CC BY
10
5. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная.
Кольцова Татьяна Александровна, бакалавр, инженер, koltsova. taamail.ru, Россия, Миасс, АО «Государственныйракетный центр имени академика В.П. Макеева»
NUMERICAL SIMULA TION OF FLO WIN THE BOTTOM OF A REUSABLE ONE-STAGE LAUNCH VEHICLE IN FLIGHT WITH A RUNNING EXTERNALLY EXPANDED CRUISE
ENGINE WITH A CENTRAL BODY AND GAS INTAKEN IN THE BOTTOM
T.A. Koltsova
The paper is devoted to the development of a simulation math model offlow in the LV bottom in flight. It provides a flow pattern and basic aerodynamic characteristics.
Key words: reusable one-stage LV with an externally expanded engine, central body, fuel combustion, math simulation, CFD-package, hydrogen fuel, aerodynamic characteristics.
Koltsova Tatyana Aleksandrovna, bachelor, engineer, koltsova. ta@mail.ru, Russia, Miass, Joint Stock Company "Academician V.P. Makeyev State Rocket Centre "
УДК 624.074.4; 678.067
РАЗРАБОТКА КАМЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МАСШТАБНОГО КОЭФФИЦИЕНТА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Д. В. Пачурин, Е. И. Заикин, А. С. Степанов, И. Н. Гордеев
На сегодняшний день большую угрозу безопасности граждан представляют террористические взрывные устройства, химические отравляющие вещества, аварийные боеприпасы и т.д. Разработана камера с увеличенной до 60 кг ТЭ несущей способностью.
Ключевые слова: камера увеличенная, несущая способность, упругопластиче-ская деформация, масштабный коэффициент моделирования.
При разработке камеры для локализации продуктов взрыва от устройств мощностью до 60 кг ТЭ в качестве аналога было решено использовать малую камеру с составным симметричным корпусом [1, 2]. Данная камера выдерживала нагрузки от 4 до 17 кг ТЭ и зарекомендовала себя как прочная, надёжная, удобная в эксплуатации конструкция [3]. При проектировании было решено использовать масштабный коэффициент моделирования (МКМ).
Каждая разработка конструкции камеры должна сопровождаться испытаниями опытных образцов на взрывостойкость. Для камер с большими размерами и стоимостью такие испытания проводят на геометрически подобных натурных моделях меньшего размера. В качестве такой модели при проектировании камеры с несущей способностью 60 кг ТЭ использовались результаты испытаний на взрывостойкость малой камеры, проверенной на нагрузки 12 и 16,9 кг ТЭ. При этом необходимо было учитывать, что с увеличением масштаба модели и соответствующим увеличением нагрузки ее прочностные характеристики снижаются, что объясняется проявлением влияния масштабного эффекта. Физические проявления влияния такого эффекта связаны с несущей способностью конструкции, характеристиками прочности (с разрушающим напряжением или деформацией), видом и характером разрушения (вязкое, хрупкое, катастрофическое), местом разрушения [4].
При проектировании увеличенных моделей необходимо обращать внимание на масштабные эффекты энергетической природы, которые проявляются при избытке упругой энергии и приводят к хрупкому разрушению. Инициировать данное разрушение могут как дефекты структуры материала, случайные трещины, так и особенности конструкции (концентраторы напряжений). Для исключения влияния масштабного эффекта рекомендуется обращать внимание и на качество поставляемого материала.
МКМ для увеличенной камеры был вычислен по формуле
т = 3Мк-У /МК-М , (1)
где МК-У=60 кг ТЭ, МК-М=16,9 кг ТЭ - несущая способность для увеличенной и малой камеры соответственно.
Величина МКМ для проектируемой камеры составила т = 1,5.
Надо отметить, что при дальнейшем проектировании сохранить расчетный МКМ для всех элементов увеличенной камеры затруднительно по технологическим и конструктивным причинам, тем не менее, полученное значение может служить ориентиром для выбора основных размеров конструкции камеры.
Увеличенная и уменьшенная камеры имеют составной симметричный корпус, выполненный из двух съемных крышек (поз. 1, поз. 2) и центральной части (поз. 3) (рис. 1).
Конструкция центральной части состоит из двух массивных фланцев (поз. 4) и (поз. 5). К торцам фланцев привариваются внутренняя (поз. 6) и наружная (поз. 7) цилиндрические обечайки. В центре располагается силовая сталепесочная вставка (поз. 8) с воздушным зазором £ (между внутренней обечайкой и центральной частью).
