Создание модели универсального гидродомкрата-тормоза устройства направляющего, входящего в состав ракетно-космического комплекса семейства "Союз-2" Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ УНИВЕРСАЛЬНОГО ГИДРОДОМКРАТА-ТОРМОЗА УСТРОЙСТВА НАПРАВЛЯЮЩЕГО, ВХОДЯЩЕГО В СОСТАВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СЕМЕЙСТВА «СОЮЗ-2»

12 3

Ермаков А.Р. , Золин А.В. , Смирнова Т.Е.

1Ермаков Артем Романович - студент;

2Золин Анатолий Владимирович - старший преподаватель,

кафедра стартовых ракетных комплексов, факультет специального машиностроения;

3Смирнова Татьяна Евгеньевна - студент, кафедра подводных аппаратов и роботов, факультет специального машиностроения, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

г. Москва

Аннотация: в статье анализируется возможность модернизации устройства направляющего для обеспечения возможности запусков РКН «Союз-2» всех этапов на одном оборудовании.

Ключевые слова: Союз-2, Союз-2.1а, Союз-2.1б, Союз-2.1в, устройство направляющее, гидродомкрат-тормоз, гидробуфер, гидравлический демпфер.

Актуальность данной статьи объясняется тем, что в настоящее время активно проводятся пуски ракет-носителей семейства «Союз», среди которых присутствует модификация РН «Союз-2» этапа «1В», представляющая собой центральный блок ракеты космического назначения (РКН) с двигателем «НК-33-1» разработки СНТК им. Н.Д. Кузнецова, обладающий более чем вдвое большей тягой, по сравнению с используемым на «Союз-2» этапов «1А» и «1Б» «РД-108».

Для осуществления запусков данной ракеты было принято решение использовать комплексы наземного оборудования для более ранних РН семейства «Союз» [1]. Однако, так как конфигурация и габариты нового РН отличаются от предшествующих, требуется доработка некоторых узлов, в частности, устройства направляющего (УН).

Универсальность УН для всех типов РКН «Союз-2» достигается путем использования модернизированного гидродомкрата-тормоза (ГДТ УН).

ГДТ предназначен для подъема УН из исходного положения в рабочее и для плавного торможения и безударной остановки УН при отбросе из рабочего положения в исходное.

Принцип работы ГДТ заключается в последовательном перекрывании проходных отверстий в полом веретене в среде рабочей жидкости (масла). Перетекание рабочей жидкости происходит под давлением, которое и создает усилие на поршень. Это усилие, в свою очередь, создает тормозящий момент, величина которого зависит от текущего угла поворота и угловой скорости.

В данной статье рассматривается методика подбора основных параметров веретена гидродомкрата-тормоза, применяемого для подъема и отвода рамной конструкции под действием собственного веса на примере устройства направляющего, входящего в состав стартового оборудования существующего и проектируемого ракетных комплексов. Применение устройства направляющего с универсальным гидродомкратом-тормозом позволит проводить пуски ракет-носителей различных модификаций на одном оборудовании, что в значительной степени упрощает процесс подготовки и старта.

В рамках данной работы проводится расчет процесса отвода универсального устройства направляющего для ракет-носителей семейства «Союз» всех модификаций

методом одномассовой модели с последующим расчетом усилий в гидродомкрате-тормозе с применением программного комплекса «PTC Mathcad».

При закреплении РКН «Союз-2» этапа «1В» в нижнем силовом поясе угол поворота УН относительно вертикальной оси составляет порядка 40 градусов против порядка 20 градусов для этапов «1А» и «1Б» (рис. 1).

Рис. 1. Углы отвода УН

Метод одномассовой модели основан на представлении движения всей конструкции в виде плоского движения абсолютно жесткого тела, обладающего геометрическими и массовыми характеристиками реальной конструкции. В этом случае кинематический расчет сводится к решению дифференциального уравнения вращения абсолютно жесткого тела вокруг неподвижной оси (1) [2]:

] ф=М - РН, (1)

где ] - момент инерции конструкции, кг ■ м 2;

ф - угловое ускорение конструкции, рад./с2;

М - движущий момент, Н ■ м;

Р - сила гидравлического сопротивления ГДТ, Н;

Н - плечо, на котором действует усилие ГДТ, м.

Таким образом, получаем дифференциальное уравнение 2-го порядка. Далее требуется численным методом получить распределения ф ( £) , ф ( £) , ф ( £) для последующего вывода функции усилий в ГДТ.

