ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ имени А.Ф.Можайского НАЗЕМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Учебник Учебное издание « Наземное технологическое оборудование» решением редакционной коллегии Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского утверждено в качестве учебника по дисциплине «Наземное технологическое оборудование» и рекомендовано для обучающихся по основным профессиональным образовательным программам высшего образования – программам специалитета по специальности 24.05.01 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», смежных специальностей по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 24.00.00 «Авиационная и ракетно-космическая техника», протокол № 2 от 16 февраля 2021 года Санкт-Петербург 2021 УДК 378.014.15 + 355.232.6 ББК 74.58к1 Н 832 Авторы: доктор технических наук, профессор Владимир Владимирович Козлов кандидат технических наук, доцент Игорь Олегович Кукушкин; кандидат технических наук, доцент Андрей Валерьевич Лагун; кандидат технических наук, доцент Михаил Андреевич Марченко; Рецензенты: доктор технических наук, профессор Лебедев Евгений Леонидович; доктор технических наук, профессор Федоров Алексей Владимирович Наземное технологическое оборудование [Электронный ресурс]: Н 832 учебник / В.В. Козлов, И.О. Кукушкин, А.В. Лагун, М.А. Марченко. – Электрон. текстовые дан. (20,0 МБ) – СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2021. – 1 электрон. опт. диск (СD). В учебнике рассмотрены состав, устройство и основные этапы работы технологического оборудования ракетно-космических комплексов. Особое внимание уделено изучению возникающих нагрузок на отдельные элементы технологического оборудования и его взаимодействию при функционировании. Настоящий учебник предназначен для курсантов, изучающих дисциплину «Наземное технологическое оборудование» по специальности «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетнокосмических комплексов» и дисциплины, рассматривающие наземное технологическое оборудование РКК, по смежным специальностям. Учебник разработан авторским коллективом в составе: доктора технических наук, профессора В.В. Козлова − руководитель авторского коллектива (глава 1), кандидата технических наук, доцента А.В. Лагуна (главы 2, 6), кандидата технических наук, доцента И.О. Кукушкина (главы 3, 5), кандидата технических наук, доцента М.А. Марченко (глава 4). Минимальные системные требования: Pentium IV, Intel X86, 64X, AMD 32X, не менее 1 ГГц; 512 Mb RAM; необходимо на винчестере 320 МБ; Windows XP или более поздняя версия; видеосистема SVGA с разрешением 1024 х 768; DVD-ROM дисковод, мышь; Adobe Acrobat Reader IX или более поздняя версия. УДК 378.014.15 + 355.232.6 ББК 74.58к1 ISBN 978-5-6046020-4-1 © ВКА имени А.Ф. Можайского, 2021 Электронное учебное пособие разработано с помощью программного обеспечения Microsoft Office, SunRav BookOffice, SunRav TestOfficePro, Adobe Acrobat Pro. Техническая обработка и подготовка материалов для учебного электронного издания: И.О. Кукушкин, А.В. Лагун Подписано к использованию «____» ____________ 20____ г. Объем издания – 20,0 Мб. Тираж 50 CD. Запись на материальный носитель – ВКА имени А.Ф.Можайского, 197198, г. Санкт-Петербург, ул. Ждановская, 13, e-mail: vka @mil.ru, тел. (812) 347-97-69; Оглавление Оглавление ................................................................................................................... 4 Список сокращений..................................................................................................... 8 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАЗЕМНОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ .................................................................................................... 10 1.1. Космодромы и полигоны ............................................................................... 10 1.1.1. Общие сведения о космодромах, полигонах и ракетно-космических комплексах ....................................................................................................... 10 1.1.2. Качественные и количественные показатели РКК ............................ 21 1.1.3. Технологический процесс подготовки и пуска РКН ......................... 28 1.2. Технические и стартовые комплексы .......................................................... 38 1.2.1. Общие сведения о технических и стартовых комплексах ................ 38 1.2.2. Технологическое оборудование технических и стартовых комплексов ....................................................................................................... 42 1.3. Основы проектирования ракетно-космических комплексов .................... 49 1.3.1. Концепция, принципы и критерии проектирования РКК ................. 49 1.3.2. Проблемы оценивания комплексов и пути их решения.................... 65 1.4. Нагрузки, действующие на наземное технологическое оборудование при эксплуатации .......................................................................................................... 73 Контрольные вопросы к главе 1 .......................................................................... 77 2. ПУСКОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ........................................................................ 78 2.1. Общие сведения о пусковом оборудовании ................................................ 78 2.1.1. Требования нормативно-технической документации, предъявляемые к пусковому оборудованию ................................................ 80 2.1.2. Общие сведения о пусковых установках ............................................ 82 2.2. Основные схемы пусковых установок ......................................................... 87 2.3. Системы и механизмы пусковых установок ............................................. 101 2.3.1. Системы приема ракеты космического назначения на опоры пускового стола ............................................................................................. 101 2.3.2. Системы ориентации опор пускового стола .................................... 104 2.3.3. Система вертикализации .................................................................... 107 2.3.4. Системы азимутального наведения ................................................... 121 2.3.5. Системы ветрового крепления ........................................................... 128 2.3.6. Система удержания РКН на опорах пускового стола ..................... 131 2.3.7. Системы защиты пускового стола ..................................................... 134 2.3.8. Системы охлаждения пускового стола ............................................. 137 2.3.9. Системы пожаротушения пускового стола ...................................... 140 4 2.4. Математические модели процессов нагружения пусковых установок . 143 2.4.1. Характеристики газовой струи .......................................................... 143 2.4.2. Нестационарные газодинамические процессы при пуске РКН ..... 156 2.4.3. Стационарные газодинамические нагрузки ..................................... 164 2.4.4. Эжекционные процессы при пуске РКН .......................................... 175 2.4.5. Акустические и вибрационные процессы при пуске РКН ............. 177 2.4.6. Ветровые нагрузки при пуске РКН ................................................... 190 2.4.7. Тепловые нагрузки .............................................................................. 191 Контрольные вопросы к главе 2 ........................................................................ 207 3. СРЕДСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ ...................................................................... 208 3.1. Общие сведения о средствах обслуживания ............................................. 208 3.1.1. Назначение и состав средств обслуживания .................................... 208 3.1.2. Условия эксплуатации средств обслуживания ................................ 211 3.1.3. Нагрузки, действующие на средства обслуживания при эксплуатации .......................................................................................... 213 3.2. Агрегаты обслуживания .............................................................................. 237 3.2.1. Назначение и классификация агрегатов обслуживания.................. 237 3.2.2. Конструкция и состав технологического оборудования агрегатов обслуживания ................................................................................................ 244 3.2.3. Механизмы передвижения агрегатов обслуживания ...................... 250 3.2.4. Противоугонные захваты агрегатов обслуживания ....................... 256 3.2.5. Системы доставки и эвакуации персонала ....................................... 262 3.2.6. Устойчивость агрегатов обслуживания ............................................ 271 3.3. Кабель-мачты ................................................................................................ 274 3.3.1. Назначение и классификация кабель-мачт ....................................... 274 3.3.2. Условия эксплуатации кабель-мачт .................................................. 280 3.3.3. Динамика отвода кабель-мачты......................................................... 285 3.4. Оборудование стыковки и отвода коммуникаций .................................... 297 3.4.1. Назначение и классификация оборудования стыковки и отвода коммуникаций ............................................................................................... 297 3.4.2. Конструкция механизмов автоматической стыковки коммуникаций ............................................................................................... 300 3.4.3. Особенности функционирования оборудования стыковки и отвода коммуникаций ............................................................................................... 306 Контрольные вопросы к главе 3 ........................................................................ 309 4. ТРАНСПОРТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ............................................................. 310 4.1. Общие сведения о транспортном оборудовании ...................................... 310 4.1.1. Назначение и состав транспортного оборудования ........................ 310 5 4.1.2. Способы и условия транспортировки ракетно-космической техники ........................................................................................................... 314 4.2. Специальные железнодорожные транспортные средства РКК .............. 320 4.2.1. Назначение и состав железнодорожных транспортных средств ... 320 4.2.2. Требования к транспортировке изделия ........................................... 321 4.2.3. Конструктивно-компоновочные схемы специальных железнодорожных транспортных средств .................................................. 325 4.2.4. Общежелезнодорожное оборудование специального транспортного средства .......................................................................................................... 332 4.3. Основные эксплуатационные нагрузки, действующие на транспортное оборудование ....................................................................................................... 340 4.4. Динамика транспортных средств ............................................................... 345 4.4.1. Виды колебаний транспортных средств ........................................... 345 4.4.2. Свободные колебания железнодорожных транспортных средств . 346 4.4.3. Вынужденные колебания железнодорожных транспортных средств ............................................................................................................ 357 Контрольные вопросы к главе 4 .................................................................. 370 5. ТРАНСПОРТНО-УСТАНОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ............................ 371 5.1. Общие сведения о транспортно-установочном оборудовании .............. 371 5.1.1. Назначение, состав и требования к транспортно-установочному оборудованию ................................................................................................ 371 5.1.2. Классификация и анализ конструктивно-компоновочных схем транспортно-установочного оборудования ................................................ 374 5.2. Условия эксплуатации транспортно-установочного оборудования ....... 382 5.2.1. Эксплуатационные нагрузки, действующие на транспортноустановочное оборудование ......................................................................... 382 5.2.2. Грузовой момент ................................................................................. 385 5.2.3. Инерционный момент ......................................................................... 387 5.2.4. Ветровой момент ................................................................................. 391 5.2.5. Момент сопротивления от сил трения в шарнирах механизма ...... 393 5.2.6. Суммарный момент............................................................................. 394 5.3. Устройство и функционирование транспортно-установочного оборудования ....................................................................................................... 395 5.3.1. Системы подъема РКН ....................................................................... 395 5.3.2. Системы уравновешивания РКН ....................................................... 406 5.3.3. Системы вывешивания рам транспортно-установочных агрегатов ......................................................................................................... 423 5.3.4. Системы ориентирования и передачи веса РКН .............................. 431 6 5.3.5. Специальное оборудование транспортно-установочных агрегатов ......................................................................................................... 438 Контрольные вопросы к главе 5 .................................................................. 453 6. МЕХАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ................................... 454 6.1. Общие сведения о механотехнологическом оборудовании .................... 454 6.2. Подъемно-перегрузочное оборудование ................................................... 461 6.2.1. Назначение и состав подъемно-перегрузочного оборудования ..... 461 6.2.2. Особенности эксплуатации подъемно-перегрузочного оборудования ................................................................................................. 464 6.2.3. Технические и эксплуатационные характеристики грузоподъемных машин ............................................................................................................. 470 6.2.4. Краны мостового типа ........................................................................ 476 6.2.5. Краны стрелового типа ....................................................................... 492 6.3. Монтажно-стыковочное оборудование ..................................................... 504 6.3.1. Технология стыковки ракет-носителей ............................................ 504 6.3.2. Анализ конструктивно-компоновочных схем агрегатов МСО ...... 511 6.3.3. Динамика вертикальной стыковки ступеней РН ............................. 515 6.4. Стендовое оборудование ............................................................................. 519 6.4.1. Назначение и состав стендового оборудования............................... 519 6.4.2 Особенности механосборочных работ для КА ................................. 522 6.4.3. Статическая и динамическая балансировка, юстировка КА .......... 524 Контрольные вопросы к главе 6 ........................................................................ 