Отличия получили крепеж (поз. 9) и форма днища (поз. 10). Конструкция фланцевой части (поз. 11) осталась неизменной. В обеих представленных камерах для снижения нагрузки на крышки используются сетчатые демпферы (поз. 12).
В малой камере использовано плоское днище (поз. 10) с выполненным радиусом в районе перехода донной части к цилиндрической. Для увеличенной камеры применение днища (поз. 10) по типу малой требует поковку большой массы и габаритов, что делает ее нетехнологичной и повышает вероятность возникновения в материале дефектов в виде несплошностей, раковин, микротрещин. Поэтому в качестве заготовки для днища было решено использовать эллиптическое штампованное днище. Помимо решения технологических проблем, возникающих при изготовлении крышки, применение эллиптического днища снижает НДС в «краевой зоне».
Согласно расчетам с использованием МКМ (не приводятся) фактические значения габаритных размеров оказались выше фактических из-за конструктивных и технологических особенностей проектирования, связанных со стандартизированной формой днища, применением высокопрочных шпилек, измененными габаритами силовой вставки.
Полученные результаты расчетов показали, что прочность камеры при нагрузке до 65 кг ТЭ обеспечена. В результате чего было принято решение изготовить образец камеры увеличенной и испытать ее на проектную нагрузку.
399
Рис. 1. Корпуса камер: 1, 2 - крышка; 3 - центральная часть; 4, 5 - фланцы; 6 - внутренняя обечайка; 7 - наружная обечайка; 8 - силовая сталепесочная вставка; 9 - крепеж крышки с центральной частью; 10 - днище; 11 - фланцевая часть крышки; 12 - сетчатые демпферы; а - камера малая; б - камера увеличенная
На рис. 2 показана камера, подготовленная к проведению опыта. ТЭ заряда для испытаний - 61,6 кг.
Рис. 2. Камера перед опытом
При проведении испытаний осуществлялся контроль состояния камеры следующими способами:
- проверка герметичности до и после опыта;
- контроль деформации корпуса (тензоизмерения);
- контроль перегрузки на стенках (пьезоизмерения);
- оценка скорости перемещения наружной поверхности корпуса (скоростная видеорегистрация);
- контроль температуры и давления ПВ внутри камеры;
- визуальный осмотр.
Согласно протоколам и отчетам результаты, полученные в опыте, показали следующее:
- видеосъемка опыта удостоверяет визуально целостность конструкции;
- через 40 с после подрыва зафиксировано давление 1,8 МПа, а температура через 18 мин составила 141 оС. Изменение температуры и давления от времени показано на рис. 3;
- на крышках зарегистрированы перегрузки до 8465 g, на фланцах корпуса - до 2421 g;
- максимальные значения деформации до 0,36 % зарегистрированы на полюсах крышек. Малые значения деформации до 0,12 % зарегистрированы на цилиндрическом корпусе камеры. На цилиндрических поверхностях крышек деформации отсутствуют;
- максимальная величина радиального перемещения наружной оболочки вставки, равная 58 мм, обеспечивает запас в 2 мм по перемещению относительно величины (60 мм) воздушного зазора между вставкой и корпусом. Вид силовой вставки после нагружения показан на рис. 4;
- сетчатые демпферы в крышках поджались на 620 мм (с 935 мм) (рис. 5);
- результаты дефектоскопии физустановки свидетельствуют об отсутствии вновь образованных после опыта дефектов на сварных швах корпуса, шпильках крепления крышек.
а
-з« I вэяхякажхака*
б
Рис. 3. Изменение температуры и давления внутри камеры: а - изменение температуры; б - изменение давления
401
Результаты расчетов и проведенное испытание подтвердили соответствие возможности камеры герметично локализовать продукты взрыва заряда мощностью до 61,6 кг ТЭ.
Рис. 4. Силовая вставка после опыта
Рис. 5. Сетчатые демпфера в крышках после опыта
Технические характеристики камер. Технические характеристики камер представлены в таблице.
Из таблицы видно, что при увеличении проектной эксплуатационной несущей способности и массы корпуса коэффициент соотношения эксплуатационной несущей способности к массе варьируется в пределах одной и той же величины, равной 3. Это говорит о тождественности НДС камер. Неизменно высокое соотношение эксплуатационной несущей способности
402
к массе корпуса показывает, что при использовании в качестве аналога для масштабирования малой камеры металл в конструкции корпуса используется эффективно.
