РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЖИДКОСТНЫХ РН ПАКЕТНОЙ КОМПОНОВКИ
2.1. Общая характеристика РН
Конструкции многоступенчатых жидкостных РН пакетной компоновки имеют сложное продольно-поперечное деление ступеней в виде пространственного пакета связанных упруго деформируемых тел - сложных пространственных подкрепленных тонкостенных оболочек (центрального блока, боковых модулей и баков) с общей продольной осью (рис. 2.1, 2.2).
Центральный блок РН в продольном направлении разделен на части (ступени). В подвесных модулях и баках, а также в каждой ступени блока РН имеются емкости для заполнения жидким топливом (горючим и окислителем). Расход жидкого топлива зависит от мощности двигательных установок ступеней блока и модулей.
В нижних сечениях каждой ступени центрального блока РН и подвесных модулей размещены массивные конструктивные элементы (двигательные установки, устройства стабилизации и т.д.). Полезный груз космического аппарата размещен в корпусе первой ступени РН под тонкостенной оболочкой обтекателя.
Центральный блок, подвесные модули и баки соединены в пространственный пакет специальной системой межблочных связей (центральных, боковых). Технические решения центральных межблочных связей (рис.2.3а), как правило, представлены массивными шарнирными узлами (рис.2.4), в то время как боковые связи (рис.2.3б) - тонкостенные стержневые элементы с шарнирными узлами либо резьбовым соединением на концах (рис.2.5) [18, 84].
Типовыми элементами конструкций блока, модулей и баков корпуса РН с
несущими отсеками для жидкости, являются секции тонкостенных подкрепленных оболочек большого диаметра. Это переходные отсеки, топливные емкости (баки) с горючим и окислителем, хвостовой и приборный отсеки, адаптер (отсек) для стыковки космических аппаратов и другие. Большая часть отсеков корпуса РН (хвостовой, приборный, топливные баки) имеют цилиндрическую форму (рис.2.2). Другие отсеки, как, например, передняя часть головного аэродинамического обтекателя, переходные отсеки, адаптер, имеют форму конуса.
Основными конструктивными элементами баков жидкостных ракет являются цилиндрическая оболочка, образующая стенку бака, верхнее и нижнее днища, распорно - стыковочные и промежуточные шпангоуты. Стенка бака представляет собой силовую оболочку, воспринимающую внутреннее избыточное давление и воздействие изгибающих моментов, осевых и перерезывающих сил. Стенки бака могут быть как гладкими, так и подкрепленными оболочками, которые свариваются из отдельных панелей или обечаек. Подкрепленные оболочки могут иметь продольный силовой набор в виде стрингеров или поперечный набор в виде шпангоутов, либо комбинированный продольно-поперечный силовой набор. В настоящее время широко используются полученные из листовых заготовок оболочки с продольно-поперечным силовым набором "вафельного" типа [20,119].
Днища баков которые по форме могут быть сферическими, эллиптическими или коническими [103] привариваются к торцевым распорным шпангоутам.
Элементами конструкции хвостовых и приборных отсеков являются стрингеры (лонжероны), шпангоуты и обшивка, воспринимающие все нагрузки, действующие на РН. Как правило, они соединяются между собой методом клепки.
Стрингеры (лонжероны), являясь продольными несущими элементами конструкции, воспринимают совместно с обшивкой осевые нагрузки и изгибающие моменты, действующие на отсек. Лонжероны устанавливаются в тех случаях, когда необходимо воспринять большие сосредоточенные осевые нагрузки, поэтому площадь сечения лонжеронов значительно больше площади сечения стрингеров.
Шпангоуты подразделяются на нормальные, усиленные и стыковочные.
Нормальные шпангоуты служат в основном для обеспечения формы поперечного сечения отсека, являясь опорами для стрингеров и обшивки.
Усиленные шпангоуты предназначены для восприятия значительных местных сосредоточенных сил (моментов) и передачи их на обшивку в виде распределенной нагрузки. Пространственные деформации здесь обычно затухают от точки или сечения приложения внешней нагрузки на расстоянии равном диаметру отсека. Усиленные шпангоуты устанавливаются в местах крепления рулевых двигателей, приборов и межблочных связей.
Стыковочные шпангоуты располагаются на торцах отсеков и служат для соединения отсеков.
Переходные отсеки могут иметь цилиндрическую или коническую форму. Коническая форма обычно используется при соединении цилиндрических отсеков с различными диаметрами поперечного сечения. Переходные отсеки могут быть изготовлены в виде подкрепленных оболочек или стержневых пространственных многоузловых ферм.
Под действием сил отсеки работают как самоуравновешенные балки без опор, которые подвергаются различным видам упругой деформации: изгибу, сдвигу, кручению, а также сжатию или растяжению. Все элементы конструкций отсеков (обшивка, стрингеры, шпангоуты) участвуют в передаче нагрузок.
Для рассматриваемых РН геометрические и жесткостные параметры, а также инерционно-массовые характеристики цилиндрической и конической секций корпусных элементов РН являются известными величинами. В частности, определены линейные размеры секций, толщины обшивок для каждого из сечений, а также площади и моменты инерции сечений профилей, применяемых для изготовления продольного и поперечного силовых наборов. Известны также физико-механические свойства материалов.
Двигательные установки и управляющие органы (в дальнейшем двигатели) как массивные элементы конструкции РН, размещены симметрично относительно продольной оси упругих рамных платформ ступеней центрального блока и подвесных модулей. Эквивалентные массовые и жесткостные характеристики механической системы, представленной двигателем на платформе, зависят от конструкции двигателя и способа его крепления к раме.
Осуществляя колебания вместе с корпусом, система двигатель на платформе оказывает влияние на формы колебаний корпуса. Учет собственных частот колебаний двигателя имеет важное значение, как для опре