Сила гидравлического сопротивления ГДТ, в свою очередь, может быть записана следующим образом (2):

Р = р-5Ц = ^

52 5ц

2 д 502Т1

■5ц,

(2)

где Р - сила гидравлического сопротивления ГДТ, Н; х - линейная скорость цилиндра буфера, м/с; р - давление в цилиндре, Па;

5Ц = 0,02 1 03 6 м2 - рабочая площадь цилиндра буфера; ^ = 1 , 8 5 - коэффициент гидравлического сопротивления; у = 85 5 0 Н/ м3 - удельный вес рабочей жидкости; 5отв - суммарная площадь открытых отверстий (3). Уравнение суммарной площади открытых отверстий:

<2 ■ 7Г

5отв (х) = N (х) ■ —I- 5д,

(3)

где N (х) - количество открытых отверстий в зависимости от хода плунжера;

х- текущий ход плунжера, мм;

с1от - диаметр открытых отверстий, м2;

5доп - площадь постоянного отверстия, м2.

Расположение отверстий на общем для всех типов РН «Союз-2» участке веретена, относительно начала движения плунжера при отбросе УН для случаев «Союз-2.1а» и «Союз-2.1б» (Ь = 0 мм в момент соударения рамы и головки ГДТ), приведено в таблице (1).

Таблица 1. Расположение отверстий на общем участке веретена («Союз-2.1а» и «Союз-

2.1б»)

№ отверстия 1 2 3 4 5 6 7 8

Ь, мм 40 60 80 100 115 125 130 135

Диаметр отверстий, расположенных на веретене, равен с1от = 4, 2 мм. Диаметр постоянного отверстия равен d = 4 мм.

Таким образом, учитывая данные из таблицы 1 и диаметры отверстий, можно определить зависимость суммарной площади открытых отверстий от хода плунжера (3).

Обозначим:

1

52

ц

= В Ос),

тогда:

2 д 5отв 00 Р(х) = В(х) -х2 Определим плечо Н на расчетной схеме, приведенной на рис. 2.

■5ц.

(4)

(5)

Рис. 2. Расчетная схема

Из геометрии, используя теорему косинусов, определяется зависимость для определения плеча Н, м (6):

шл * ■ ( а2 + (г° ~х)2 -= * ' 51П [аГСС05 2(1 ■ (10 - х)

N

й2 + (г0 - х)2 - Д2 2<2 ■ (/0 — х)

(6)

где Н - плечо, на котором действует усилие ГДТ, мм; сС = 1 589 мм - расстояние между осями вращения ГДТ и рамы УН; I0 = 1 3 3 9 мм- длина ГДТ в предударном состоянии; х- текущий ход плунжера, мм;

Д = 82 7 мм - расстояние между осью вращения рамы УН и точкой контакта рамы с ГДТ.

С учетом выражения (5), уравнение движения (1) примет следующий вид:

/ф = М - В ■ X2 ■ 5ц ■ Н.

(7)

Искомые зависимости, обозначенные как (3 (х) и (3 (ф) , представляют собой одно и то же, но разнофункциональное выражение, входящее в уравнение движения конструкции на участке торможения. Произведение В ■ 5ц ■ Н и является искомой зависимостью .

Таким образом:

Р(х) = В ■ 5Ц ■ Н, или, с учетом формул (3), (4) и (6):

(X*) = С

53

ц

У

2 д 502тв 00

N

1 -

а2 + (г0 - х)2 - к-2й ■ (10 — х)

Формулу (7) можно представить в следующем виде:

(8)

/Ф = м - Р(х) ■ х2.

(10)

Выражение (3 (х) ■ X2 представляет собой момент от силы сопротивления буфера и является функцией пути торможения и линейной скорости буфера.

Уравнение движения (1) или (10) может быть представлено в следующем виде:

/Ф = М-(3 (ср)-ф2. (11)

Выражение представляет собой тот же самый момент от силы

сопротивления буфера, но является функцией угла поворота ф и угловой скорости ф.