532 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 533 7 Список сокращений АО – агрегат обслуживания АСУ – автоматизированная система управления АСУ ТО – автоматизированная система управления технологическим оборудованием АСУ ПП – автоматизированная система управления подготовкой и пуском ВО – вспомогательное оборудование ГПМ – грузоподъемные машины ГЗС – грузозахватные средства ДУ – двигательная установка ЗИП – запасные части, инструмент и принадлежности ЗНО – заправочно-нейтрализационное оборудование ЗО – заправочное оборудование КА – космический аппарат КВ – космические войска КГЧ – космическая головная часть КЗБ – кабель заправочная башня КК – космический комплекс КМТ – краны мостового типа КПД – коэффициент полезного действия КПиО – комплекс посадки и обслуживания КПО – комплект проверочного оборудования КРК – космический ракетный комплекс КРТ – компоненты ракетного топлива КС – космическая система КСТ – краны стрелового типа КСИСО – комплекс средств измерений, сбора и обработки информации КЭК – контрольно-эталонный комплекс МИК – монтажно-испытательный корпус МК – мостовой кран МСО – монтажно-стыковочное оборудование МСТ – монтажно-стыковочные тележки МТО – механотехнологическое оборудование НИР – научно-исследовательская работа НИОКР – научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы НКУ – наземный комплекс управления НППЭО – наземное проверочно-пусковое электрооборудование НТС – наземные технические средства ОКР – опытно-конструкторская работа ОСОК – оборудование стыковки и отвода коммуникаций ОТС – орбитальные технические средства ПВО – пневмовакуумное оборудование ПГС – пневмогидравлическая схема 8 ПИК ПО ППО ПРВР ПС ПСК ПУ РБ РКК РКН РН СК СН СНЭСТ СО СОБР СПДУ СпК СПС СТИ СтО СТС ТЗ ТК ТО ТС ТТХ ТУ ТУА ТУО ТУТ ЭО – полигонный измерительный комплекс – пусковое оборудование – подъемно-перегрузочное оборудование – послепусковые ремонтно-воссстановительные работы – пусковой стол – поисково-спасательный комплекс – пусковая установка – разгонный блок – ракетно-космический комплекс – ракета космического назначения – ракета-носитель – стартовый комплекс – система наблюдения – система наземного электроснабжения специальными токами – средства обслуживания – система обеспечения безопасности работ – система профилактики двигательной установки – специальный комплекс – система промышленных стоков – система телеизмерений – стендовое оборудование – система термостатирования – техническое задание – технологический комплекс – технологическое оборудование – технические средства – тактико-технические характеристики – технические условия – транспортно-установочный агрегат – транспортно-установочное оборудование – транспортно-установочная тележка – эксплуатационное оборудование 9 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАЗЕМНОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ 1.1. Космодромы и полигоны 1.1.1. Общие сведения о космодромах, полигонах и ракетно-космических комплексах Освоение космического пространства и использование орбитальных группировок космических аппаратов (КА) являются неотъемлемой частью современного мира. Успешное выполнение этой задачи возможно лишь при совместной согласованной работе большого круга специалистов в разных областях науки, техники и технологии и обеспечивается функционированием космической отрасли. Космическая отрасль – большая и сложная (как в научном, так и в обывательском плане) система технических и организационных структур. Состав отечественной космической отрасли и потребителей ее информации может быть представлен схемой, показанной на рис. 1.1. Освоение и использование космического пространства Управление Производство Эксплуатация Потребление Обучение Роскомос РКК Энергия ВКС МО РФ МО РФ ВУЗы ЦНИИМаш ГНПЦ имени М.В.Хруничева ЦЭНКИ ФСБ ВВУЗы ЦУП МЧС ОКИКи Мин.транс РКЦ Прогресс ИПы Рис. 1.1. Состав отечественной космической отрасли 10 Перечисленные на рис. 1.1 элементы космической отрасли страны решают следующие основные задачи: разработку технической политики в ракетостроении и освоении космического пространства; проектирование космических систем и комплексов; производство и монтаж оборудования космических комплексов; эксплуатацию наземной и орбитальной составляющей космических комплексов; подготовку квалифицированных кадров. Функционирование технической компоненты космической отрасли основано на эксплуатации большого количества как орбитальных, так и наземных космических средств (рис. 1.2). Рис. 1.2. Схема взаимодействия космических средств Среди наземных космических комплексов значимое место занимают космодромы (первоначальное название которых было полигоны). 11 Космодром – район местности, оборудованный в инженерном и топогеодезическом отношениях, с размещенными на нем сооружениями, коммуникациями, силами и средствами, осуществляющими и обеспечивающими хранение, содержание в установленных готовностях, подготовку к пуску, пуск и контроль полета ракет космического назначения на участке выведения. Расширение географии и национальной принадлежности космодромов (рис. 1.3), создание международных и национальных космических агентств не приводит к заметной унификации не только средств выведения, но и инфраструктур космодромов. Каждый космодром включает производственную сферу, специфическую для ракет космического назначения (РКН), пуск которых осуществляется с космодрома, а также ресурсообеспечивающую, коммуникационную, социально-бытовую и ряд других сфер. Стоимость каждой из перечисленных сфер очень высока, поэтому целесообразно концентрировать сходные для разных комплексов инфраструктуры в одном месте. Сегодня перечень стран и космодромов, эксплуатируемых ими или располагающихся на территории, может быть представлен следующим списком: Россия – «Плесецк», «Восточный», «Байконур» (арендует на территории Казахстана), «Куру» (арендует стартовый и технический комплекс на территории Французской Гвианы); США – «Космический центр им. Дж. Кеннеди», База ВВС США на мысе Канаверал (Восточный испытательный полигон), «Ванденберг» (Западный испытательный полигон), «Кадьяк», «Уоллопс», «Кваджалейн»; КНР – «Сичан», «Тайюань», «Цзюцюань», «Вэньчан»; Япония – «Танэгасима», «Утионура»; Бразилия – «Алкантара», «Баррейра-ду-Инферну»; КНДР – «Мусудан», «Сохэ»; Франция (Европейское космическое агентство) – «Куру» (на территории Французской Гвианы); Республика Корея – «Наро»; Израиль – «Пальмахим»; Индия – «Космический центр им. Сатиша Дхавана»; Иран – «Семнан»; Австралия – «Вумера». На рис. 1.4–1.6 представлены схемы космодромов «Байконур», «Плесецк» и «Восточный». 12 Рис. 1.3. Космодромы мира 13 Рис. 1.4. Космодром «Байконур» 14 Рис. 1.5. Космодром «Плесецк» 15 Рис. 1.6. Космодром «Восточный» 16 Создание космодромов производилось с учетом ряда требований: 1. Для снижения энергетических затрат на выведение КА место пуска должно быть по возможности ближе к экватору. 2. Трассы выведения РКН не должны нарушать международное право в сфере судоходства, воздушного сообщения; наносить ущерб хозяйству других государств. При использовании международных вод необходимо практиковать предупреждение судам и самолетам о недопустимости захода в опасные зоны. 3. Должна быть обеспечена безопасность пуска РКН на своей территории, в частности, возможность создания зон отчуждения на месте падения отработавших элементов РКН, а также вокруг районов расположения РКК на случай взрыва РКН при пуске и выведении. 4. Трассы полета КА должны позволять размещение вдоль них контрольно-измерительных пунктов и пунктов приема специальной информации. 5. Должны быть тщательно подобраны гидрологические условия районов расположения РКК, рельеф местности, структура грунта с точки зрения грунтовых вод, перепадов уровня и прочности грунта, что важно для строительных сооружений. 6. Климатические и метеорологические условия должны обеспечивать благоприятную обстановку для подготовки и пуска РКН (технические средства и сооружения РКК особенно чувствительны к повышенной ветровой нагрузке в связи с большой парусностью и значительной высотой). 7. Вблизи районов расположения ракетно-космического комплекса должны находиться водоемы для обеспечения водоснабжения, пожаротушения. 8. При выборе места расположения космодрома необходимо учитывать наличие развитых транспортных магистралей, отдаленности заводовизготовителей и арсеналов. Фактически все космодромы мира расположены на побережье океанов и только Китай и Россия создали космодромы в глубине континентов. Объект нашего изучения – наземное технологическое оборудование ракетно-космического комплекса (РКК). РКК – совокупность ракеты или РКН с функционально взаимосвязанными техническими средствами и сооружениями, предназначенными для обеспечения транспортировки, хранения, приведения в готовность и содержания в готовности технического оборудования, подготовки, пуска и контроля полета РКН на участке выведения [5]. 17 При изучении сложных технических систем (ракетно-космический комплекс является сложной технической системой) необходимо рассматривать РКК и как систему, и как элемент системы более высокого уровня [10]. Для того, чтобы понять роль и место РКК в иерархии космических средств, рассмотрим рисунок (рис. 1.7) и приведем перечень основных элементов этой схемы: Космическая система (КС) – совокупность одного или нескольких космических комплексов (КК) и специальных комплексов (СпК), предназначенных для решения целевых задач. Космический комплекс – совокупность функционально взаимосвязанных орбитальных и наземных технических средств, обеспечивающих как самостоятельное решение целевых задач на основе использования космического пространства, как и в составе космической системы. К орбитальным техническим средствам (ОТС) относятся космические аппараты, выведенные на орбиты. Наземные технические средства (НТС) можно разделить на две структуры – одна обеспечивает выведение КА на орбиту и, при наличии возвращаемых КА (элементов), их посадку и обслуживание, другая управляет КА при их работе на орбите. КС КК СпК ОТС НТС ПИК КПиО КА КА ПСК НКУ РКК КЭК Рис. 1.7. Состав космической системы К средствам, обеспечивающим выведение КА на орбиту, его посадку и обслуживание, относятся ракетно-космический комплекс, комплекс посадки и обслуживания (КПиО), поисково-спасательный комплекс (ПСК). Назначение КПО и ПСК явно следует из названий комплексов. 18 К средствам, обеспечивающим управление КА, относятся полигонный измерительный комплекс (ПИК), наземный комплекс управления (НКУ), контрольно-эталонный комплекс (КЭК). Полигонный измерительный комплекс обрабатывает телеметрическую информацию с борта РКН на активном участке выведения и передает информацию о завершении выведения наземным системам управления. Наземный комплекс управления космическими аппаратами обеспечивает управление КА на орбите. Контрольно-эталонный комплекс предназначен для контроля качества функционирования бортовых средств КА. Каждый РКК основан, как правило, на своей базовой РКН. В его состав входят компоненты, показанные на рис. 1.8. РКК РКН ТС РН КГЧ ТО Сооружения Тех. сист. ВО КСИСО Здания Коммуникации НИИМаш КА РБ ГО Рис. 1.8. Состав космической РКК Ракета космического назначения состоит из ракеты-носителя (РН) и космической головной части (КГЧ), в состав которой входят один или несколько космических аппаратов, разгонный блок (при необходимости) и головной обтекатель. В состав технических средств (ТС) комплекса входят технологическое оборудование (ТО), технические системы, комплекс средств измерений, сбора и обработки информации (КСИСО) и вспомогательное оборудование (ВО). Технологическое оборудование РКК – совокупность подвижных и стационарных технических средств, предназначенных для выполнения операций с РКН в период ее эксплуатации, а также для эксплуатации самих этих средств, размещенных на пусковых установках, командных пунктах и технических позициях РКК. 19 Технические системы, в отличие от технологического оборудования, обеспечивают функционирование ТО РКК, создавая условия для работы обслуживающего персонала. В состав технических систем входят, например, системы внешнего, внутреннего и автономного электроснабжения, системы водоснабжения, освещения, отопления, вентиляции. Комплекс средств измерений, сбора и обработки информации РКК предназначен для обеспечения контроля полета РКН на участке выведения, обработки, документирования и распределения информации между потребителями. Вспомогательное оборудование вместе с техническими системами обеспечивают работу ТО РКК, в его состав входит, как правило, оборудование общепромышленного назначения (компрессоры, ресиверы, стреловые краны). Близким к понятию РКК является понятие «космический ракетный комплекс» (КРК) как комплекс, включающий ракету-носитель конкретного типа с ее возможными модификациями, совокупность технических средств, сооружений и коммуникаций, предназначенных для проведения заданной технологии работ с ракетой-носителем и/или ракетами космического назначения, собранными на базе данной ракеты-носителя, по их подготовке к пуску, содержанию в установленных готовностях, пуску и управлению на участке выведения РКН [5]. Как видно из определения, в состав КРК не входят космический аппарат и другие элементы космической головной части. Это связано с тем, что космический ракетный комплекс предполагает возможность обеспечения запуска космических аппаратов различного назначения. С позиций специалистов, занимающихся эксплуатацией РКК, технологическое оборудование комплекса – это основной объект, задачами которого являются: - завершение производства РКН как единого агрегата (после доставки его элементов и комплектующих узлов); - выполнение функциональных проверок, имитируя условия работы (полета как РН, так и КА); - транспортирование РКН к месту старта; - установка РКН в предстартовое положение; - создание условий для работы на старте; - стыковка борта РКН с наземными системами и агрегатами; - заправка РКН всеми компонентами ракетных топлив; - предстартовая проверка работоспособности РКН; - обеспечение и проведение пуска. 20 При этом необходимо также обеспечить: - безопасность операций подготовки и пуска; - возможность снятия РКН при несостоявшемся пуске; - выполнение после пусковых ремонтно-восстановительных работ; - проведение планового технического освидетельствования и ремонта оборудования. Перечисленные задачи (операции) показывают значительный спектр технических и научных решений, используемых в РКК при подготовке и пуске. 1.1.2. Качественные и количественные показатели РКК Создание новой техники, в том числе РКК, начинается с формирования требований, предъявляемых к ней. Общие требования к ТО РКК являются результатом решения задачи более высокого уровня. Например, требования к космическому комплексу формирует система государственного уровня, для которой КК является лишь элементом, который должен обладать набором свойств и характеристик. В рамках этих заданных свойств КК формирует требования к своим компонентам, в том числе к РКК, а последний определяет общие свойства и характеристики ТО РКК, а комплекс ТО в свою очередь распределяет и формирует требования к видам технологического оборудования (ТО СК, ТО ТК). Однако, в этом процессе существуют особенности, связанные с неопределенностью, неполнотой информации, творческими (не формализованными) решениями. Наиболее существенными в распределении и формировании требований по уровням иерархии являются следующие аспекты: 1. Верхний уровень, решая свои задачи, как правило, формирует не весь спектр требований, оставляя проектанту нижнего уровня свободу в принятии решений. 2. Требования верхнего уровня зачастую носят описательно словесный облик (степень автоматизации, автономность и т.д., подчас не имеют числового выражения). Упорядочение процесса согласования требований и характеристик создаваемых образцов техники, в силу этих особенностей, носит итерационный характер. Сокращение шагов в процессе строится на научном обосновании требований и создании нормативно-технической документации. Связь между понятиями требование, свойство, характеристика, критерий, показатель и признак свойства схематично представлены на рис. 1.9. 21 Определения Свойство – объективная особенность или черта объекта, зависящая от его строения и характеризующая его отдельный аспект или сторону рассмотрения. Показатель – цифровое или буквенное выражение, по которому можно судить о развитии и ходе чего-нибудь. Критерий – правила, по которым осуществляются сравнение и выбор вариантов. Признак – та сторона в предмете или явлении, примета или знак, по которым его можно узнать, определить или описать. Требование 1 Интегральное свойство Требование i Простое свойство Комплексное свойство Простое свойство Требование n n-е свойство Эффективность (качество) nm - е свойство Характеристика свойства Количественная характеристика свойства Показатель Критерий Рис. 1.9. Связь между основными понятиями, используемыми при создании образца техники 22 Качественная характеристика свойства Признак В нормативных документах внедрена единая номенклатура требований к ракетно-космической технике, которая включает требования по [10]: назначению; радиоэлектронной защите; живучести и стойкости к внешним воздействиям; надежности; эргономике и обитаемости; эксплуатации, удобству технического обслуживания, ремонта и хранения; транспортабельности; безопасности; обеспечению сохранения государственной и военной тайны; стандартизации и унификации; технологичности; требования к конструктивным решениям; технико-экономическим показателям; метрологическому обеспечению; математическому, программному и информационному обеспечению. Требования к РКК по назначению могут характеризоваться следующими основными показателями (рис. 1.10), в числе которых: – энергетические возможности носителя; – оперативность применения РКК; – степень автоматизации процессов подготовки и пуска; – точность выведения полезных грузов в заданную область космического пространства; – универсальность применения; – живучесть. Показатели энергетических возможностей задаются значением массы полезного груза, выводимого на полярную орбиту высотой 200 км при «прямом» выведении из расчетной точки старта. По этому показателю РКН делят на 4 класса: легкий (Л) до 5 т ; средний (С) – (515) т ; тяжелый (Т) – (1550) т ; сверхтяжелый (Св.