Лабораторная работа № 2 по РКТ КОНСТРУКЦИЯ ГОЛОВНОГО БЛОКА (ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ) РЛА

Лабораторная работа № 2 по РКТ КОНСТРУКЦИЯ ГОЛОВНОГО БЛОКА (ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ) РЛА

Лабораторная работа № 2 по РКТ КОНСТРУКЦИЯ ГОЛОВНОГО БЛОКА (ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ) РЛА

Лабораторная работа № 2 по РКТ


КОНСТРУКЦИЯ ГОЛОВНОГО БЛОКА (ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ) РЛА


В верхней части ракетного летательного аппарата располагается полезный груз. В качестве полезного груза могут быть старшая ступень у составных ракет, отсек оборудования, космический корабль, искусственный спутник, контейнер с научной аппаратурой, боевой груз и т.д.

Для защиты полезного груза от воздействий окружающей среды и внешних нагрузок, а также для придания обтекаемых аэродинамических форм предназначен элемент, получивший название по месту расположения - головной обтекатель.

Таким образом, верхняя часть ракеты с размещенным в ней полезным грузом будет называться головной частью (для моноблочной одноступенчатой ракеты легкого класса) или головным отсеком (для крупногабаритных ракет более тяжелого класса), или головным блоком (для полиблочных многоступенчатых ракетных летательных аппаратов.

Головной блок ракетного летательного аппарата является в основном автономной структурной единицей, состав которой меняется в зависимости от решаемой задачи и практически не влияет на комплектацию ракетных блоков летательного аппарата.


2.1. Основные требования к конструкции головных частей

Головная часть является основным элементом конструкции, определяющим эффективность, стартовую массу и габаритные размеры ракетного летательного аппарата. Несмотря на всё разнообразие конструкции ГЧ, они должны удовлетворять следующим общим требованиям.

1. Достаточно высокая прочность при воздействии знакопеременных нагрузок как на активном, так и на пассивном участках полета;

2. Большая теплостойкость (температура приграничного слоя может достигать 12 000 °С);

3. Оптимальное размещение полезного груза заданных форм и габаритов, а также простота внешних обводов;

4. Обеспечение условий требуемой теплозащиты при минимальном коэффициенте силы лобового сопротивления;

5. Наименьшая площадь внешней поверхности при максимальном объеме и заданной форме полезного груза;

6. Высокая надежность решения поставленной задачи;

7. Минимизация массы конструкции головной части, что позволяет увеличить массу полезного груза;

8. Простота и удобство установки и монтажа полезного груза;

9. Обеспечение необходимой температуры и давления в отсеке с полезным грузом;

10. Удобство стыковки головной части с корпусом ракетного летательного аппарата;

11. Простота и технологичность изготовления головной части;

12. Обеспечение минимального рассеивания параметров выведения полезного груза в заданную точку;

13. Обеспечение устойчивости движения ракеты на атмосферном участке траектории полета при минимальном запасе статической устойчивости конструкции ГЧ.


2.2. Формы аэродинамических обводов головных частей

Основными формами корпуса головной части могут быть конические, конические со скругленным наконечником, конические со сферическим притуплением и коническим стабилизатором, конические со сферическим притуплением и расширяющимся коническим стабилизатором, двухконусные, цилиндроконические, цилиндроконические со сферическим притуплением наконечника и коническим стабилизатором и оживальной (рис. 3.1).

Для размещения большого объема полезного груза наилучшей формой корпуса является оживальная (рис. 3.1з). Коническая (рис. 3.1а) и цилиндрическая формы в этом отношении менее удачны.


С точки зрения аэродинамического нагрева наиболее благоприятной формой является коническая со скругленным наконечником (рис. 3.1б) и цилиндроконическая (рис. 3.1). Количество тепла, поглощаемое единицей поверхности головной части при движении в плотных слоях атмосферы, в значительной степени определяется баллистическим коэффициентом, который зависит от формы корпуса и угла атаки. Известно, что перед снижающейся головной частью образуется ударная волна, за которой происходит образование плазмы (ионизированного воздуха), сопровождающееся повышением давления и температуры. Перед притуплённым наконечником головной части конической (рис. 3.1бд) или цилиндроконической (рис. 3.1) формы образуется мощная ударная волна, приводящая к рассеянию значительного количества тепловой энергии в окружающем пространстве. Вследствие скругления увеличивается также поверхность головной части, через которую отводится тепло внутрь теплозащитного покрытия. Коническая головная часть (рис. 3.1а) в этом отношении наименее благоприятна, поскольку вершина корпуса является точкой полного торможения и носовой конус сильно нагревается. Цилиндроконическая форма (рис. 3.1ж) со сферическим наконечником обладает также существенными преимуществами по массе, запасу статической устойчивости и габаритам по сравнению с конической формой (рис. 3.1аи б). С точки зрения аэродинамического сопротивления наиболее рациональными являются оживальная (рис.3.1з) и коническая (рис.3.1а, б и в) формы корпуса.