Технические характеристики камер
Наименование технической характеристики Численное значение параметра
малая увеличенная
Предельная (максимальная) несущая способность, кг ТЭ 16.9 61,6
Масса корпуса, кг 4900 19200
Общая масса, кг 6000 21000
Коэффициент соотношения максимальной несущей способности т к массе корпуса М, кг ТЭ /т 3,47 3,2
Количество загрузочных люков 2 2
Максимальный диаметр заряда, мм 728 1224
Заключение. При проектировании увеличенной камеры использовался масштабный коэффициент моделирования для оценки габаритов и толщин. Проверка расчетами на прочность и проведенное испытание подтвердили правильность выбранного метода. Коэффициенты соотношения эксплуатационной несущей способности к массе корпусов для камеры неизменные и высокие (таблица), что доказывает правильность выбора конструктивно-компоновочной схемы малой камеры в качестве модели для проектирования. Помимо прочностных требований при проектировании, удалось сохранить конструктивные преимущества, реализованные в малой камере, связанные с требованиями производственной и эксплуатационной технологичности.
Список литературы
1. Взрывозащитная камера: пат. на изобретение №2450243 РФ. №2010132689; заявл. 10.05.12. Бюл. № 13.
2. Взрывозащитная камера: пат. на изобретение №2447398 РФ. №2010136795; заявл. 10.04.12. Бюл. №10.
3. Гордеев И.Н., Степанов А.С. Экспериментальная отработка взры-возащитной камеры // Молодежь в науке: сборник докладов 13-й научно-технической конференции (г. Саров, 28-30 октября 2014 г.). Саров, 2015. 660 с.
4. О концепции создания камер для энергетики взрывного термоядерного синтеза / А.Г. Иванов, М.А. Сырунин, А.Г. Федоренко, В.А. Рыжанский // Физика горения и взрыва. Новосибирск, 2000. Т. 6. 171 - 179 с.
Пачурин Дмитрий Владимирович, инженер-конструктор, а.s.stepanov@ vniilf.ru, Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабхина,
Гордеев Илья Николаевич, начальник группы, а. s. slepanov@ymilf.ru, Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабхина,
Заикин Евгений Игоревич, инженер-конструктор, а. s. slepanov@ymilf.ru, Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабхина,
403
Степанов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, нач. отдела, a. s. sl.epanov@vniitf.ru, Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабхина
THE DEVELOPMENT OF А CHAMBER USING SCALE MODELING COEFFICIENT
D.V. Pachurinn, E.I. Zaikin, A.S. Slepanov, I.N. Gordeev
Currently, of great danger for civilian safety are terroristic explosive devices, chemical toxic agents and emergency munitions. The task of our institute is to develop a chamber with bearing capability increased up to 60 kg TNT equivalent.
Key words: specialized chamber, bearing capability, plasto-elastic deformation, scale factor of modeling.
Pachurin Dmitry Vladimirovich, engineer-designer, a.s.stepanov@,vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC- VNIITF,
Gordeev Ilya Nikolaevich, leader of design group, a. s. stepanov@,vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC- VNIITF,
Zaikin Evgeny Igorevich, engineer-designer, a. s. stepanov@,vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC- VNIITF,
Stepanov Aleksander Sergeevich, candidate of technical sciences, department head, a.s.stepanov@,vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC-VNIITF
УДК 623.438.3
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЛЕГКОЙ БРОНЕЗАЩИТЫ
И.А. Беспалов
Задача сокращения сроков проектирования средств защиты и расходов на их испытания является весьма актуальной. Расчетные методы не могут полностью заменить экспериментальную отработку защитных структур. Однако комплекс научно обоснованных инженерных методов расчетной оценки защитных свойств позволит выносить на испытания образцы, наиболее близкие по своим свойствам к требуемым, и тем самым сократить объем испытаний и срок разработки. Кратко описаны достижения АО «НИИ стали» в области расчетного анализа защитных свойств легкой брони, состоящей из текстильной композитной, металлической и керамической брони, а также их комбинаций.
Ключевые слова: легкая броня, текстильная броня, композитная броня, керамическая броня, комбинированная броня.
В настоящее время вооруженные силы, полиция и специальные подразделения снабжаются широкой номенклатурой средств индивидуальной бронезащиты и легкой бронетехникой. Общим для этих средств защиты является группа кинетических средств поражения, представляющих
404