Т) – более 50 т . 23 Автономность Живучесть Универсальность Требования по назначению Точность Оперативность Энергетические возможности Рис. 1.10. Показатели требований к РКК по назначению Энергетические возможности носителя по выведению КА на орбиту должны приводиться в технических условиях (ТУ) на РКК в виде зависимостей массы выводимого полезного груза от высоты орбиты и их наклонений для заданных районов дислокации СК (рис. 1.11). В пределах энергетических возможностей должно быть обеспечено выведение полезного груза на орбиту с высотами: низкими (Н) [до 400км]; средними (С) [до 1000 км]; высокими (В) [свыше 1000 км]. В целях сокращения трассы полетов и районов падения отделяющихся частей должны быть предусмотрены технические решения по уводу отработанных ступеней в заданные районы; исключения засорения космического пространства последние ступени одноразовых носителей должны уводиться с орбиты с их последующим снижением и ликвидацией. Энергетические возможности Класс РКН Л С Т Высота орбит Св.Т Н С Рис. 1.11. Показатели энергетических возможностей 24 В Оперативность применения РКК должна задаваться показателями готовности, темпов пусков и производительностью (рис. 1.12). Оперативность Среднегодовая производительность Готовность Темп Производительность Рис. 1.12. Показатели оперативности применения РКК Готовность должна определяться техническим состоянием РКН и временем пуска из различный степеней готовностей, временем нахождения в готовности, временем перевода из одной готовности в другую и приведения в готовность из состояния поставки, временем выведения КА на заданную орбиту. Темп пусков должен задаваться временем, необходимым для осуществления пусков, обеспечиваемых боезапасом, который обуславливается количеством носителей, доз заправки компонентов топлив и сжатых газов и другими расходными материалами, находящимися в боезапасе, а также продолжительностью послепусковых ремонтно-восстановительных работ, проводимых на СК. Производительность РКК должна определяться количеством пусков, обеспечиваемых в течении года в зависимости от времени пополнения и приведения в готовность боезапаса, продолжительностью ремонтновосстановительных работ и длительностью технического обслуживания РКК. Среднегодовая производительность РКК должна обеспечиваться: - для РКН Л и С классов – не менее 20 пусков/год; - для РКН Т и Св. Т классов – не менее 10 пусков в год. По нормативным документам автоматизация процессов подготовки и пуска должна задаваться долей автоматически выполняемых технологических операций. По мнению авторов требование степени автоматизации включено в требования по назначению ошибочно, поскольку степень автоматизации – не цель, а средство достижения цели, т.е. затраты на ее достижение. 25 Кроме того, определение степени автоматизации объективно неосуществимо, так как результат всецело зависит от степени детализации, т.е. разбиение технологического процесса на операции. Эффект же от автоматизации содержится и целиком учитывается требованием по оперативности, живучести и стойкости, надежности, эргономичности, безопасности. Поэтому степень автоматизации целесообразно исключить из числа требований по назначению. Точность выведения КА должна задаваться предельно допустимыми отклонениями параметров орбиты от заданных значений для заданного уровня вероятности (рис. 1.13). Точность выведения Параметры точности Н i Стандартная орбита i = 90° T H = 200 Рис. 1.13. Показатели точности выведения Расчетное значение требуемой точности выведения должно устанавливаться по стандартной орбите (Hкр = 200 км; i = 90°). Точность выведения на другие орбиты должна проводиться в ТУ на РКН в виде зависимости ошибок выведения от параметров орбиты. Предельные ошибки выведения КА перспективными носителями на стационарную орбиту не должны превышать: - по высоте орбиты Н = 3,5 км; - по периоду обращения Т = 2,5 с; - по наклонению орбиты i = 2°. Автономность функционирования должна задаваться временем выполнения задач РКК (или количеством пусков) без пополнения основных расходных элементов (средств). Рассмотрим подходы, рекомендуемые для обоснования требований к агрегатам, системам и комплексу в целом. 26 Обоснование тактико-технико-экономических требований, предъявляемых к РКК, и сроков создания отдельных образцов должно производиться в рамках всей космической системы по критерию «эффективность – стоимость». Требования к РКК по назначению определяются, в основном, путем анализа возложенных на РКК задач по выведению всей совокупности КА в различные периоды военно-политической обстановки, с учетом прогноза достижимого уровня тактико-технических характеристик (ТТХ), проектных и производственных возможностей промышленности, потребных затрат и других факторов. Выбор количественных значений ТТХ РКК основывается на использовании методического аппарата теории сложных систем, исследований операций, теории принятия решений, математической статистики, теории массового обслуживания, реализованного в методах прогнозирования, военно-технического и баллистического проектирования, методах оптимизации, техникоэкономических оценок, статистического моделирования и др. При обосновании энергетических возможностей и диапазона достижимых орбит используются методы прогнозирования и др. Обоснование показателей оперативности, принципов управления подготовкой и пуском производится с помощью моделирования процессов функционирования на основе вероятностных методов, методов линейного программирования и др.; точности выведения КА в заданную область космического пространства основывается на использовании методов динамического, линейного и нелинейного программирования, методов гибкого и терминального управления и др.; боевой устойчивости требует применения методов, связанных с оцениванием влияния различных поражающих факторов на работоспособность РКК и его защитных сооружений, а также вероятностных методов оценивания ухода из-под прогнозируемого удара для мобильных комплексов; автономности функционирования основывается на определении временных показателей функционирования РКК при определенном (ограниченном) материально-техническом обеспечении; универсальности применения основывается на использовании методов теории массового обслуживания в условиях ограничений по возможностям использования конкретных РКК в рамках определенных космических систем. 27 1.1.3. Технологический процесс подготовки и пуска РКН Технологический процесс как строго определенная нормированная по времени последовательность операций с РКН в собранном состоянии и с отдельными ее элементами строится на основании технического задания (ТЗ), технических условий на РКН и РКК (КРК) в целом. Реализация этого процесса осуществляется с помощью технологического оборудования стартовых и технических комплексов (ТО ТК и ТО СК). При этом те или иные технологические операции реализуются по-разному, что можно наблюдать на отечественных и иностранных комплексах. Успешная работа ТО возможна при создании инфраструктуры технических систем и вспомогательного оборудования, работа которых также многовариантна. Поэтому в силу объективных (внешних) и внутренних (субъективных) причин технологические процессы подготовки РКН существенно различны на каждом РКК. Общая продолжительность работ в КРК за один цикл подготовки и пуска может составлять от 3 до 40 дней, а иногда и более. Численность обслуживающего персонала может достигать от 100 до 1000 специалистов разного профиля, подготовки и квалификации. Несмотря на индивидуальность этих процессов, при их исследовании можно выделить общие этапы и последовательности процесса подготовки РКН. Выделение общих технологических операций позволяет не только снизить число рассматриваемых процессов, но и получить базис, на основе которого возможно оценивание степени достижения целевого эффекта РКК, получения информации для проведения анализа и синтеза ТО РКК. Отвлекаясь от несущественных различий в реализации технологических процессов разных РКК, можно выделить фундаментальную последовательность операций для каждого элемента РКН, присутствующую во всех РКК: Транспортировка Разгрузка транспорта Демонтаж элементов и подготовка к автономным испытаниям Автономные испытания Стыковка ступеней РКН Комплексные испытания Подготовка РКН к транспортировке на стартовый комплекс Транспортировка РКН на СК Перевод РКН в вертикальное положение Вывешивание РКН и ее установка на пусковой стол Стыковка бортовых коммуникаций РКН с наземными системами СК Предпусковые операции Набор готовности к пуску Пуск РКН Послепусковые ремонтно-восстановительные работы. 28 1. Транспортировка включает укладку элементов РКН на средства транспортировки, их закрепление, создание температурно-влажностного режима при транспортировке, а также доставку транспорта с РКН и ее комплектующими в позиционный район. Она включает, в основном, процессы движения, торможения, остановки и стоянки. В качестве транспортного оборудования могут использоваться железнодорожные (рис. 1.14), автодорожные, воздушные и водные транспортные средства. Рис. 1.14. Транспортировка элементов РКН 2. Разгрузка транспорта (рис. 1.15) содержит операции демонтажа транспортного средства, подведение средств обслуживания к перевозимому грузу, доступ номеров расчета к местам крепления и снятия с элемента РКН транспортной оснастки; подведение к ступеням средств перегрузки; закрепление грузозахватных устройств на элементе РКН, их подъем и перемещение на одно из рабочих мест монтажно-испытательного корпуса, оснащенных монтажно-стыковочными тележками. На этом этапе работ используется транспортное оборудование, механотехнологическое и вспомогательное оборудование. 29 3. Процесс демонтажа элементов вспомогательного оборудования с борта РН и КА (снятие гермоукупорок, транспортных рам, заглушек и т.д.) и подготовки к автономным испытаниям состоит из операций фиксации элемента РКН на стендах, стапелях, или монтажно-стыковочных тележках; размещения около испытуемого объекта вспомогательного оборудования для доступа к рабочим зонам; снятия технологической оснастки; проверки целостности, комплектности узлов и агрегатов, подстыковки коммуникаций от комплекта ТО ТК к борту; проверки исходного состояния как элемента РКН, так и ТО. Для этого привлекается следующее ТО: механотехнологическое оборудование (краны, грузозахватные приспособления, ангаро-складские и монтажностыковочные тележки) и комплекты вспомогательного оборудования (стремянки, вышки и т.д.). Рис. 1.15. Ступень РКН на монтажно-стыковочной тележке 4. В ходе автономных испытаний (рис. 1.16) проводятся проверки всех систем РН (КА, РБ) наземным комплексом ТО ТК. В число этих операций входят: - пневмо-гидравлические испытания на герметичность и прочность, - электрические испытания систем управления на всех режимах работы, - испытание командных гироскопических приборов, - проверки телеметрической аппаратуры борта, - проверки специальной аппаратуры КА. Для КА объем и сложность этого этапа, как правило, больше. Он может включать: – демонтаж силовой конструкции, - монтаж бортового оборудования, - операции взвешивания и определение координат центра масс, 30 - определение моментов инерции и их коррекцию, - выполнение юстировочных работ с внешними бортовыми приборами, - «обезвешивание» и раскрытие солнечных батарей, - имитацию солнечного излучения со снятием вольт-aмперных характеристик; - проверку двигательных установок ориентации; - вакуумные проверки в барокамерах и т.п. Эти операции заканчиваются отстыковкой коммуникаций и монтажём комплектующих узлов, доставленных на ТК отдельно от КА. При этом используется следующее ТО: – стендовое оборудование (большое количество стендов и стапелей); – подъемно-перегрузочное оборудование (ППО); – комплект проверочного оборудования (КПО) для КА; – специальное оборудование по бортовым системам КА. Рис. 1.16. Элементы РКН и механотехнологического оборудования в ходе автономных испытаний 5. Стыковка ступеней РКН (рис. 1.17) выполняется после их перегрузки с мест автономных проверок двумя способами: - с помощью МСТ; - с помощью ППО или стапелей. Рис. 1.17. Стыковка элементов РКН 31 После стыковки проверяют проходимость коммуникаций и далее на борт устанавливаются средства разделения ступеней. КА перед стыковкой перегружается на кантователь и после перевода его в горизонтальное положение аппарат стыкуется к верхней ступени РН. Процесс завершает стыковка ГО. 6. Комплексные испытания – завершение процесса производства ракеты. На этом этапе проверяют (в «сухую») выполнение всех полетных заданий, с контролем параметров работы всех систем борта – пневмогидравлических систем, командных приборов и телеметрических систем. Для этих работ привлекается: НППЭО; СНЭСТ; КПО СТИ и др. оборудование. 7. Подготовка РКН к транспортировке на стартовый комплекс (рис. 1.18) содержит операции подготовки собственно транспорта, ложементы которого переводятся в положение для приема РКН. Собранную РКН перегружают с рабочего места сборки на этот транспорт и закрепляют на нем. Рис. 1.18. РКН на ТУО перед транспортировкой на СК На борту РКН устанавливают системы, обеспечивающие воздушновлажностный режим топливных баков, подключают систему термостатирования КА, расположенную на транспортно-буферной платформе, которая входит в состав транспорта. 32 Кроме этого, в состав поезда могут входить платформы прикрытия, обеспечивающие сглаживание тяговых усилий от тягача и позволяющие вынести за габариты РКН место автосцепки тягача. Здесь используются: транспортноустановочное оборудование, подъемно-перегрузочное оборудование, средства обслуживания технического комплекса и др. 8. Транспортировка РКН на СК (рис. 1.19), помимо собственного передвижения, включает операции остановки перед СК, отстыковки тягача, подстыковки к специальному транспорту с РКН систем СК и плавную доводку к месту перед переводом РКН в вертикальное положение. Рис. 1.19. Транспортировка РКН на СК При этом часть систем СК, стыкуемых с транспортом, может быть предназначена для подключения их к бортовым коммуникациям РКН. Для реализации этого этапа технологического процесса привлекаются транспортноустановочное оборудование, оборудование стыковки коммуникаций и др. 9. Перевод РКН в вертикальное положение (рис. 1.20) содержит операции выставления опор транспортно-установочного агрегата, блокировки его подвески, перевод его стрелы в вертикальное положение с предварительной оценкой степени не вертикальности РКН, компенсации возникающего около вертикального положения опрокидывающего момента от веса РКН. Здесь работают следующее ТО: транспортно-установочное оборудование, пусковое оборудование и др. 33 10. Вывешивание РКН и ее установка на пусковой стол. Вывешивание РКН, находящейся на опорах транспортно-установочного агрегата, выполняется системами этого агрегата, параллельно с ориентацией опор стартовой системы, что обеспечивает подготовку операции передачи веса РКН с транспорта на стартовую систему. Установка РКН на пусковой стол (рис. 1.21) включает операции: сближения тарелей стола и опор РКН, синхронного перевода тарелей в «нулевую» отметку, передачу веса РКН с установщика на пусковой стол, что обеспечивает разгрузку мест крепления РКН на установщике. В дальнейшем производится наложение на борт механических связей, обеспечивающих ветровое крепление ракеты, отстыковка ложементов ТУА от РКН, перевод стрелы установщика в горизонтальное положение и его отведение от пускового стола. Эти работы выполняются с помощью транспортно-установочного оборудования, пускового оборудования, средств обслуживания. Рис. 1.20. РКН на ПУ Рис. 1.21. Подъем РКН 34 11. Стыковка бортовых коммуникаций РКН с наземными системами СК (рис. 1.22) продолжается после придания РКН строго определенного пространственного положения, для чего РКН вертикализируют на пусковом столе. Вертикализация РКН обеспечивает равномерное распределение веса РКН между опорами. Контроль вертикализации осуществляется наземными системами прицеливания, работающими совместно с командными приборами РКН. В дальнейшем к борту РКН подводятся средства обслуживания и оборудование стыковки и отвода коммуникаций, с помощью которых осуществляется связь РКН со стационарными наземными системами. Рис. 1.22. Стыковка бортовых коммуникаций РКН с наземными системами СК 12. Предпусковые операции состоят из окончательного монтажа РКН, термостатирования КА, продувки и захолаживания магистралей заправки, проверки систем управления РКН, ввода полетного задания, заправки ее компонентами топлив с выполнением операций дренажа ее топливных баков (рис. 1.23), контроля систем телеметрии и снятия ветрового крепления. После этого от РКН отстыковываются часть коммуникаций. Здесь работают: средства обслуживания, системы термостатирования, наземное проверочно-пусковое оборудование и др. 35 Рис. 1.23. Пультовая 13. Набор готовности к пуску начинается с отведения на безопасное расстояние части средств обслуживания, при этом на борт подаются команды, переводящие часть систем РКН в необратимое предпусковое состояние (прорываются разделительные мембраны в ПГС РН и ее двигательной установке, бортовые источники тока [ампулизированные батареи] переводятся в рабочее состояние, разориентируются гироскопические приборы и т.