Радиоотражательная способность головной части, что важно для боевых ракет, зависит от ее размеров, конфигурации и материалов корпуса. Наименьшие размеры имеет цилиндроконическая (рис. 3.1еи ж) форма. Однако интенсивная ударная волна перед скруглением головной части и след ионизированного воздуха, возникающие при движении в плотных слоях атмосферы, являются серьезными демаскирующими факторами для радиолокационных станций (РЛС) противника. Поэтому наиболее рационально применение конической формы головной части с расширяющимся коническим стабилизатором (рис. 3.1 г) для ракет малого класса и двухконусной (рис. 3.1 д) для более крупных ракет.

Головная часть оживальной формы (рис. 3.1з) создает значительно менее интенсивную ударную волну. Для радиолокационной маскировки при изготовлении корпуса головной части боевых ракет используются специальные материалы, пропускающие или поглощающие излучения РЛС и оставляющие слабый ионизированный след. Именно поэтому на боевых ракетах "Поларис-A3" и "Минитмен-3", используются головные части с оживальной формой корпуса.





2.3. Конструктивно-силовые схемы головных частей ракетных ЛА

Головной отсек (рис. 3.4) ЛА обычно представляет собой полезный груз, который нужно доставить ракетой, силовую конструкцию корпуса головной части и элементов вспомогательного назначении. Конструкция головного отсека, как уже отмечалось, индивидуальна и от нее зависит конструкция ракеты. Это обусловлено в основном массово-инерционными характеристиками отсека и в меньшей степени его, например, геометрической конфигурацией или внутренним строением. Иногда головкой отсек называют "головной частью".

Корпус головного отсека или головной части состоит (рис. 3.4) из головного обтекателя (наконечник 3и оболочка собственно корпуса 10) и днища 17.

Наконечник 3делают либо монолитным, либо в виде толстостенного двухслойного сферического сегмента переменной толщины. В любом случае наконечник состоит из металлической (чаще всего стальной или титановой) арматуры и теплоизоляционного биметаллического покрытия (спецпластмассы).

Корпус 10(или головной обтекатель) выполняется в виде двухслойной оболочки вращения, состоящей из одного или нескольких усеченных конусов с прямолинейными или криволинейными (парабола, эллипс, гипербола) образующими. Наружный слой – теплозащита (например, стеклотекстолит), внутренний – металлическая силовая оболочка (например, алюминиевый сплав АМг6).

Днище 17головной части представляет собой выпуклый или вогнутый сферический сегмент с фланцем. Это двухслойная оболочка. Внутренний слой – силовой, он предназначен для восприятия внутреннего давления в условиях космоса (при Р < Ра). Его выполняют из сплава алюминия (например АМг6). Наружный слой – теплозащитный. К носителю (ракете) головной блок крепится пироболтами, расположенными на шпангоуте крепления днища.

Силовая оболочка корпуса головной части без промежуточных подкреплений наиболее рациональным образом воспринимает внешнее давление, осевую силу и изгибающий момент. По стыкам конусов, а также в местах крепления наконечника, днища и полезного груза в металлической оболочке имеются силовые кольцевые ребра (силовые шпангоуты). Силовые шпангоуты и другие кольцевые ребра обычно выполняют из того же материала или делают заодно целое с силовой оболочкой. Силовую оболочку головных частей больших габаритов делают из частей (панелей), соединяемых кольцевыми сварными или клепаными швами.

Так как внешние обводы корпуса головной части в значительной степени влияют на аэродинамические характеристики ракеты-носителя в целом, то они должны обеспечивать также обтекание газовым потоком, при котором образуется минимальное число зон с вихревым характером обтекания, являющихся источником динамического нагружения конструкций.

Кроме того, корпус головной части ракеты-носителя должен удовлетворять помимо общих ряду требований, обусловленных функциональным назначением.

При разработке корпуса головной части необходимо предусмотреть защиту полезного груза от пыли и влаги в условиях наземной эксплуатации, а также стабильный тепловой режим под обтекателем как в условиях наземной эксплуатации, так и в полете.


