между собой объемов (отсеков) и дренажных устройств разного типа, в т. ч. клапанного, с учетом негерметичности отсеков и стыков между ними. Программное обеспечение верифицировано с использованием результатов натурных измерений в пусках РКН «3енит-35£» и «Зенит-35£Б».
Последующие дублирующие расчеты параметров среды в отсеках КГЧ для всех миссий выполнены партнерами с использованием программных комплексов Boeing и ГКБ «Южное».
работа системы дренирования в полете
В исходном положении в момент старта клапаны S3, S4, S2-1 и отверстия S закрыты. Объем V2 БПГ изолирован как от объемов V1 РБ и V3 ПО РН, так и от окружающей среды. Объемы V1 и V3 сообщаются между собой через отверстия S1-3 в разделительном экране (при его наличии) или образуют общий объем. Газ из объемов V1 и V3 стравливается наружу через постоянно открытые отверстия S5 и S6. Газ из объема V2 не стравливается (рис. 20, схема I). Описанная схема течения реализуется в интервале времени полета t < t1 при условии, что скоростной напор не превышает 0,012.0,020 кгс/см2.
в момент полета t1 вскрываются магнитные крышки отверстий S2 на ГО при скоростном напоре набегающего потока 0,012 < q < 0,020 кгс/см2. Объем V2 остается изолированным от объемов V1 и V3. Газ стравливается из объема V2 через отверстия S2, а из объемов V1 и V3 — через отверстия S5 и S6 (рис. 20, схема II). При этом клапаны S2-1 в интервале времени t1 < t < t2 остаются закрытыми.
В момент полета t3 при АР2-1 > 0,0025 кгс/см2 начинают открываться клапаны S2-1 на перегородке между БПГ и РБ. Объем V2 сообщается с объемами V1 и V3. Газ из V2, в основном, перетекает в объем V1 и частично стравливается через S2. Из объемов V1 и V3 газ продолжает стравливаться через отверстия S5 и S6 (рис. 20, схема III). Клапаны S4 остаются закрытыми.
В момент полета t3 < t < t4 при (АР1--APS4) > 0,015 кгс/см2 начинают открываться клапаны S4 на РБ (где АР1 = Р1 - — избыточное
по сравнению с атмосферным давление в отсеке У1, а АР54 = Р54 - — избыточное наружное давление на выходе из устройства 54 за его обтекателем). Газ из объемов У2, У1, У3 стравливается через устройства 55, 56, 54 и частично через 52 (рис. 20, схема IV). Клапаны S3 остаются закрытыми.
В момент времени £4 < £ < £5 при достижении избыточным давлением АР1 в РБ значения (АР1 -- АР53) > 0,005 кгс/см2 открываются дополни-
тельно клапаны 53 системы термостатирования на нижнем переходнике РБ, и реализуется схема течения У, приведенная на рис. 20.
В последующие моменты времени £ > £5 понижаются избыточные давления АР1 в РБ и АР2 в БПГ, в результате чего уменьшаются перепады давления (ДР1-ДР53) < 0,005 кгс/см2, (АР^ - АР54) < 0,015 кгс/(см2 и АР2-1 < 0,0025 кгс/см2, клапаны 53, 54 и 52-1 закрываются и реализуется схема VI, показанная на рис. 20.
АР-103,
кгс/см2
АР-103,
кгс/см2
АР-103,
кгс/см2
(АР -АР )> 0,005
Рис. 20. Схема работы системы дренирования космической головной части
Контроль работы
системы дренирования в полете
Для подтверждения правильности работы системы дренирования в полете предусмотрены измерения давления внутри БПГ, РБ и ПО РН и на наружной поверхности РБ в местах расположения выходных сечений дренажных устройств. В отсеках установлены датчики статического давления с разными диапазонами измерений.
Для примера на рис. 19, 21 приведены сравнения расчетных данных с результатами натурных измерений.
Наличие системы контроля параметров среды в отсеках позволяет подтвердить нормальное функционирование системы или выявить особенности в поведении давлений в отсеках. Результаты натурных измерений подтвердили, что даже в случае возникновения НШС система обеспечивает изменение давления
в отсеках в допустимых диапазонах. Так в миссии с КА БвтозаЬ (в 1999 г.) ракета стартовала с фрагментом воздуховода системы термоста-тирования на цилиндрической части ГО, оборвавшимся при подъеме. Аналогичная ситуация сложилась и в миссии с КА 1СО (в 2000 г.) вследствие обрыва воздуховода на конической сужающейся части БПГ. В результате образовались дополнительные негерметичности из-за неплотного закрытия крышек входных горловин подачи термостатирующего воздуха в первом случае на ГО, а во втором — на РБ. И в том, и в другом случае система дренирования обеспечивала выполнение ограничений по параметрам среды в отсеках (рис. 21).
Надежная работа системы обусловлена тем, что она обладает обратными связями в виде дренажных устройств клапанного типа на среднем переходнике РБ и на экране между БПГ и РБ. Так, при снижении давления в РБ в силу разных причин (появление дополни-
тельной негерметичности, выход траекторных параметров за диапазон расчетных значений, изменение расходных характеристик дренажных устройств в случае попадания в них фрагментов экранно-вакуумной теплоизоляции и т.д.) в сторону нижней границы допустимого диапазона уменьшается перепад давлений АР на дренажном устройстве S4 РБ, вследствие чего угол раскрытия клапана и его проходное сечение уменьшаются. Одновременно с уменьшением давления в РБ увеличивается перепад давления на разделительном экране между БПГ и РБ, в результате чего увеличиваются углы раскрытия клапанов на перегородке и приток газа из БПГ в РБ. В итоге давление в РБ начинает увеличиваться, стремясь к номинальному значению.