д.). Пусковое оборудование переводится в готовность к пуску. Включаются системы охлаждения, пожаротушения, обеспечивающие безопасность пуска. Кабель-мачты переводятся в положение готовности к отстрелу коммуникаций и отведения. 14. Пуск РКН (рис. 1.24) осуществляется по команде, переданной в РКН через оставшиеся коммуникации из защищенного командного пункта. После выхода двигателей РКН на режим номинальной тяги, ракета освобождается от узлов систем удержания на опорах пускового стола, при этом отстыковываются все остававшиеся пристыкованными к борту коммуникации, опоры пускового стола и стрелы кабель-мачт отходят на безопасные для полета РКН расстояния. При этом функционируют: АСУ ПП, пусковое оборудование, кабельмачты, ОСОК, НППЭО, система телеизмерений. 36 Рис. 1.24. Пуск РКН 15. После взлета РКН на месте старта выполняется большой объем послепусковых ремонтно-восстановительных работ (ПРВР) по оцениванию работоспособности ТО СК и старт готовится к новому циклу подготовки и пуска. Свертка перечисленных операций показывает, что они могут быть сведены к трем видам операций [11]: - изменению структуры РКН или ТО РКК; - обмену между РКН и ТО материальными, энергетическими и информационными потоками; - перемещению РКН совместно с агрегатами или элементами конструкций ТО, или перемещению только агрегатов ТО. 37 1.2. Технические и стартовые комплексы 1.2.1. Общие сведения о технических и стартовых комплексах Глобальной целью РКК (КРК) является выведение КА на заданную орбиту с ограничениями по точности, оперативности, своевременности и т. д. Современное состояние науки и техники позволяет выполнить эту задачу, если в качестве носителя КА используется РН. Согласно положениям теоретической механики потребное значение орбитальной скорости полета v, изложенное в виде формулы Циолковского, определяется простым соотношением M v u ln n, mпн mк где u – скорость истечения продуктов сгорания, М=М(t) – масса РКН; mПН, mК – масса полезной нагрузки и конструкции ракеты; n – количество ступеней. Откуда видно, что mК должна быть по возможности меньше. Однако достичь первой космической скорости (круговой) удается только при использовании нескольких (min двух) ступеней. Таким образом, ракета должна иметь значительную массу топлива, малую по массе конструкцию, а также быть многоступенчатой. При этом скорость истечения (u) должна быть по возможности высокой. Из газовой динамики известно, что u где k 1 2k pa k RT0 1 p0 , k 1 k, R – коэффициент адиабаты и газовая постоянная; T0 , p0 – параметры температуры и давления в камере двигателя; pa – давление атмосферы. Таким образом, достичь существенных скоростей (2500–3500 м/с) удается за счет высоких температур и давлений (P0 20–25 МПа, Т0=3500–4000o К). Ракета является очень специфическим объектом, с одной стороны – громоздким и взрывоопасным, а с другой – хрупким и незащищенным. Поэтому большая часть операций относится к опасным и/или ответственным операциям. 38 Элементы РКН должны доставляться на специально оборудованные позиции, для чего нужен специальный транспорт. При этом габариты ступеней ракеты должны соответствовать ограничениям, действующим на транспортных магистралях. Габаритные характеристики ступеней РН не могут входить в противоречие с ограничениями по габаритам для транспортных магистралей страны. Сам же процесс транспортировки опасен для ракеты и космического аппарата по нагрузкам, поэтому после их доставки к месту размещения комплекса необходимо: - выполнить проверки ее целостности и работоспособности, - собрать поставляемые элементы; - оценить качество сборки; - выполнить проверки, имитирующие условия функционирование во время полета. Поскольку РКН состоит из КА, РН и РБ, то с каждым из элементов РКН необходимо выполнить вышеперечисленные операции. Собранная в единый агрегат РКН требует: - термостатирования КА; - наддува баков РН, для придания ей необходимой жесткости; - обеспечения заданного температурно-влажностного режима внутри баков для криогенных компонентов во избежание появления льда из влажного атмосферного воздуха при заправке; - создание вдоль корпуса РКН дополнительных тарированных по реакции опор; - заземления корпуса во избежание повреждений системы управления. Для выполнения операций технологического процесса подготовки РКН и обеспечения пуска ракеты технические средства РКК размещают на технической и стартовой позициях, находящихся на безопасном расстоянии друг от друга. Поэтому существует и другое (по сравнению с рис. 1.8) представление структуры РКК (рис. 1.25). РКК РКН ТК СК Рис. 1.25. Состав РКК 39 ПК КСИСО Технический комплекс (ТК) – совокупность технических средств и сооружений, предназначенных для приема, хранения, сборки и испытания РН, РБ и КА, стыковки и подготовки их к транспортированию на СК, а также заправки КА компонентами ракетного топлива (КРТ). Стартовый комплекс (СК) – совокупность стационарных и подвижных технических средств и сооружений, предназначенных для обеспечения готовности, подготовки и пуска РКН. Если в состав ракеты-носителя или космического аппарата входят возвращаемые элементы, то в состав РКК может входить посадочный комплекс. Следует обратить внимание и на общие особенности технологических процессов в РКК: 1. Транспортировка РКН на СК важная и самостоятельная технологическая операция. Собранная РКН, как правило, выступает за традиционные транспортные габариты. Поэтому ограничения по устойчивости к опрокидыванию, продольным и поперечным перегрузкам ужесточаются. 2. При этом, КА постоянно термостатируются, а баки РН либо остаются наддутыми, либо «дышат» через специальные системы абсорбирующие влагу. 3. Перед установкой на ПУ, ракета должна быть вывешена над его опорами с точностью до 3–5 мм при общем эффективном диаметре до 15 м, высоте 60–100 м и «сухом» весе до 300 т. 4. Передача веса ракеты на опоры ПУ должна быть выполнена так, чтобы многоопорная статистически неопределимая система «ПУ – ракета» не испытывала «ножевых» нагрузок. 5. Установка же РКН в предстартовое положение, должна выполнятся так, чтобы изгибающие ее корпус напряжения от собственного веса не привели к необратимым деформационным последствиям. 6. Еще одной особенностью РКН является инерционная система управления, работающая в полете автономно. Точность положения РКН на старте определяет точность выведения КА. Таким образом, РКН весом до 3000 т и высотой до 100 м необходимо ориентировать по азимуту с точностью до 10'', а это удается при ее точной вертикализации порядка (35)'. 7. Большие габариты при относительно низкой «сухой» массе ракеты делает ее чрезвычайно неустойчивой в ветреную погоду. При скорости ветра 1520 м/с она может быть сдвинута или опрокинута с опорных точек ПУ. 8. На борт пилотируемых КА необходимо доставить экипаж. 9. Расположенная на СК ракета должна быть состыкована с наземными системами проверки и заправки, в ее систему управления необходимо ввести полетное задание, а кроме этого, она должна получить команду на запуск своих двигателей. 40 Для этого с бортом ракеты на старте стыкуются газовые и жидкостные магистрали и кабельные стволы, число стыков при этом может достичь 50–300. Выполнение процессов стыковки этих магистралей проводится на 510 ярусах, по высоте ракеты. Для этого вокруг нее должны быть развернуты площадки обслуживания, установленные на агрегате обслуживания (АО). Работа на открытом воздухе на высоте десятков метров зимой (летом при ветре и дожде) требуют создание условий для личного состава. С этой целью на АО устанавливаются системы вентиляции, ветрозащиты, пожаротушения, системы экстренной эвакуации и т.д. 10. Заправка ракеты компонентами ракетного топлива, особенно криогенного, проводится при условии герметичности стыка «земля – борт». Значительный перепад температур, сопровождающий работу этого устройства, приводит к тому, что наполнительное устройство в таком стыке должно «давить» на борт ракеты с усилием в несколько тонн. Самой же заправке криогенным компонентом предшествует операция продувки и захолаживания заправочных магистралей, а после заправки продолжается «подпитка» постоянно испаряющегося криогенного компонента. 11. Перед пуском ракеты от ее борта осуществляется отстыковка большинство коммуникаций, причем так, чтобы плети кабельных стволов и магистралей не ударили об ее борт. Площадки обслуживания отводятся в безопасную зону, чтобы траектория полета не пересекалась с их местоположением. Некоторые коммуникации продолжают быть состыкованными с бортом вплоть до полета ракеты. Кинематика и динамика отвода коммуникаций согласованны с полетом ракеты. При этом на траекторию движения ракеты около старта оказывает влияние ветер, который сносит ее от расчетного положения. 12. Пуск – наиболее опасная, сложная и менее всего управляемая с земли технологическая операция. Для того, чтобы ракета могла изменять свою траекторию при выведении КА, она имеет двигательную установку с несколькими камерами сгорания. Каждая из камер «выходит» на номинальный режим работы не одновременно с другими, величина тяги камер также может отличатся между собой. Поэтому неустойчивость начального участка полета ракеты становится еще более заметной. Сам же запуск двигателей сопровождается появлением мощных ударных волн, высокоскоростной, высокотемпературной струи продуктов сгорания и мощным акустическим излучением. Интенсивность этих пусковых нагрузок такова, что они способны разрушить не только все, что находится рядом, но и саму ракету. 13. Заключительными работами на СК являются послепусковые ремонтно-восстановительные работы и работы по приведению комплекса в готовность к приему очередной РКН. 41 Таким образом, РКН является специфическим объектом, требующим специального к себе отношения, начиная с транспортировки ее элементов в РКК до того, как она покинет ПУ при старте. Весь цикл подготовки РКН, выполняемый в условиях РКК, учитывающий специфику РКН как объект, составляет суть технологического процесса, выполняемого на ТК и СК РКК. 1.2.2. Технологическое оборудование технических и стартовых комплексов Большой объем работ с элементами РКН по ее сборке и проверке вынуждает выделять в самостоятельные производства – так называемые технические позиции (ТП) – саму территорию, где эти процессы организуются, где размещается технологическое оборудование ТК (рис. 1.26). ТО ТК ПВО КПО МТО ЗНО СТС СНЭСТ МСО ППО СтО ВО ТрО СО ЭО Рис. 1.26. Состав ТО ТК: ПВО – пневмовакуумное оборудование, КПО – комплект проверочного оборудования (для РН, КА и РБ), МТО – механотехнологическое оборудование (МСО – монтажностыковочное оборудование, ППО – подъемно-перегрузочное оборудование, СтО – стендовое оборудование, ВО – вспомогательное оборудование, Тр.О – транспортное оборудование, СО – средства обслуживания, ЭО – эксплуатационное оборудование); ЗНО – заправочно-нейтрализационное оборудование, СТС – система термостатирования, СНЭСТ – системы наземного электроснабжения специальными токами Номенклатура ТО ТК разнообразна и значительна для каждого комплекса. Механотехнологическое оборудование ТК (МТО) предназначено для осуществления приема элементов РКН после их доставки на полигон. Этот вид оборудования участвует в проведении проверок целостности и работоспособности доставленных агрегатов, блоков и узлов РН, РБ и КА, на нем выполняется агрегатные сборки и осуществления их контроль, проводится приведение в технические готовности и содержания в них КА, РБ, РН и РКН, а также проводятся стыковка РКН в единый агрегат и проводится ее подготовка к транспор42 тировке на СК. Этот вид ТО состоит из монтажно-стыковочного оборудования (МСО), подъемно-перегрузочного оборудования (ППО), стендового оборудования (СтО), транспортного оборудования (Тр.О), средств обслуживания (СО), эксплуатационного оборудования (ЭО), вспомогательного оборудования (ВО). Пневмовакуумное оборудование (ПВО) предназначено для выполнения проверок на прочность и герметичность арматуры и магистралей пневмогидравлических систем КА и РН, их обечаек посредством барокамер и течеискателей газоаналитическими, газодинамическими, гидроаналитическими, газогидравлическими и манометрическими методами. В комплект проверочного оборудования (КПО) входят системы электрических и телеметрических проверок систем управления КА и РН, а также комплекты для проверок командных гироскопических приборов. Оно включает в частности, наземное проверочно-пусковое электрооборудование (НППЭО), способное оценить работоспособность систем управления РКН на всех режимах работы и ввести полетное задание, а также эквивалент бортовой сети, для проверки собственно НППЭО и ряд других систем. Заправочно-нейтрализационное оборудование (ЗНО) предназначено для заправки КА и РБ до их стыковки в единый с РН агрегат. Заправка этих элементов РКН осуществляется по весу с высокой точностью и требует специального оборудования, которого нет на СК. В комплекты ТО ТК входит оборудование хранения, включающие ангаро-складские агрегаты и тележки, чехлы из гермоукупорки и контейнеры для обеспечения температурно-влажностного режима, а также дополнительные опоры для РН с тарированным усилием, необходимые для предотвращения появления остаточных деформаций в их корпусах. Система наземного электроснабжения специальными токами (СНЭСТ) технического комплекса обеспечивает борт КА и РН специальными токами в широком диапазоне частот. Бортовым источником электроэнергии РН является ампулизированная аккумуляторная батарея, а гироскопические приборы работают на частоте порядка 1000 Гц. Кроме этого, потребителями бортовой электроэнергии являются электроприводы рулевых машинок ДУ, потребляющие при работе постоянный ток величиной до 100–150 А. Состав технологического оборудования СК определяется технологическим процессом подготовки РКН на старте, включая ее пуск и начало полета. ТО СК также обеспечивает заданный уровень безопасности на СК при аварийных ситуациях, кроме того, номенклатура ТО СК должна обеспечить полный объем послепусковых ремонтно-восстановительных работ и работ, выполняемых при несостоявшемся пуске. 43 Технологический процесс подготовки и пуска РКН на СК начинается с ее доставки на СК. При подъезде к СК производится передача управления процессом подготовки от транспортных средств к наземным системам СК. К этому времени системы и агрегаты СК приводятся в состояние готовности для приема РКН. После стыковки агрегатов ТУО с наземным комплексом РКН переводится в вертикальное положение, выполняются операции совмещения тарелей стартовых систем с опорных устройствами РКН. По окончании процесса их сближения, осуществляется передача веса РКН с ТУО на стартовую систему. В дальнейшем на борт ракеты накладываются механические связи систем ветрового крепления и только после этой операции освобождаются узлы крепления между РКН и агрегатом ТУО. Следующим этапом подготовки РКН на СК является подведение к ее борту средств обслуживания. Номера стартовых расчетов поднимаются на агрегаты обслуживания, где выполняют работы по подготовке РКН, находясь на площадках обслуживания. С помощью мачт обеспечивается стыковка различных коммуникаций к ракете. Обслуживающий персонал снимает с борта РКН технологическую оснастку, использованную в процессе транспортировки ракеты на СК и завершает процесс ее окончательного монтажа. Далее, в общем случае, РКН необходимо развернуть в так называемую базовую плоскость (т.е. выполнить пространственную ориентацию систему управления относительно базового направления стартового комплекса). Операция необходима для совмещения направлений бортовых стыков (устройств связи типа земля-борт) с ответными стыками наземного комплекса стартовой позиции, а также для точной ориентации системы управления РКН перед разворотом в азимут стрельбы. Заданная точность азимутального наведения может быть достигнута при условии высокой точности вертикализации ракеты, которую также выполняется системами СК. Большой объем работ, выполняемых на старте, связан с наложением на борт РКН связей заправочных коммуникаций, магистралей СТС, электрокоммуникаций, которые при ее пуске должны быть сняты принудительно, по средствам ТО СК или ходом ракеты. На некоторых комплексах количество таких устройств и мест связи достигает нескольких сотен. В операции стыковки коммуникаций включены проверки их герметичности, проходимости и работоспособность устройств их отведения. Для выполнения процесса заправки ракеты компонентами топлива необходимо обеспечить их продувку, а для высококипящих продуктов – и захолаживание магистралей. 