2.6. Конструкции ГЧ РН со сбрасываемыми обтекателями

Силовая оболочка обтекателя состоит (рис. 3.9) из обшивки 1и часто расположенных шпангоутов 2. Такая конструкция является наиболее рациональной тогда, когда главной нагрузкой является внешнее давление. В торцевой части для восприятия изгибающего момента и продольной силы устанавливают стрингеры 3. Торцовый шпангоут делается усиленным по сравнению с промежуточными шпангоутами. В нем имеются отверстия под штыри для передачи поперечной (перерезывающей) силы. В местах крепления обтекателя к корпусу ракеты оболочка усиливается фитингами стыковочного узла 5. Вдоль продольного разреза обтекателя сбрасываемые полуоболочки окантовываются усиленными стрингерами 4, а шпангоуты соединяются пиропатронами.

В общем случае для крепления створок головного обтекателя помимо пироболтов или пирозамков могут использоваться и механические замки, а также удлиненные кумулятивные заряды и детонирующие шнуры. В процессе сброса створок раскрываются также закрепленные на них гидро-, пневмо- и электроразъемы.


КОНСТРУКЦИЯ СУХИХ ОТСЕКОВ РЛА


5.1 Классификация сухих отсеков РЛА


В этой главе рассмотрены конструкции сухих отсеков корпуса РЛА.К сухим отсекам принято относить все небаковые конструкции корпуса ракеты, кроме ферменных конструкций и крепежных рам. Корпусы небаковых отсеков имеют много общего в конструктивном оформлении. Это подкрепленные оболочки, воспринимающие эквивалентную осевую сжимающую силу и внешнее аэродинамическое давление. В практике проекти­рования под сухими подразумеваются отсеки, предназначенные для размеще­ния приборов, систем управления, ДУ и др. Ввиду различного назначения, они имеют свои особенности в конструктивно-силовых схемах.

Сухие отсеки можно классифицировать по месту расположения, по назначению, по конструкции и по форме (см. рис. 5.1).


Рис. 5.1. Классификация сухих отсеков РЛА


По месту расположениясухие отсеки разделяются на отсеки верхней части ракеты, отсеки средней части ракеты и отсеки нижней части ракеты.

В верхней части ракеты (рис. 5.2) располагают оборудование, кон­тейнер с научной аппаратурой, приборы и аппаратуру систем управления и устройства связи. Характерным для этих отсеков является отсутствие у них переменных масс, расходуемых на активном участке полета.

В отсеках средней части ракеты (рис. 5.3) или межбаковых (пере­ходных) отсеках, могут располагаться оборудование, приборы управления, научная аппаратура и другие постоянные по массе грузы. Иногда отсек средней части служит просто соединительным звеном (например, между верхним и нижним баками - межбаковый, между высшей и низшей сту­пенью многоступенчатой ракеты - переходный) и не содержит каких-либо постоянных или переменных масс.


Рис. 5.2. Схема отсека, расположенного в верхней части ракеты:

1 – головная часть; 2 – приборный отсек


Рис. 5.3. Схема отсека, расположенного в средней части ракеты:

1 – головная часть; 2 – верхний несущий бак; 3 – межбаковый отсек


Отсеками нижней части (рис. 5.4) ракеты - хвостовыми - может быть двигательный отсек или отсек оборудования и приборов управления. Характерным для этих отсеков является то, что они расположены под главными расходуемыми массами горючего и окислителя.


Рис. 5.4. Схема отсека, расположенного в нижней части ракеты:

1 – приборный отсек


По назначениюотсеки могут быть приборными, межбаковыми (переход­ными) и двигательными.

По конструкцииразличают сухие отсеки,представляющиесобой подкре­пленную или неподкрепленную оболочку.

Неподкрепленные оболочки корпуса отсека представляют собой обшивку из гладкого листового материала без силового набора, стрингеров и промежуточных шпангоутов. Они самые простые по конструкции и недороги в изготовлении. Но из-за малой эффективности применяются только для коротких цилиндрических переходных участков (рис. 5.5).


Рис. 5.5. Конструктивное исполнение отсека с неподкрепленной (гладкой) оболочкой: 1 – обшивка; 2 – шпангоут стыковочный; 3 – люк;

4 – штырь; 5 – заклепка; 6 – винт


Отсеки стрингерной (рис. 5.6) и лонжеронной конструкции отличаются между собой условиям восприятия нагрузки. Стрингерные не допускают потери устойчивости обшивки между стрингерами и шпангоутами, а в лонжеронной – работают в основном лонжероны с прилегающей к ним обшивкой. По внешнему виду эти конструкции очень схожи, т.к. лонжероны – это усилен­ные стрингеры; ставятся они значительно реже, а обшивка более тонкая, чем у стрингерных конструкций.