АР2, кгс/см2 0,08т 0,06 0,04 0,02
-0,02
J^J \
а»»-
2 0 ~ 4 <W( 0 8 0 1< ю ц Ю 14
t, с
а)
б)
АР.,, кгс/см2 0,06 0,04 0,02 0
-0,02 -0,04 -0,06
^Sgsgj -__
2 о.. А 8 0 1( Ю 1 го ц
\ п /
V
в)
г, с
Рис. 21. Изменение по времени полета избыточного давления АР в БПГ, РБ и ПО РН в миссии Demosat: а —
отсек БПГ; б — отсек РБ; в — отсек ПО РН; о — результаты измерений в полете
■ max\ — max, min — расчетный прогноз для миссии с \ учетом погрешностей определения исходных данных для расчета
— max\ --— nom } г
— min j ,
Аналогично в случае возрастания давления в РБ и его стремления к верхней границе допустимого диапазона увеличиваются угол раскрытия клапана S4 на РБ и его проходное
сечение. Угол раскрытия клапанов 52-1 на экране между БПГ и РБ уменьшается, что сопровождается уменьшением притока воздуха из БПГ в РБ, и давление начинает стремиться к номинальному значению. Таким образом, система дренирования КГЧ является самонастраивающейся в определенном диапазоне изменения внешних условий, что позволяет ей адаптироваться к меняющимся внешним воздействиям.
Оригинальные разработки и решения в рамках системы дренирования КГЧ защищены патентами [6-9].
Выводы
В результате сотрудничества специалистов РКК «Энергия», фирмы Boeing и ГКБ «Южное» создана уникальная система дренирования многосвязных негерметичных отсеков космической головной части ракеты космического назначения «3енит-351» морского базирования.
Система является универсальной и, благодаря выбранной принципиальной схеме и конструкции дренажных устройств блока полезного груза, разгонного блока и приборного отсека ракеты-носителя, обеспечивает выполнение всех требований разработчиков космических аппаратов по параметрам среды в блоке полезного груза как при штатном выведении, так и в случае возникновения нештатных ситуаций, что подтверждено результатами измерений в полетах.
Предложена и внедрена оригинальная технология предполетной проверки параметров дренажных устройств, фактической негерметичности отсеков и стыков между ними и функционирования системы в целом в процессе подготовки собранной ракеты космического назначения к пуску, что исключает аномальное функционирование системы дренирования в полете.
Контроль параметров среды в отсеках в полете обеспечивает получение фактических значений давлений в отсеках и подтверждение расчетных прогнозов для миссии.
Авторы признательны Н.П. Алабовой и В.А. Болотину за помощь в оформлении публикации.
Список литературы
1. Алиев В.Г., Легостаев В.П., Лопота В.А. Создание и пятнадцатилетний опыт эксплуатации ракетно-космической системы «Морской старт» // Космическая техника и технологии. 2014. № 2 (5). С. 3-13.
2. Дядькин А.А., Симакова Т.В. Выбор устройства подачи термостатирующего воздуха в головные обтекатели ракет-носителей // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С. 66-71.
3. Типовой ДКИ БПГ, Д688-10135-1, Boeing, 1999.
4. Верховцева Т.И., Гаврелюк О.П., Забор-ский С.А., Мовчан А.А., Панчуков А.А., Улыбы-шев Ю.П., Шибаев И.М. Баллистика программы «Морской старт» // Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С. 16-25.
5. Быков А., Кишалов А., Мошаров В., Орлов А., Остроумов С., Радченко В., Фоков С. Применение технологии люминисцентных преобразователей давления для исследования самолетных винтов. ЦАГИ, Препринт № 99, 1995.
6. Патент RU 2 145 564 C1. Российская Федерация. Способ регулирования аэродинамических нагрузок, действующих на корпус ЛА и устройство для его реализации (варианты). Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И.; заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 99112892/28; приоритет от 25.06.1999 // Изобретения. 2000. № 5.
7. Патент RU 2.145 563 С1. Российская Федерация. Способ регулирования аэродинамических нагрузок, действующих на отсек ЛА и устройство для его осуществления (варианты). Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И.; заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 99112891/28; приоритет от 25.06.1999 // Изобретения. 2000. № 5.
8. Патент RU 2 246 708 С1. Российская Федерация. Способ определения негерметичности ЛА с дренажными устройствами. Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И.; заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 2003124297/28; приоритет от 06.08.2003 // Изобретения. 2005. № 5.
9. Патент RU 2 267 108 С1. Российская Федерация. Способ определения расходных характеристик дренажных устройств корпуса ЛА и система для его осуществления. Алиев В.Г., Болотин В.А., Дядькин А.А., Казаков М.И., Лебедев В.И., Легостаев В.П., Шо-рин А.Н.; заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 2003124295; приоритет от 06.08.2003 // Изобретения. 2005. № 36. Статья поступила в редакцию 25.03.2014 г.