44 Для заправки низкокипящих токсичных компонентов на борт накладываются связи, обеспечивающие дренаж паров через системы нейтрализации промышленных стоков. При этом качество заправки контролируется не только наземными системами, но и бортовыми средствами диагностики. Количество жидких компонентов, заправляемых в РКН, хранящихся на СК, составляет не меньше двух (иногда их число доходит до 4–5) доз по окислителю и горючему одновременно. Газовые компоненты, заправляемые в РКН, также разнообразны по физическим свойствам газов (воздуху, Не, N2) и уровню давления. На борт РКН подается не менее двух газов различного химического состава. Газами с высоким давлением заправляются аккумуляторы бортовой ПГС (шар баллоны), надуваются баки окислителя и горючего. Газы с низким давлением используются для управления запорной арматурой в ПГС РКН. К борту РКН подстыковываются жидкостные и газовые системы термостатирования, а на последних комплексах и магистрали технологических систем пожаротушения приборных отсеков РКН. К борту стыкуется и большое количество электрокоммуникаций для контроля состояния систем управления РН и КА, ввода полетного задания, оценивания процесса подготовки. Средства обслуживания, через которые транзитом проводятся все коммуникации от наземного стационарного комплекса к борту РКН, должны обладать и определенной подвижностью, необходимой не только на этапе установки РКН, но и для освобождения ей трассы полета при пуске, а также для собственной защиты от воздействия реактивной струи продуктов сгорания двигателей ракеты. Значительную часть наземного оборудования СК занимают стационарные системы проверочного и заправочного оборудования системы термостатирования и прицеливания, а также их обеспечивающие подсистемы. Подготовка РКН на СК невозможна без автоматизированной системы управления, имеющей свои подсистемы в каждом виде и каждом элементе ТО СК. Потенциальная опасность заправленной РКН и стартовых хранилищ КРТ приводит к появлению в структуре ТО СК систем контроля, наблюдения и подавления взрывопожароопасных ситуаций. Наиболее ответственным, опасным и в тоже время, зрелищным этапом эксплуатации РКК является пуск РКН. Воздействие сверхзвуковых потоков продуктов сгорания ДУ РКН на этом этапе может носить самый разрушительный характер не только для ТО СК, но и для ракеты. Сложность организации пуска обусловлена не только высокими режимными параметрами струи продуктов сгорания, проявляющимися в импульсном и стационарном силовом, тепловом и вибрационном воздействии на РКН и ТО 45 СК, но и тем, что с момента отрыва ракеты от стартовой системы ее полет становится автономным и системы РКК пассивно воспринимают пусковые нагрузки и не могут управлять ни направлением ни масштабом их воздействия. Весь комплекс задач по организации пусковых процессов возложен на пусковое оборудование (ПО), которое обеспечивает газоотвод, тепловую, акустическую и вибрационную защиту как РКН, так и ТО СК. Оставаясь при этом на трассе полета, ПО должно сохранять свою работоспособность в течении всего назначенного для СК ресурса времени. Масштабность этого вида оборудования и его близость к борту РКН оправдывает размещения на нем элементов систем заправки, средств обслуживания, пожаротушения и ряда других систем. Технологическое оборудование СК ПО ТУО СО ЗО СНЭСТ СУТО КПО СПДУ ОСОК СТС СПС СН СОБР ПерВО Рис. 1.27. Состав ТО СК Таким образом, в состав ТО СК входят (см. рис. 1.27): - пусковое оборудование (ПО); - транспортно-установочное (ТУО); - средства обслуживания (СО); - заправочное оборудование (ЗО); - систем термостатирования (СТС); - системы обеспечения безопасности работ (СОБР); - системы промышленных стоков (СПС); - системы подготовки двигательных установок (СПДУ); - оборудование стыковки и отстыковки коммуникаций (ОСОК); - система управления технологическими операциями (СУТО) – автоматизированная система управления подготовки и пуска РКН на СК (АСУ СК); - системы наблюдения (СН); - комплект проверочного оборудования (КПО); - системы наземного электроснабжения специальными токами (СНЭСТ) СК; - передвижное вспомогательное оборудование (ПерВО). 46 ПО, в общем случае, предназначено для приема и размещения РКН, установки ее в положение для стыковки с наземными коммуникациями, вертикализации и азимутального наведения, удержание РКН на старте при выходе на режим номинальной тяги двигателей, обеспечения ветровой устойчивости ракеты, придания ей первоначального направления движению, газоотвода продуктов сгорания и защиты СК от пусковых нагрузок. ТУО обеспечивает доставку РКН на СК, обеспечивая устойчивость положения РКН, соблюдая ограничения по скорости передвижения, перегрузкам, поддерживая заданный температурно-влажностный режим, а также выполнение стыковки транспорта с наземным оборудованием СК. При этом на СК выполняется точная доводка к месту установки ракеты, перевод РКН в вертикальное положение, ориентацию перед установкой на агрегаты ПО, передача веса на опоры стартовой системы, ветровое крепление не заправленной РКН, отвода дренажных крышек с горловин топливных баков перед заправкой и создание условий для прицеливания. СО включает в себя фермы и башни обслуживания, а также кабель-мачты и заправочно-дренажные мачты, с помощью которых обеспечивается доступ к верхним отсекам РКН, производится доставка экипажей пилотируемых КА, номеров стартовых расчетов и их экстренная эвакуация при аварийных ситуациях. СО обеспечивает подвод и стыковку к борту РН и КА, магистралей систем заправки, дренажа, термостатирования, нейтрализации. Они участвуют в процессе установки РКН, замены неисправных КА непосредственно на старте, а также защищают ракету и обслуживающий персонал от ветра и осадков при работе на старте, размещают световоды систем прицеливания. ЗО состоит из систем заправки жидкими компонентами, сжатыми газами, систем обеспечения криогенными продуктами, оборудования очистки сжатых газов и контроля их чистоты, а также компрессорных станций. Это оборудование обеспечивает заданный расход компонентов ракетных топлив, контроль доз заправки по объему, выполнения операции захолаживания магистралей и борбатажа емкостей (перемешивания жидкостей с целью выравнивания температуры), а также подпитки борта криогенными продуктами с момента окончания заправки до момента пуска. СТС включает в себя системы с воздушными и жидкими теплоносителями, а также термочехлы с электрообогревом. В состав СТС входят чувствительные элементы, измеряющие температуру, электронные блоки систем управления, компрессоры, теплообменники, электронагреватели, вентиляторы и насосы, запорная арматура и подводящие магистрали, ресиверы и конденсаторы. СОБР делятся на системы, обеспечивающие безопасность подготовки РКН на СК, и системы, обеспечивающие безопасность пуска. 47 Они включают системы обеспечения пожарной безопасности стартового комплекса, в которую входят водяные, пенные и порошковые системы пожаротушения открытых агрегатов и систем, системы пожаротушения подземных помещений и потерн, а также газовых отражателей. Стационарно расположенные системы технологического пожаротушения состоят из систем контроля (температуры и задымленности), запуска и систем подачи рабочего тела в очаг пожара. Часть систем пожаротушения устанавливаются на автотракторной и железнодорожной технике, обладающей необходимой мобильностью в условиях СК. Безопасность работ обеспечивает также система контроля концентрации инертных (N2, He) и ядовитых газов (паров АК, АТ и НДМГ). Для снижения уровня воздействия на ТО тепловых потоков и акустики при пуске в СОБР входят системы охлаждения и экранирования струи продуктов сгорания, энергоемкость которых может достигать 100 МВт. В комплекты СПС входят системы отбора, нейтрализации промышленных стоков их откачки, а также вентиляции помещений. Совокупность СПДУ состоит из систем слива и приема остатков КРТ, подачи на борт хладонов и азота, а также агрегатов вакуумирования. ОСОК включает в себя автостыки-манипуляторы, совмещающие оси стыкуемых разъемов, обеспечивающие их сближение, и создание потребного усилия по стыку доходящего до нескольких тонн, с последующем удержанием состыкованных элементов до окончания технологических операций, а также механизмы и узлы, стыкующиеся в ручную. В состав ОСОК входят также системы и механизмы, обеспечивающие заданную кинематику отвода расстыкованных узлов, обеспечивающие безударное движение агрегатов ТО и РКН. Система наблюдения (СН) на СК строится на основе телевизионных и кинокамерных средств, обеспечивающих сбор и документирование видеоинформации о протекающих на СК процессах подготовки и пуска. Остальные элементы ТО СК имеют прозрачный смысл. Общее число агрегатов ТО может достигать 500–600 единиц, а число систем 200–300. При относительно небольшом количестве ныне действующих РКК каждый комплекс уникален. В то же время, номенклатура и виды ТО РКК для РКН легкого, среднего, тяжелого и сверхтяжелого классов, в общем, не измены. Значительную специфичность техники и технологии РКК придают условия базирования, степень их защищенности и автоматизации, а также индивидуальные особенности РКН. 48 1.3. Основы проектирования ракетно-космических комплексов 1.3.1. Концепция, принципы и критерии проектирования РКК Существующие сегодня ракетно-космические комплексы уникальны и не взаимозаменяемы. Они различаются номенклатурой выводимых на орбиту космических аппаратов, классом ракеты-носителя и концепциями создания и применения наземного оборудования. Общее направление развития ракетно-космической техники до сих пор сопровождается, вместе с увеличением мощности и уровня совершенства ракет, ростом стоимости выведения одного килограмма полезной нагрузки. При этом для наземной компоненты РКК просматривается, с одной стороны, снижение объема и числа предпусковых операций, а с другой, рост числа и ресурсоемкости технологического оборудования (ТО). Так, например, для ракеты Р1 (8А11) в состав ТО входило 32 агрегата, боевой расчет составлял 28 человек, а доля успешных запусков не превышала 75%. Для сверхтяжелой ракеты космического назначения «Энергия» (11К25) наземный комплекс включал более 550 агрегатов и порядка 250 стационарных систем ТО. Расчеты для современных РКН составляют сотни человек, при этом каждый двадцатый-тридцатый пуск для РКК в целом является неудачным. На протяжении десятков лет менялись концепции комплексов, совершенствовались как ракеты, так и наземные структуры, однако вопросы стоимости РКК, его надежности, управляемости, безопасности, защищенности и оперативности до сих пор находятся в центре внимания проектных и эксплуатирующих организаций. В условиях неизбежного физического и морального старения РКК, а особенно при появлении задач по созданию новых и восполнению существующих орбитальных группировок, возникают проблемы проектирования новых и модернизации существующих РКК. Основным содержанием таких проблем является выработка концепции создания комплекса, отвечающей внешним политическим, военным и экономическим задачам, а также внутренним научно-проектным производственным и эксплуатационным возможностям. Рассматривая РКК как сложную многоуровневую, иерархическую систему с целевой функцией запусков КА на протяжении всего времени эксплуатации с минимальными затратами и стабильными характеристиками, каждый элемент РКК на любом уровне иерархии должен создаваться с учетом его связей в целях достижения максимального эффекта комплекса в целом. 49 В частности, следует учитывать, что, обладая высоким рангом в структуре РКК, РКН все же является одноразовым элементом, стоимость которого на один-два порядка ниже стоимости комплекса ТО РКК с его инфраструктурой, что позволяет предъявить к ракете требования не только верхнего уровня (КК), но и требования со стороны ТО РКК. Формирование новых и анализ существующих структур и функций РКК связаны с рядом проблем, не нашедших пока окончательного теоретического решения. Среди них можно выделить целый ряд технологических операций, имеющих различную техническую реализацию, решение о выборе которых принимается на вербальном уровне. К операциям, содержание которых кардинально влияет на свойства комплекса в целом, следует отнести операции определяющие: - способ пуска РКН (реактивный, минометный); - положение РКН в период ее предстартовой сборки и подготовки (горизонтальное, наклонное или вертикальное); - способ транспортировки РКН на стартовую позицию и ряд других операций. Отсутствие формализованных методов для выбора этих операций приводит к значительным проблемам при разработке оптимальной совокупности технологических процессов для подготовки РКН. Решение этой проблемы позволило бы выполнить обоснование необходимого и достаточного для этих процессов количества агрегатов ТО РКК, получить оптимальное распределение технологических функций между агрегатами ТО. Для этого необходимо разработать процедуры генерации вариантов, систему оценивания, содержащую критерии и методики сравнения альтернативных вариантов структур и функций ТО РКК, а также выполнить координацию приоритетов (рангов) среди основных элементов РКК (РН, КА, ТО, технических систем и строительных сооружений). Решение указанных взаимосвязанных проблем, даже в рамках анализа, осложняется тем, что каждый из известных РКК решает задачу подготовки и пуска для конкретных РКН в условиях внешних для него специфических требований, а также различных условий базирования, ограничений по транспортировке и применению РН и КА. Кроме концептуальных и структурнофункциональных различий, также существуют значительные параметрические аспекты, осложняющие решение проблем создания РКК. Одна часть этих проблем вызвана свойствами РКН как специфических объектов, а другая – с условиями их применения: назначенной частотой пусков, защищенностью, ресурсоемкостью и другими особенностями. 50 В практике создания РКК выполнение как внешних (заданных извне), так и внутренних (эксплуатационных) требований осуществляется одновременно. Однако в теоретическом плане решение задачи по формированию оптимального облика РКК, предназначенного только для подготовки и пуска РКН без дополнительных требований, до сих пор находится в стадии методологического формирования. Поэтому целесообразно, на первом этапе, решить задачу оценивания структуры, функций и характеристик РКК по реализации только основных целевых функций и только после этого приступить к оцениванию реализации требований, задаваемых извне. Такой подход основан на поэтапном решении задачи структурнофункционального и параметрического синтеза комплекса как сложной системы. Основные этапы такого подхода содержат выбор и обоснование технологии подготовки и пуска РКН, определения номенклатуры элементов комплекса и агрегирования элементов в оптимальную структуру. После чего возможно моделирование процессов функционирования агрегированных объектов каждого уровня и прогнозирования их реализуемости по ресурсам, надежности, отказоустойчивости, безопасности, экономичности, оперативности и т.п. Процесс завершается формированием требований к обеспечивающим компонентам по энергетическим, информационным и материальным аспектам, и далее к специальным системам контроля и безопасности, а также синтезу обеспечивающих систем, после чего выполняется прогноз реализуемости комплекса в целом. Решение такой проблемы по формированию облика РКК должно быть основано на системном подходе. Использование системного подхода в качестве инструмента для анализа и синтеза РКК неразрывно связано с оцениванием его эффективности как характеристики потенциальных и реальных результатов применения. Эффективность РКК может быть рассмотрена как комплексное операционное свойство, характеризующее его приспособленность к решению задачи выведения КА на околоземную орбиту. Исследование эффективности РКК должно проводиться при условии задания результатов выведения (через показатели этих результатов). Невыполнение этих условий делает процесс исследования эффективности РКК бессмысленным. Наличие заданных извне ограничений по оперативности выполнения пусков позволяет остановиться на оптимизации только ресурсов потребляемых РКК и выполнение технологических процессов подготовки, пуска и выведения РКН. Технологические процессы для известных РКК представлены неодинаковыми множествами операций. 