Рис. 5.6. Вариант исполнения конического отсека стрингерной конструкции:

1 – обшивка; 2 – стрингер типовой; 3 – стрингер обшивочный;

4 – шпангоут промежуточный; 5 – шпангоут стыковой; 6 – люк;

7 – заклепка; 8 – штырь; 9 – теплозащитное покрытие


Отсеки монолитной (панельной) конструкции изготавливаются из отдельных панелей (вафельной или стрингерной), выполняемых за одно целое (рис. 5.7).

Панели стрингерного типа изготавливаются прессованием, а вафельно­го – химическим травлением, механическим или электрохимическим фрезеро­ванием. Материал панелей – в основном алюминиевые сплавы.

В последние годы получают широкое распространение гофрированные конструкции оболочек отсеков, являющиеся наиболее рациональной конс­трукцией при малых сжимающих усилиях. У таких отсеков обшивка сущест­венно подкреплена (рис. 5.8а и рис. 4.13а), и поэтому не теряет устойчивости.

Гофрированная конструкция изготавливается из листов алюминиевых спла­вов или коррозионно-стойких сталей. Обычно гофры бывают трапецеидальной или синусоидальной формы (см. рис. 5.8). Такая конструкция обшивки чаще всего требует подкрепления мощными балками.




Рис. 5.7. Варианты конструктивного исполнения монолитных панелей оболочек отсеков: а – стрингерного типа; б – вафельной конструкции:

1 – шпангоут стыковочный; 2 – сварной шов; 3 – панель вафельная


Рис. 5.8. Принципиальная схема (а) и варианты исполнения обшивки (б-г):

1,3 – обшивка; 2 – гофр; 4 – стрингер усиленный


Рис.4.13. Конструкция трехслойных оболочек с заполнением в виде

а – однослойного гофра; б – швеллера; в – сот:

1 – внешняя, 3 – внутренняя обшивки; 2 – гофр; 4 – швеллер; 5 – соты


Отсеки с многослойной конструкцией обшивки при достаточно высокой прочности и жесткости и малой массе также обладают высокими технологи­ческими свойствами. Особенно эффективны трехслойные панели (см. рис. 4.13) с сотовым заполнителем. Сотовая конструкция состоит из двух листовых обшивок, сваренных или склеенных с шестигранным (рис. 4.13в) или квадратным сотовым заполнителем, изготовленным из коррозионно-стойкой стали или алюминиевого сплава.

Перспективны многослойные конструкции из композиционных материа­лов. Особенности композиционных материалов будут рассмотрены отдель­но.

По форме отсеки представляют собой тонкостенные цилиндрические или конические оболочки.


5.3. Конструкции переходных отсеков


Переходной отсек многоступенчатой ракеты прежде всего играет роль защитного кожуха-обтекателя соплового блока ступени. Он необходим при транспортировке ракеты, так как предохраняет от повреждений элементы органов управления и другие детали соплового блока. При прохождении в плотных слоях атмосферы – снижает аэродинамическое сопротивление ракеты, так как образует требуемые обводы. Кроме того, этот отсек предназначен для восприятия осевых нагрузок, передающихся от последней ступени к предыдущей.

После разделения ступеней, так как переходной отсек в безвоздушном пространстве оказывается ненужным, он сбрасывается.

На рис. 5.12а представлена схема корпуса переходного отсека стрингерно-шпангоутного типа, а на рис. 5.12б – ферменной конструкции.


Рис. 5.12. Варианты конструктивного исполнения переходных отсеков:

а – оболочечной конструкции: 1 – люк; 2 – штырь; 3 – шпангоут передний стыковочный; 4 – обшивка; 5 – шпангоут задний стыковочный;

б – ферменной конструкции: 1 – штырь; 2 – фитинг; 3 – стержень; 4 – пята


5.4. Конструкция межбакового отсека


Межбаковый отсек – это переходной отсек, служащий для соединения в одно целое топливных баков одноступенчатой ракеты или ракетного блока многоступенчатой ракета. Межбаковый отсек может использоваться для размещения приборов и аппаратуры (рис. 5.2) или для обеспечения межбаковой изоляции (рис. 5.3), или может вообще отсутствовать при совмещенном днище.

Корпус межбакового отсека (рис. 5.14а) имеет конструкцию, характерную для отсека, нагруженного распределенными усилиями, и состоит из обшивки, промежуточных и торцевых шпангоутов и стрингеров, образующих поперечный и продольный силовые наборы соответственно (характерная конструкция стрингерно-шпангоутного типа).