Зависимости между углом поворота конструкции и ходом буфера, а также между угловой скоростью конструкции и скоростью буфера определяются из геометрии, а именно, из теоремы косинусов. Определение угла поворота конструкции ф (12):

d2 + R2 ~ 11 d2 +R2 - Gq - х)2

ф = arc с о s----arc с о s---. (Z.4.12)

v 2dR 2dR

Если продифференцировать выражение (12), определится связь между угловой скоростью конструкции и линейной скоростью буфера:

х =---ф- (13)

В дальнейшем потребуется следующее выражение:

,2 4с*2Д2 - + Д2 - 0о - х)2)2 ,2 ,2

х2 =-то^--ф =л"ф - (14)

Для последующих расчетов требуется определить связь между зависимостями Р (ф) ' ф2 и р (х) ■ х 2, которые представляют собой один и тот же момент от силы сопротивления буфера:

М = р (ф) ■ ф2 = р (х) ■ х 2 = р (х) ■ А ■ ф2 , (15)

откуда:

Р (ф) = Р (х) ■ А . (16)

Используя выражения (9) и (16), и задаваясь значениями х, возможно определить функцию Р (ф ).

Произведя подстановку (16) в (1) и решив дифференциальные уравнения, определятся распределения ф ( 0 (рис. 3), со ( 0 (рис. 4), е ( 0 (рис. 5).

1.9

1.4'-

О 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

Рис. 3. Зависимость угла поворота рамы УН от времени («Союз-2.1а» и «Союз-2.1б»)

и с

Рис. 4. Зависимость угловой скорости рамы УН от времени («Союз-2.1а» и «Союз-2.1б»)

- 2-

О 0.5 1 1.5

I, с

Рис. 5. Зависимость углового ускорения рамы УН от времени («Союз-2.1а» и «Союз-2.1б»)

Окончательно, используя выражения (6), (12), (16), построим график зависимости силы гидравлического сопротивления от времени (рис. 6).

1.4хЮ5

О 0.5 I 1.5

I, с

Рис. 6. Зависимость силы гидравлического сопротивления P от времени («Союз-2.1а» и «Союз-

2.1б»)

Расположение отверстий на веретене, относительно начала движения цилиндра при отбросе УН для случая «Союз-2.1в» приведено в таблице 2.

Таблица 2. Расположение отверстий на всем участке веретена

№ отверстия 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ь, мм 100 200 336 356 376 396 411 421 426 431

Учитывая данные из таблицы 2 и диаметры отверстий, можно определить зависимость суммарной площади открытых отверстий от хода плунжера для «Союз -2.1в» (3).

По формуле (9), учитывая данные из таблицы 2 для «Союз-2.1в» и 10 = 1 6 3 5 м, график зависимости (3 (х) примет вид, приведенный на рис. 7.

Рис. 7. График зависимости /? от хода плунжера («Союз-2.1в»)

Используя выражения (9) и (16) и данные для «Союз-2.1в», и задаваясь значениями , возможно определить функцию .

Произведя подстановку (16) в (1) и решив дифференциальные уравнения относительно данных по «Союз-2.1в», определятся распределения ф ( с) (рис. 8), со ( О (рис. 9), е ( 0 (рис. 10) для случая запуска «Союз-2.1в».

Рис. 8. Зависимость угла поворота рамы УН от времени («Союз-2.1в»)

Рис. 9. Зависимость угловой скорости рамы УН от времени («Союз-2.1в»)

£(1), рад/сек 0

1

Э

0.3

0.6

0.9

с

1.2

1.5

Рис. 10. Зависимость углового ускорения рамы УН от времени («Союз-2.1в»)

Окончательно, используя выражения (6), (12), (16) и данные по случаю для «Союз-2.1 в», построим график зависимости силы гидравлического сопротивления Р от времени (рис. 11):

1.6х105

4x1 о'1

°0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8

I, с

Рис. 11. Зависимость силы гидравлического сопротивления P от времени («Союз-2.1в»)

Список литературы

1. Бармин И.В., Зверев В.А., Украинский А.Ю., Чугунков В.В., Языков А.В. Обоснование некоторых основных характеристик стартового оборудования космодромов XXI века. / Актуальные проблемы развития ракетно -космической техники и систем вооружений: сб. ст. / сост. Калугин В.Т., Ладов С.В. М., 2013. (Труды / МГТУ им Н.Э. Баумана; №606). С. 215.

2. Зверев В.А., Золин А.В., Ломакин В.В., Ульяненков А.В. Анализ динамики и прочности несущих конструкций отводимых устройств агрегатов стартовых ракетных комплексов. / Актуальные проблемы российской космонавтики -Материалы XXXIV академических чтений по космонавтике М., январь 2010 г., С. 328.