51 Каждая из технологических операций, как показывает опыт, может быть реализована несколькими способами, а каждый такой способ может найти свою индивидуальную конструктивную реализацию в различных агрегатах или системах технологического оборудования РКК. Процессы выбора и агрегирования технологических операций, выполняемых на вербальном уровне, приводят к снижению эффективности РКК по сравнению с ее значением при оптимальной организации процесса. Несовершенство вербальных решений при обосновании элементного и операционного содержания технологии подготовки и пуска в РКК усугубляется еще и тем, что каждый элемент РКК (агрегат, система) совершенствуется на основе конкретных (узких) научных и технических достижений в рамках соответствующей области. В результате агрегирования таких элементов в единую структуру РКК путем введения связей между ними, неизбежно появление специальных средств согласования и координации автономно оптимизированных элементов. Это приводит к дополнительным затратам общих ресурсов и может снижать общую эффективность комплекса. Поэтому проблема обоснования технологии подготовки, пуска и выведения РКН, ее конструктивной реализации, по мере развития науки, техники и производства отдельных элементов РКК становится все более острой. Разрешение данной проблемы возможно на основе комплексного системотехнического подхода к проектированию РКК. Процесс создания новых комплексов не должен идти по пути модернизации одного, подчас уже созданного агрегата или элемента, а должен начинаться с разработки концепции и оптимизации технологического процесса подготовки и пуска. Модернизация существующих комплектов по этой причине имеет весьма ограниченные возможности и недостаточно эффективна. 1.3.1.1. Понятие «концепция проектирования РКК» Совокупность взаимосвязанных процессов последовательного изменения состояния образца ВВТ от формирования исходных требований к нему до снятия с эксплуатации и списания называют жизненным циклом изделия. Жизненный цикл РКК можно схематично представить совокупностью взаимосвязанных этапов [10, 11], изображенных на рис. 1.28. Специалисты космических войск (КВ) участвуют в следующих этапах жизненного цикла РКК: 1) в формировании ТТЗ на РКК, начиная с принятия решения о создании и заканчивая утверждением ТТЗ; 2) в эксплуатации РКК, со ввода в эксплуатацию, монтаж и демонтаж. 52 Для понимания процесса проектирования РКК специалистами по эксплуатации в необходимых рамках нужны соответствующие знания, без которых невозможно успешное выполнение военных задач, стоящих перед РКК. Реализационный период Период полезной жизни НИР НИОКР ОКР Серийное производство РКН Использование по назначению Решение о разработке Утверждение РКК Формирование ТТЗ ТТЗ Решение о производстве Проектирование Ввод в эксплуатацию Производство Решение о ликвидации Эксплуатация Рис. 1.28. «Жизненный цикл» РКК Проектирование – разработка концептуальных и схемных решений построения системы (комплекса), алгоритмов ее функционирования и документации. Необходимо различать понятия «проектирование» и «конструирование» [10]. Конструирование – расчеты параметров элементов системы (комплекса). Из чего следует, что проектирование более широкое понятие, чем конструирование, при этом конструирование не возможно без проектирования (рис. 1.29). ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВНЕШНЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ (идейное проектирование) Цели Задачи Способы Средства ВНУТРЕННЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ (реальное проектирование) Расчеты Рис. 1.29. Состав этапа проектирования 53 При проектировании РКК рассматривается как сложная техническая система. Def: Система (от греч. соединение, составленное из частей) трактуется как объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе. По существу, формирование ТТЗ можно назвать внешним проектированием, т.е. таким этапом проектирования, где выполняют процедуры, показанные на рис. 1.30. Принятие решения о создании новой системы (ВВТ) Формализация желаний Синтез системы Внешнее проектирование Анализ полученного облика Принятие решения о дальнейшем проектировании Принятие и утверждение ТТЗ Формирование НИР «Внутреннее проектирование» конструирование Рис. 1.30. Этап формирования ТТЗ 54 Формализация желаний Это этап, на котором необходимо выявить: 1. Внешние требования, которые следует выполнить. Внешние требования не касаются внутренней структуры и внутреннего функционирования. Такие требования можно назвать целевыми требованиями. Эти требования должны быть формализованы в соответствующие показатели, и их числовую меру. Пi : Свойство R1. Здесь необходимо определить: - сколько и каких показателей должно быть, - (i = 1, 2, . . . , n; n = ?) - выяснить достаточность (полноту) номенклатуры показателей, определить взаимовлияние (взаимоисключение) такого набора показателей. 2. Условия функционирования создаваемой системы являются решением задачи заказчика по выполнению его задач. Такими условиями для РКК могут быть: - программа пусков; - номенклатура КА (условия по назначению – производительность, энергетика орбит, масса КА), - условия дислокации и применения (мирного или военного времени). 3. Ограничения создания и применения РКК. В первую очередь, это ограничения по показателям связи РКК с производственной инфраструктурой – т.е. ограничения по - территориальным вопросам зон строительства и полигонов падения, - условия финансирования и пополнения ресурсами, - транспортным магистралям и т.д. Одной из основных проблем формирования желаний заказчика является проблема корректности формулирования желаний – по аналогии с решением системы дифференциальных уравнений, где для получения единственного правильного решения необходимо задать полную (по количеству переменных) систему уравнений, а также начальные и граничные условия ее решения. 55 Синтез системы (РКК) Def: Синтез – соединение, сочетание, составление. Состоит в соединении отдельных элементов в единое целое. Поскольку речь идет о синтезе системы (РКК), а по определению система состоит из явлений и предметов (для нашего случая из процессов функционирования и агрегатов и технологических систем РКК), то в процессе синтеза необходимо формирование: 1) структуры РКК (Def: структура – характеристика системы, отражающая состав и взаимосвязи ее элементов). Таким образом, необходимо определить: количество подкомплексов в РКК (СК, ТК, ПК. Возможно несколько ТК, например ТК РН, ТК РБ, ТК КА и т.д.); номенклатуру элементов системы (каких и сколько агрегатов и систем ТО РКК?); характеристику связей этих элементов: сколько и каких технологических операций выполняются совместно и автономно; какие используются связи – энергетические, материальные, информационные, управляющие, контролирующие, исполнительные и т.д.; 2) процесса функционирования (работы по назначению). Для РКК это вопрос о синтезе технологического процесса. Здесь необходимо решить две задачи: какие технологические операции назначить (для выполнения ряда операций сегодня известны разные технические решения, например по способам транспортировки (вертикальной, горизонтальной, ж/д или воздушным транспортом, автомобильной техникой); сборке (вертикальной, горизонтальной, навесной); установке (вертикальной, горизонтальной, навесной); пуска РКН (реактивного, минометного, вертикального наклонного, горизонтального); – какую последовательность технологических операций назначить. Возможно ли назначение параллельных технологических цепочек. Поскольку СИНТЕЗ – это соединение известных элементов, то возникают проблемы пополнения и выбора такого соединения (рис. 1.31). 56 Синтез выбор opt вариантов Opt. по какому параметру Какие методы opt. Генерация вариантов Рис. 1.31. Вопросы синтеза Для выбора параметра оптимизации ставится и решается задача выявления целевой функции. Ее характер может подсказать правильный выбор методов оптимизации. Генерация вариантов – сложнейшая задача. Генерация вариантов технических решений состоит из выбора (перебора) уже имеющихся (наиболее полного из известных человечеству) вариантов технических решений. Массив исходных данных для выбора не обязательно должен относиться к тем специфическим областям техники, которая проектируются. Этот массив (информационная база) включает фонды: - физических эффектов; - технических решений; - конструкционных материалов. Анализ полученного облика РКК Def: Анализ – метод исследования. состоящий в расчленении элементов. Целью анализа при создании РКК является получение показателей, характеристик и свойств синтезированных структур и их элементов, которые до формирования облика комплекса не могут быть получены. К таким свойствам РКК и его элементов, как известно, относятся: - надежность; - безопасность; - восстанавливаемость; - универсальность; - удобство технического обслуживания; - метрологичность; - технологичность и ряд других. 57 Принятие решения о дальнейшем проектировании В результате выполнения процедур синтеза и анализа необходимо получить достаточно полное множество показателей по свойствам РКК, необходимых для оценивания его характеристик: - целевых, - затратных, - полноты выполнения условий и ограничений, - достижимости (реализуемости) принятых решений. При этом возникает (как правило) многокритериальная задача выбора. Необходим выбор единственного варианта, для чего используется многовекторный критерий. Поэтому этот этап содержит свое математическое описание процедуры выбора как правило для этого строится система предпочтений. 1.3.1.2. Проблемы и методология внешнего проектирования РКК Основной проблемой при создании РКК является преодоление противоречий между общностью теории синтеза сложных систем и конкретностью специфических методик по определению структурного и функционального облика РКК. Существует методики создания сложных систем в общем виде. Но каждый объект, в частности РКК, имеет свои особенности, которые следует учитывать. Практическая космонавтика показывает, что принимаемые ранее решения на этапе внешнего проектирования имели целью снижения стоимости выведения 1 кг полезной нагрузки. Вербальные решения не приводят к желаемым (назначенным) результатам. На рис. 1.32 приведено реальное изменение (диапазон изменения) стоимости выведения полезной нагрузки после реализаций идей проводения конверсии, унификации и пр. Решение этой проблемы состоит в создании иерархии функций, структур и параметров РКК и его составных частей, обеспечивающей требуемую эффективность в достижении поставленной цели [10, 11]. Целевая эффективность – характеристика степени приспособления объекта к достижению цели по назначению. Эта проблема внешнего проектирования (создания РКК) распадается на частные проблемы, отражающие различные интересы и аспекты, в том числе: 58 Первая проблема (проблема заказчика) – наличие четко и полно сформулированных требований, предъявляемых к РКК. Решение этой проблемы состоит в формулировке необходимого и достаточного множества требований, предъявляемых к РКК, и связано с анализом свойств и целей функционирования системы более высокого уровня иерархии. Стоимость выведения (10-3у.е./кг) 50 40 30 универсальность 20 многоразовость унификация 10 конверсия Планы 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Рис. 1.32. Фактическое изменение стоимости выведения полезной нагрузки Вопрос об оценивании необходимости и достаточности сформулированных требований является до сих пор нерешенным, а может быть, и не решаемым в строгой постановке. Количественные показатели требований иногда вообще отсутствуют. Вторая проблема (проблема внешнего проектирования) – наличие методологического аппарата для выполнения выбора (сравнения) и оценивания рассматриваемых вариантов с учетом того, что все требования, как правило, противоречивы (например, повышение защищенности неизбежно скажется на стоимости и оперативности). Здесь возникает задача разработки формального критерия (правила) для сравнения требований. Очевидно, что выбор всегда конкретен и единственен – принимаем рассматриваемый проект РКК или нет. Поэтому необходим общий критерий достижения поставленных целей. Поскольку целей много, то необходимо выполнение операций их объединения. 59 Третья проблема (проблема инженерного проектирования) – наличие «инструмента» для генерации вариантов облика комплекса. Решение этой проблемы связано с определением формализованных методов синтеза комплекса и принципов структурной и физической реализации вариантов. Методология – система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности, а также учения об этой системе. Метод – путь исследования или познания, способ построения, совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Специфика РКК как объекта исследования Во-первых, сложность структурного построения, функционирования и выбора поведения. Кроме того, развитие и деградация РКК такова, что в процессе жизненного цикла они нередко подлежат модернизации, а следственно, постоянно проводятся доработки оборудования, совершенствование технологии. Во-вторых, по мере расходования ресурса происходят старение и износ материалов, в связи, с чем изменяются технико-эксплуатационные характеристики комплексов. Жизненный цикл изделий включает скачкообразное изменение свойств техники при ее восстановлении и постепенное изменение свойств по мере расходования ресурса. В-третьих, РКК включают в себя объекты с разной физической природой: - машины, механизмы; - сооружения; - гидравлические и пневматические системы заправки; - системы термостатирования; - системы газоснабжения; - системы управления; - электрическое и электронное оборудование; - оптические приборы и др. В-четвертых, РКК характеризуется спецификой и разнообразием процессов: - движением объектов и сред; - термодинамикой и теплофизикой; - химическими преобразованиями вещества; - физическими преобразованиями энергетических потоков; - передачей и преобразованием информационных потоков. 60 Изложенное подтверждает, что РКК обладает всеми признаками сложности больших систем и при их создании и эксплуатации подлежит обязательному рассмотрению с позиций системного подхода. Системный подход – это методология исследования объектов природы, общества, науки и техники как сложных систем. Для РКК системный подход содержит (как минимум): - системную концепцию (принимаемую для каждой сложной системы); - общепринятые системные принципы; - специальные принципы (подлежащие формированию и учитывающие специфику исследуемого объекта); - систему оценивания (с критериями и показателями свойств РКК и его качества в целом); - систему предпочтений – критерии по выбору рационального варианта. Критерий – правила, по которым осуществляется сравнение и выбор вариантов. 1.3.1.3. Принципы и стратегии проектирования Принцип – утверждение, принимаемое в качестве исходного пункта некоторой научной теории, и, как правило, не доказуемое в ее рамках. Общесистемные принципы: 1) системности (примат целого над деталями); 2) иерархического строения (наличие связи целого и частей); 3) декомпозиции и агрегирования (допускающие членение и соединение); 4) функциональности (выявление особенности функций элемента); 5) полноты (выявление в каждом объекте структуры, функций и параметров); 6) останова (рационального ограничения в декомпозиции). Общесистемные принципы описаны в литературе, но они не отражают специфику такой системы, как РКК. Изучить РКК возможно только средствами системы более высокого уровня иерархии. По статистическим данным стоимость агрегатов и систем РКК (КРК), имеющих «механическую» природу, во многом определяет стоимость разработки и создания самого комплекса. 61 Если рассмотреть отдельные компоненты процесса создания РКК, то они составляют следующие части затрат: - предварительное и эскизное проектирование – 4 %, - научные исследования и экспериментальные работы – 6 %, - создание опытных образцов – 20 %, - натурные работы и доводочные работы – 70 %. Поэтому для РКК целесообразно ввести ряд следующих специальных принципов. I. Принцип механической доминанты Целевой функцией РКК является процесс выведения КА на заданную орбиту, а содержание этого процесса состоит в придании аппарату необходимой (механической) потенциальной и кинетической энергии. Основная функция РКК и подавляющее число функций подготовки РКН к пуску имеют механическую природу. Все элементы, из которых состоит РКК, в том числе и обеспечивающие системно-кибернетическую поддержку, имеют вещественно-конструктивную (механическую) компоненту. Введение механической доминанты обусловлено и тем, что большинство требований, предъявляемых к комплексу (оперативности, защищенности, надежности, безопасности, экономичности, транспортабельности и др.) основаны на механических процессах РКК, описывающих физику работы и потери работоспособности в агрегатах, системах его элементов, узлах и деталях. Частные функции элементов РКК, обеспечивающие выполнение требования по назначению (без ограничений по оперативности, стойкости к внешним воздействиям, готовности, эргономике и т.п.), также всецело определяются механическими свойствами средств выведения и КА. Перечисленные функции РКК могут быть представлены тремя мегафункциями: - изменением пространственного положения элементов РКК (транспортировкой, разгрузкой, демонтажом, монтажом элементов средств выведения, их установкой на СК и т.п.); - изменением компоновочной структуры элементов РКК путем наложения и снятия механических связей (стыковкой узлов КА и устройством «земляборт», ветровым креплением РКН и т.