Рис. 5.14. Конструктивно-силовая схема корпуса межбакового отсека:

а – общий вид; б, в – внутренний и наружный продольные наборы;

г – схема люка; 1 – стрингер; 2 – шпангоут стыковочный; 3 – шпангоут промежуточный; 4 – обшивка; 5 – крышка люка; 6 - окантовка


5.5. Конструкции хвостового отсека


Хвостовой отсек, переходной отсек первой ступени, служит для размещения двигателей, систем и агрегатов ДУ, а также для установ­ки ракеты и восприятия нагрузок от стартового устройства и несет стабилизаторы, если они предусмотрены конструкцией.

Кроме того, хвостовой отсек на кормовом срезе снабжается приемлемой конструкцией огневой донной защиты, предотвращающей проникновение внутрь отсека горячих газов, исходящих из сопел двигателей и отражающихся от старто­вого устройства.

По форме корпус хвостового отсека может быть цилиндрическим или в виде усеченного конуса, расширяющегося или сужающегося к кормовому сре­зу ракеты. Он может иметь длину, обеспечивающую полное закрытие сопел, либо может быть укороченным, прикрывающим сопла лишь частично (рис. 5.16). Хвостовые отсеки в виде усеченного конуса, расширяющегося (сужающегося) к кормовому срезу ракеты, применяются в том случае, когда поперечный размер ДУ больше (меньше) диаметра корпуса ракеты. Кроме то­го, расширяющийся конический хвостовой отсек способен придать ракете достаточную степень статической устойчивости. В этом случае не требу­ется установки специальных стабилизаторов. Увеличение внешнего диаметра нижнего опорного шпангоута хвостового отсека повышает устойчи­вость ракеты на пусковом устройстве.


Рис. 5.16. Конструктивно-силовые схемы хвостовых отсеков, имеющих нормальную длину (а) и укороченных (б): 1 – корпус; 2 – силовая рама крепления ДУ; 3 – ДУ; 4 – стабилизаторы; 5 – донная защита



Контрольные вопросы к лабораторной работе № 2


  1. Что может быть ПН [полезной нагрузкой]? Каково назначение ГО [головного обтекателя]? Когда он сбрасывается?

  2. Какие существуют варианты названия верхней части ракеты, и для каких типов ракет какой вариант используется? На какие характеристики ракеты влияет ГЧ [головная часть]?

  3. Перечислить требования к конструкции ГЧ.

  4. Какую форму может иметь корпус ГЧ (рис. 3.1)?

  5. Какая форма корпуса ГЧ лучше:

- для размещения ПН большого объема;

- по массе и габаритам;

- с точки зрения аэродинамического нагрева;

- с точки зрения аэродинамического сопротивления;

- для боевых ракет с точки зрения радиоотражательной способности и минимального ионизированного воздуха за ГЧ?

  1. Рассказать про состав корпуса ГЧ (рис. 3.4).

  2. Подробно рассказать про наконечник ГЧ.

  3. Подробно рассказать про корпус ГЧ, т.е. про ГО.

  4. Подробно рассказать про днище ГЧ.

  5. Подробно рассказать про силовую оболочку корпуса ГЧ.

  6. Рассказать про рис. 3.9.

  7. Перечислить способы крепления створок ГО.

  8. Какие отсеки относят к сухим? Что сухие отсеки представляют собой?

  9. Какие классификации сухих отсеков РЛА существуют? Рассказать виды сухих отсеков по одной из классификаций (по заданию преподавателя).

  10. Какие бывают сухие отсеки по месту расположения на РЛА? Рассказать про каждый вид подробно (можно использовать рисунки 5.2 – 5.4).

  11. Рассказать про сухие отсеки с неподкрепленным корпусом (использовать рис. 5.5).

  12. Рассказать про сухие отсеки стрингерной и лонжеронной конструкции (использовать рис. 5.6).

  13. Рассказать про сухие отсеки монолитной конструкции (использовать рис. 5.7).

  14. Рассказать про сухие отсеки гофрированной конструкции (использовать рис. 4.13).

  15. Рассказать про сухие отсеки многослойной конструкции (использовать рис. 5.8).

  16. Каково назначение переходных отсеков?

  17. Какие бывают конструкции переходного отсека? (использовать рис. 5.12).

  18. Каково назначение межбакового отсека? Рассказать про силовой набор корпуса межбакового отсека (рис. 5.14а).

  19. Каково назначение хвостового отсека? Рассказать про форму и длину хвостового отсека (использовать рис. 5.16).