д.); - обменом между средством выведения и наземным комплексом материальных, энергетических и информационных потоков (выполнением электро- и пневмопроверок, заправки и прицеливания, вводом полетного задания, термостатированием и т.д.). 62 II. Принцип Гамильтона При исследовании свойств механической части оборудования РКК естественной реализацией принципа механической доминанты является принцип Гамильтона – фундаментальное положение механики. Наличие этого принципа продиктовано проблемами реализации технологических процессов. Согласно этому принципу РКК может быть рассмотрен как система, энергетика которой описывается функцией Лагранжа (соотношением между кинетической и потенциальной энергией): Lq1 , q2 ,...qs , q1 ,..., q s , t Lq, q, t , где q – обобщенная координата; (1.1) q – обобщенная скорость; S – число степеней свободы системы; t – время. Движение этой системы описывается уравнением Лагранжа d L L 0, dt qi qi i 1,2,..., s . (1.2) Функция L обладает свойством аддитивности, выражающимся в том, что уравнения движения каждой автономно действующей части системы не могут содержать величин, относящихся к другим частям системы. Поэтому каждому элементу механической системы можно поставить в соответствие собственную функцию Лагранжа и движение, при котором энергозатраты минимальны. Таким образом, совокупность элементов РКК описывается функцией Лагранжа, которая также характеризует минимум энергозатрат системы в целом. III. Принцип адаптации или самоорганизации Наиболее сложным для интерпретации с желаемым качеством РКК как объекта системотехники считается самоорганизация выполняемого ей процесса. Рассматривая организацию технологических операций, проводимых в РКК на этапе подготовки к пуску и выведению КА, следует учитывать, что создавать и структурировать элементы РКК необходимо таким образом, чтобы технологический процесс, управляющее воздействие, стремился к самоорганизации. 63 В этом заключено основное содержание еще одного принципа синтеза РКК. Для РКК это означает возможность полной обратимости технологических операций подготовки и пуска. Свойством обратимости в полной мере обладают сегодня лишь комплексы «Зенит». Приняв этот принцип в качестве инструмента для исследования механических процессов подготовки и пуска, а также для синтеза новых комплексов, можно использовать аппарат функционального анализа. При этом удается абстрагироваться от конструктивных и схемных решений для каждого агрегата ТО РКК и записать все виды операций в едином, удобном для анализа формальном виде. Данный подход позволяет рассматривать элементы ТО (управляющие системы) с целью оценивания самоорганизации их работы вместе со средством выведения или (в терминологии теории систем и функционального анализа) оценивать устойчивость выполняемых ими операций. Технологический процесс, стремящийся к самоорганизации, соответствует и принципу Гамильтона, поскольку обладает минимальным энергопотреблением. Примерами самоорганизации технологических процессов в существующих комплексах могут служить такие операции на комплексе для РКН «Зенит», как - вертикализация РКН, - стыковка типа «земля-земля» на комплексах, - создание тарированных усилий в комплекте монтажно-стыковочных тележек. IV. Принцип целевого разделения Принцип позволяет обеспечить ранжирование целевых эффектов при их реализации схемами агрегатов и систем. В тех случаях, когда комплексу надлежит выполнение основной задачи по подготовке и пуску средства выведения в условиях мощных внешних воздействий (например, для комплексов военного назначения), парирование этого воздействия потребует не меньшего по энергетики противодействия. В случае же, когда ресурсопотребление на противодействие превысит ресурсопотребление процесса подготовки к пуску, облик РКК должен формироваться, в первую очередь, в интересах обеспечения именно данного внешнего требования. В соответствии с этим принципом коммерческий комплекс не может быть эффективным в условиях ведения боевых действий. 64 1.3.2. Проблемы оценивания комплексов и пути их решения 1.3.2.1. Показатели и критерии оценивания РКК Основное качество РКК (любой целенаправленной системы) – эффективность (полезность). Каноническое представление эффективности как функционального свойства есть приближение результата операции (Y) к предельно выгодному результату (в результате их сравнения) [10, 11]. Результат операции в общем случае представляется вектором Y= Y <q, A, t>, где q – целевой (полезный) эффект; A – ресурсы для достижения цели (цена за полезный эффект); t – время достижения эффекта. Если удается свести разноплановые показатели цели (или ресурсов) к одному вектору соответственно q и A, то тогда: q Масса КА, высота орбиты, ее наклон, целевое назначение КА и т.д. A Количество денег, электроэнергии. Численность личного состава, его квалификация, число агрегатов ТО РКК, земельные площади и т.д. t Время подготовки и выведения РКН Рис. 1.33. Зависимость значения целевого эффекта от времени подготовки и выведения РКН Возможны следующие (и иные) исходы операции по достижению цели (рис. 1.34). q A Y1 Y3 Y4 Y2 t = const q = const A Рис. 1.34. Исходы операции по достижению цели 65 t Заметим, что результаты Y1 = Y2 и Y3 = Y4 – разные, но не различимые (длины векторов равны). Для выхода из этой неоднозначности вводят критерий полезности – правило, позволяющее сопоставить стратегии, характеризующие различной степенью достижения цели, или осуществлять направленный выбор стратегии из множества допустимых. Стратегия – направление поиска оптимального решения в задачах по векторному показателю качества (способ достижения цели). Критерии полезности вводятся на основе концепции рационального поведения системы. Известны следующие концепции рационального поведения системы (РКК): 1. Пригодности (эффективности не ниже заданной): - критерий пригодности (пригодность вообще); - критерий допустимой гарантии (гарантии части результата); - критерий допустимого гарантированного результата (гарантии нужной части результата). 2. Оптимизации (максимальной эффективности): критерий наибольшего результата; критерий наибольшего среднего результата; критерий наибольшей вероятности гарантии результата; критерий наибольшего гарантированного результата. 3. Адаптивизации (поиска наилучшего решения в условиях изменчивости обстановки): критерий свободы выбора; критерий самоорганизации. Выбор критерия, стратегии всецело определяется тем, как поведет себя показатель эффективности (функция, числовое значение которой есть мера качества системы). Показатели свойств бывают количественные, их сравнивать легко. Но показатели бывают и качественными. Для последних создается система предпочтений. Необходимо получить свертку векторов оценивания в показатель эффективности. Поскольку стратегия есть предпочтение, то такие предпочтения нужно назначить или определить. Известно несколько подходов к выявлению предпочтений (стратегий поиска решения). 66 Первый подход – эвристические предпочтения (возможно частично формализованные). Однако, все они сводятся к волюнтаристским решениям, и вид свертки векторов оценивания назначаются лицом, принимающим решения (ЛПР). Второй подход – аксиоматический, т.е. реализуется выдвижением и проверкой аксиом, в случае удовлетворения которых указывается вполне определенный вид функции эффективности. В отношении чего ищется предпочтение? РКК, как и любая сложная и большая система имеет структуру, технологические операции (в формулировках теории систем – операции) и параметры. Поэтому предпочтения должны касаться и этих свойств РКК, т.е. предпочтения должны классифицироваться по структурному облику (сколько и каких агрегатов ТО РКК лучше иметь, и как они должны быть связаны?); по операционному облику (по технологическим операциям); по численному значению набора определяющих параметров. 1.3.2.2. Понятие «эффективность» Эффективность (в широком смысле) – комплексная характеристика потенциальных и/или реальных результатов использования системы с учетом: степени соответствия этих результатов главным целям; показателей ресурсопотребления, а также других видов количественных и качественных показателей, выявленных методами системного анализа. Из данного определения вытекают: - комплексность характеристики (она не всегда может быть представлена одним или малым числом показателей); - возможность разных трактовок для реальных или потенциальных результатов; - необходимость учета ресурсопотребления, различного рода количественных и качественных показателей, в том числе учета человеческого фактора, экологии и др. Понятие «эффективность» (по определению) обладает чрезвычайной сложностью, поэтому возможно рассматривать узконаправленные аспекты эффективности. Целевая эффективность – характеристика степени приспособленности объекта к достижению цели по назначению. 67 Для военно-технических систем целевая эффективность определяется применительно к условиям боевой обстановки (боевая эффективность, оцениваемая величиной нанесенного противнику ущерба и другими характеристиками выполнения боевых задач с учетом понесенных потерь, затраченных средств и времени). Техническая эффективность – комплексная характеристика технических возможностей и приспособленности системы к эксплуатации в различных условиях, а также ее экологичности. Для РКК гражданского назначения целевая и техническая эффективность объединяются. Экономическая эффективность и ресурсосберегаемость – характеристика затрат всех видов ресурсов на достижение заданной цели, отнесенных к временным интервалам. Часто проводятся совместные исследования целевой и экономической эффективности. Такие исследования иногда называют исследованиями по критерию «эффективность – стоимость». Эффективность жизненного цикла системы – понятие жизненного цикла, относящееся к числу основных понятий в экономике, системном анализе и системотехнике. Для объектов мирного назначения в эффективность включается не только использование по назначению, но и проблемы по утилизации. Для военных объектов в это понятие вводятся условия по моральному старению вооружения. 1.3.2.3. Показатели эффективности Для того чтобы решать задачи оценивания эффективности или задачи выбора варианта системы, необходимо опираться на конкретные показатели. Для РКК они могут быть разбиты на следующие группы: 1. Группа показателей целевой эффективности: – показатели возможностей достижения конечных целей (параметры орбиты и массы КА); – показатели военно-технических комплексов (живучести, помехоустойчивости, скрытности и др.). 2. Группа показателей технической эффективности: – показатели качества функционирования (производительность, мощность, сложность); – эксплуатационно-технические (надежность, безопасность, экологичность и др.); – эргономические и эстетические. 68 3. Группа показателей экономической эффективности и ресурсосберегаемости: – стоимостные показатели; – показатели расхода материальных ресурсов. 4. Группа показателей эффективности жизненного цикла: – временные показатели; – показатели прогрессивности (научно-технического уровня, способности к адаптации). Все рассмотренные показатели либо имеют конкретное физическое или стоимостное содержание, либо отражают результаты экспертных, психологических и других исследований о качествах системы (нечеткие показатели). При работе с показателями возникают проблемы определения: основная проблема – переход от слов (понятий) к математическим соотношениям (от вербального к формальному описанию). Первая проблема: проблема вида функции эффективности. Формально показатель (функция) эффективности Пэф рассматривается как отображение эффективности РКК на числовую ось: Пэф: Е R1. В свою очередь эффективность (Е) определяется через группу результирующих факторов, к которым относятся: - полезный эффект (А), - затраченные на достижение цели ресурсы (R), и - затраты времени (Т). Результат операции описывается функцией от результирующих факторов Y <A, R, Т>. Основным требованием при выборе вида выражения для показателя эффективности является соответствие показателя цели операции, которая отображается требуемым результатом Yтр. Смысл показателя эффективности сводится к тому, что для оценивания эффекта целенаправленного действия комплекса необходимо соотнести требуемый результат – реальный результат. Результат такого соотношения покажет величину полученного эффекта (пользу) от реализованного целенаправленного действия. Поэтому для описания соответствия реального результата Yреал операции требуемому Yтр, формально необходимо ввести числовую функцию соответствия на множестве результатов операции: f = f(Yреал ,Yтр). 69 Таким образом, Пэф =f(Yреал ,Yтр). Следовательно, для получения численного значения показателя эффективности и выполнения процедуры оценивания вариантов РКК, получаемых в процессе его синтеза, необходимо: - установить вид функций результата Y (Yтр), - необходимо ввести понятие «требуемый результат Yтр» (или эталонный комплекс); - установить вид функции соответствия (f) или выражение для расчета функции показателя эффективности, который также неизвестен; - определить из множества возможных эффективную стратегию достижения цели s S; - выявить и формализовать полезный эффект A; - формализовать и агрегировать выражения для оценивания всех видов расходуемых ресурсов R. - определить стохастический или детерминированный вид функции эффективности; - решить задачи по метрологичности для функции эффективности (диапазон и шкала измерения и т.д.). Таким образом, при существующей системе оценивания известными оказываются временные показатели (Т), которые задаются в НТД, и некоторые технические показатели (вес, мощность, точность, и т.д.). Существующие подходы к решению этой проблемы Процедура поиска главного выражения для оценивания эффективности может быть частично упрощена, если осуществить декомпозицию понятия «эффективность» в широком смысле на взаимосвязанные узко смысловые понятия. В результате получаются частные показатели эффективности (п). При этом возникают две новых задачи: 1. Задача получения обобщенного показателя эффективности системы. 2. Задача о доказательстве полноты таких частных показателей. 70 Что касается первой задачи, то при определении зависимости между иерархией целей и иерархией показателей, которые должны приниматься во внимание в оценке эффективности, используются две основные формы представления обобщенного показателя эффективности системы. В их числе: а) векторное (многомерное) представление, компонентами которого являются частные показатели, сопоставляемые между собой тем или иным способом и не подлежащие свертыванию. При векторном представлении возникает проблема сравнения вариантов с различными комбинациями векторов. Для разрешения этой проблемы вводят систему предпочтения. б) скалярное (одномерное) представление, часто называемое сверткой и фактически являющейся функцией от ряда частных показателей. При данном представлении возникает проблема определения – являются ли показатели независимыми или они зависимы между собой? Известны эвристические свертки. Такими свертками могут быть: − по Нейману показатель эффективности определяется как . Здесь возникают проблемы значимости и масштабирования частных показателей; − по Гермейеру рекомендуется выражение , где – весовые коэффициенты; – весовой коэффициент, отражающий персональное отношение ЛПР к рассматриваемой альтернативе. Для случая, когда локальные цели системы оказываются зависимыми друг от друга. Рекомендуется мультипликативная форма свертки . Использование таких сверток для РКК рождает еще одну проблему: определения весовых коэффициентов. Экономические свертки отражают попытки оценить эффективность с точки зрения финансовой выгоды (затрат). Данный вид сверток отражает концепцию экономической эффективности и представляет собой функцию от стоимостных показателей. В простейших случаях такая свертка является разностью между выходным экономическим эффектом и затратами (прибыль в руб.) или частным от деления первого на второе (прибыль в %). 71 Наиболее распространенным видом функциональных сверток является вероятная свертка – вероятность превышения каждым из некоторого набора показателей соответствующего ему порогового значения P(τ). Недостатки подобного подхода применительно к РКК проявляются в том, что необходимая для построения достоверных вероятностных оценок информация во многих случаях отсутствует. Количество успешных пусков (n), определяется через доверительный уровень вероятности – α и вероятность безотказной работы комплекса P(τ) Отсюда n 298 120 α 0,95 0,95 P(τ) 0.99 0.95 Смешанные свертки строятся таким образом, что одна составная часть отражает функциональную эффективность, а другая – экономическую. При этом широко используется такой прием, как деление обобщенного показателя физической эффективности на стоимость. При решении второй задачи возникает проблема полноты задаваемых свойств системы РКК. Эмпирически установлена целесообразность введения нескольких (вложенных) уровней качества сложной системы. Такие уровни получили название: устойчивости; помехоустойчивости; управляемости; способности; самоорганизованности. Устойчивость. Система, не обладающая этим качеством, не может существовать. Первичными аналогами для этого свойства является прочность (положения и формы), стойкость, стабильность. Конечно, для РКК такое качество нужно учитывать, для чего потребуется получение оценочных показателей. 72 В НТД имеется некий аналог этого свойства – стойкость, смысл которой в устойчивости к ветровым нагрузкам. Помехоустойчивость. Применяется в основном к системам передачи информации. Но для РКК это свойство может быть принято для оценивания живучести или защищенности, под которым для РКК подразумевается возможность сохранять работоспособность при ветровом воздействии и изменении температурно-влажностного режима. Управляемость. Для системы это свойство означает возможность выполнять команды управления, оперативно реагируя на них. Это свойство должно иметь показатель и использоваться при оценивании качества РКК. «Способность». Потенциальная возможность решать поставленную задачу. Это свойство трактуется как производительность, мощность и ресурсообеспеченность. Для РКК в число свойств этого сложного свойства входят и энергетические возможности средства выведения. Самоорганизованность (адаптивность). В самом общем смысле это свойство большой системы изменять свою структуру, параметры, ориентацию поведения в целях повышения эффективности выполнения своих функций. Самоорганизованная (адаптивная) система обнаруживает такое принципиально важное свойство, как свободу принятия решения. Для РКК принцип свободы выбора может быть истолкован как − для РКК в целом – обратимость технологических операций, а также нацеленность на поиск и устранение неисправностей; − для физических процессов – обратимость в «энтропийном» смысле: - отсутствие трения, - термодинамических потерь, - пластических деформаций и т.д. 1.4. Нагрузки, действующие на наземное технологическое оборудование при эксплуатации В соответствии с ГОСТ Р 51282-99 [3] нагрузки, возникающие при эксплуатации технологического оборудования стартовых и технических комплексов как при выполнении требований эксплуатационной документации, так и при их нарушении в результате преднамеренных или непреднамеренных (ошибочных) действий обслуживающего персонала, делят на расчетные и нерасчетные (рис. 1.35). 73 Эксплуатационные нагрузки Расчетные Нерасчетные Рабочие Предельные Аварийные Рис. 1.35. Классификация эксплуатационных нагрузок Расчетные нагрузки подразделяют на рабочие, предельные и аварийные. К рабочим нагрузкам относят нагрузки, возникающие в период проведения рабочего цикла при нормальных условиях работы агрегата. В их число входят: вес агрегата, его составных частей и груза; ветровые нагрузки; инерционные нагрузки; газодинамические нагрузки от воздействия газового потока; тепловые нагрузки от воздействия газового потока; нагрузки от сопрягаемых смежных конструкций; нагрузки от действия сил трения; другие нагрузки, которые могут действовать на агрегат или его составные части при проведении рабочего цикла. К предельным нагрузкам относят максимальные нагрузки случайного характера, которые могут возникнуть: а) в период выполнения рабочего цикла – при наличии отклонений от нормальных условий работы агрегата, вызванных появлением неисправностей или ошибочными действиями обслуживающего персонала, например: нагрузки, вызванные несрабатыванием одного из предохранительных или ограничительных устройств, срабатывание которых должно происходить в период проведения рабочего цикла при нормальных условиях работы агрегата; 74 нагрузки, соответствующие максимальной настройке предохранительных или ограничительных устройств, срабатывание которых не должно происходить в период проведения рабочего цикла при нормальных условиях работы агрегата; случайные нагрузки, прикладываемые к рукояткам, штурвалам, вороткам, рычагам и другим деталям механизмов и органов управления с ручным приводом при их заклинивании или стопорении; б) в нерабочем состоянии – в результате воздействия природных сил (ветра, сейсмического воздействия), уровень которых устанавливается в техническом задании (ТЗ) на агрегат, систему или комплекс в целом. Например, ветровые нагрузки, соответствующие предельной скорости ветра; в) монтажные нагрузки; г) рабочие нагрузки, вероятность появления которых за весь срок эксплуатации агрегата составляет менее 0,003 (если в ТЗ не задана другая вероятность); д) другие нагрузки, отвечающие признакам предельных нагрузок. При действии рабочих или предельных нагрузок должно обеспечиваться выполнение критериев работоспособности. К аварийным нагрузкам относят максимальные нагрузки случайного характера, возникающие в аварийных ситуациях, оговоренных в техническом задании на агрегат (систему) или комплекс в целом. Примеры аварийных ситуаций: взрыв РКН на пусковом устройстве; столкновение агрегатов, транспортирующих РКН или ее составные части; появление недопустимых нагрузок на составные части агрегата, на РКН или ее составные части вследствие ошибочных или преднамеренных действий обслуживающего персонала при выполнении технологических операций агрегатами стартового (технического) комплекса. Критерии работоспособности для аварийных нагрузок устанавливаются в ТЗ, исходя из достижения двух целей: сохранение жизни обслуживающего персонала; минимизация материального и экологического ущерба и времени восстановления агрегатов и их составных частей. Расчет агрегатов (систем) и их составных частей выполняют по критериям работоспособности для определяющих (наиболее опасных) расчетных случаев. 75 Критерии работоспособности: устойчивость положения; прочность; устойчивость к деформациям; воздействие агрегата на ракету или ее составные части. Расчетные случаи делят на рабочие, предельные и аварийные. Рабочий случай включает все рабочие нагрузки, одновременное действие которых возможно при нормальных условиях работы агрегата; Предельный случай включает одну или несколько связанных по своей природе предельных нагрузок и все возможные для рассматриваемого случая рабочие нагрузки. Аварийный случай включает одну или несколько связанных по своей природе аварийных нагрузок и все возможные для рассматриваемого случая рабочие нагрузки. Для расчетов используют методы допускаемых нагружений с соблюдением запасов, регламентированных в [3], или вероятностные методы, с учетом требований ГОСТ и требований надежности, установленных в ТЗ. При расчете методами допускаемых нагружений должно выполняться условие или где – расчетное нагружение агрегата или его составных частей; – предельно допустимое нагружение агрегата или его составных частей; – критериальное нагружение, превышение которого приводит к потере работоспособности агрегата; – суммарный минимально допустимый коэффициент запаса, вычисляемый по формуле – коэффициент неучтенных факторов, общий для всех критериев работоспособности, равный: 1,10 – в общем случае; 1,05 – если суммарное влияние не учтенных в расчете нагрузок не превышает 5% допускаемых усилий, а также при разовом воздействии предельных нагрузок; 1,00 – при учете 100% нагрузок с их возможными отклонениями в неблагоприятную сторону. – частный коэффициент запаса, устанавливаемый для каждого критерия работоспособности. 76 Контрольные вопросы к главе 1 1. Дайте определение понятию «космодром». 2. Какие требования учитываются при выборе места расположения космодромов? 3. Дайте определение понятию «ракетно-космический комплекс». Что входит в состав РКК? 4. Назовите состав требований к ракетно-космической технике. 5. Какими показателями могут характеризоваться требования к РКК по назначению? 6. Назовите основные этапы технологического процесса подготовки и пуска РКН. 7. Дайте определение понятию «технический комплекс РКК». 8. Что входит состав технологического оборудования ТК? 9. Дайте определение понятию «стартовый комплекс РКК». 10. Что входит состав технологического оборудования СК? 11. Сформулируйте, как обеспечивается системный подход к проектированию РКК? 12. Назовите основные этапы внешнего проектирования РКК. 13. Назовите общесистемные и специальные принципы проектирования РКК. 14. Какие типы понятия «эффективность» могут использоваться при оценивании РКК? 15. Какие показатели используются для оценивания эффективности? 16. Какие нагрузки выделяют в составе эксплуатационных нагрузок, действующих на технологическое оборудование РКК? 17. Назовите виды основных рабочих эксплуатационных нагрузок. 77 2. ПУСКОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 2.1. Общие сведения о пусковом оборудовании Пусковое оборудование (ПО) – составная часть технологического оборудования стартового комплекса, представляющая собой совокупность устройств, предназначенных для подготовки к пуску и пуска РКН [5]. Пусковое оборудование появилось на самом раннем этапе развития ракетной техники в виде пусковых станков, которые обеспечивали определенное положение ракеты перед пуском, а также безопасность человека, использующего ракету. По мере развития ракет, повышения дальности их полета и увеличения точности попадания в заданный район (точку) совершенствовались и пусковые станки: они оснащались направляющими, механизмами вертикального и горизонтального наведения, системами обеспечения устойчивости станков и отвода струи продуктов сгорания от ракеты. Дальнейшее развитие ракет, развитие их систем управления привело к возможности организации вертикального пуска и создания пусковых установок в виде пусковых столов или платформ. Постепенное формирование облика стартового комплекса для ракет космического назначения привело к выделению пускового оборудования в отдельную группу технологического оборудования стартового комплекса. Технические и конструктивные решения, применяемые при создании пускового оборудования, могут отличаться в зависимости от конструкции РКН и технологии ее подготовки на стартовом комплексе. Но общие принципы подготовки и пуска ракет позволяют определить типовой состав пускового оборудования (рис. 2.1) [18]. Основным видом пускового оборудования являются пусковые установки, которые, как правило, выполняются в виде пусковых столов, размещаются в специальных строительных (стартовых) сооружениях и оснащаются различными системами, обеспечивающими как подготовку РКН, так и функционирование самой пусковой установки. Для подготовки у пуска ракет могут использоваться специализированные агрегаты ПО, например, подвижные агрегаты, или системы пускового оборудования, объединяющие несколько видов стартового оборудования и, сответственно, реализующие функции не только пускового оборудования. 78 Пусковое оборудование Пусковые установки Агрегаты пускового оборудования Системы пускового оборудования Пусковые столы Строительные сооружения ПУ Системы ПУ Рис. 2.1. Состав пускового оборудования Основными задачами современного пускового оборудования попрежнему является следующие задачи: обеспечение заданного положения ракеты перед пуском; обеспечение безопасности пуска. Но эти задачи уточнены, например, заданное положение ракеты должно поддерживаться с требуемой точностью, а безопасность пуска, кроме безопасности обслуживающего персонала, включает обеспечение защиты ракеты и другого технологического оборудования стартового комплекса от воздействия струи продуктов сгорания. Однако, кроме этих основных задач ПО должно решать и другие задачи, часть которых вызвана особенностью подготовки РКН, а другая характеристиками ТО СК, в том числе и свойствами ПО. При разработке и создании пускового оборудования учитывают: характер возлагаемых на РКН задач (военных, научно-исследовательских, социально-экономических или коммерческих); класс РКН (легкий, средний, тяжелый или сверхтяжелый); мировой уровень технологии; опыт эксплуатации агрегатов; экономическую эффективность; особенности технологии подготовки и пуска РКН и условий эксплуатации. 79 2.1.1. Требования нормативно-технической документации, предъявляемые к пусковому оборудованию ПО должно отвечать ряду «внешних» (по назначению) и «внутренних» (эксплуатационных) требований. Требования к пусковому оборудованию по назначению включают задаваемые в ТУ показатели: количество пусков в год; темп пусков в течение заданного времени; время между очередными пусками; время приема очередной РКН после пуска; время нахождения на ПУ не заправленной РКН, заправленной частично или полностью; время подготовки к пуску РКН из установленных готовностей. Эксплуатационные требования включают показатели по живучести и стойкости к внешним воздействиям (например, при авариях, стихийных бедствиях или целенаправленных враждебных акциях); управляемости; надежности; удобству технического обслуживания; ремонту и хранению; транспортабельности; скрытности и маскировке; стандартизации и унификации; эргономике и технической эстетике. Формирование облика ПО, отвечающего всем требованиям, представляет сложную задачу, поскольку схемные конструктивно-компоновочные решения принципиально зависят от масштаба эксплуатационных нагрузок, в условиях которых планируется использование оборудования, и газодинамической схемы пуска. К основным эксплуатационным нагрузкам, действующим на ПУ, относятся: весовые нагрузки, как, собственно, от веса ПУ и ее составных частей, так и от РКН; ветровые нагрузки; 80 инерционные нагрузки; газодинамические и тепловые нагрузки от воздействия газового потока; нагрузки от сопрягаемых смежных конструкций. акустические, вибрационные и эжекционные нагрузки. К особенностям влияния эксплуатационных нагрузок на функционирование пускового оборудования относятся: необходимость контроля и регулирования весовых нагрузок, действующих на РКН при ее установке на пусковой стол и выполнении операций подготовки к пуску; количество опор в ПУ4, что делает опорный контур статически неопределенным. А неравномерное распределение величин реакций опор с учетом дополнительного влияния ветровых и инерционных нагрузок может привести к повреждению конструкции ракеты; необходимость учета инерционных нагрузок, действующих на подвижные элементы ПУ и РКН, совместно с ветровыми нагрузками для обеспечения их безопасного и безударного движения; проявление пусковых (газодинамических и тепловых) нагрузок в ударном, статическом, вибрационном и акустическом воздействии сил давления; а также в тепловом нагружении с появлением тепловых волн. Воздействие этих нагрузок может привести к потере прочности конструкции ПУ, плавлению и абляция материалов в ПУ, опасному воздействию на стартующую РКН. Вопросы, связанные с действием весовых нагрузок, более подробно рассмотрены в п. 2.3, а вопросы воздействия пусковых нагрузок – в п. 2.4. Физическую картину процессов нагружения, протекающих вблизи ПО перед запуском ДУ и при пуске РКН, определяют также следующие физические явления: пролив КРТ (компонентов ракетных топлив) и заполнение газоходов их парами; взрывное доокисление продуктов сгорания и паров КРТ в газоходах; образование и распространение в газоходах волн разряжения; выброс из насадок водоводов системы охлаждения толкающего газа и диспергированной воды, воздействие водяной струи системы охлаждения; снос РКН при ее движении по начальному участку траектории под действием ветрового потока. Основными факторами определяемыми мощность эксплуатационных нагрузок параметры струи ДУ РКН и принятая для РКК газодинамическая схема ПУ. 81 2.1.2. Общие сведения о пусковых установках Пусковая установка – устройство, предназначенное для обеспечения приема ракеты, удержания ее в период подготовки к пуску и пуска. Пусковая установка является основным элементом пускового оборудования стартового комплекса. Пусковая установка обеспечивает: прием РКН с транспортных или установочных агрегатов и ее размещение на своих опорах; установку РКН в положении для стыковки ее элементов и систем с наземным комплексом подготовки и пуска; вертикализацию и азимутальное наведение инерциальных систем управления РКН; удержание РКН при выходе на режим номинальной тяги ее двигательной установки (ДУ); устойчивость положения РКН при действии ветровой нагрузки; придание направления движению РКН на начальном этапе полета; отвод газовых струй и защиту РКН от силового, теплового и акустического воздействия на пуске. Основным силовым элементом пусковой установки является пусковой стол (ПС), которой состоит (см. рис. 2.1) из металлоконструкции и газового отражателя (газоотводного канала). Металлоконструкция пускового стола оснащается опорными элементами для РКН, элементами закрепления ПС на стартовом сооружении и обеспечивает размещение и функционирование систем для РКН и систем для ПУ. Системы, которые расположены на ПУ и предназначены для непосредственной подготовки и пуска РКН, могут считаться для ПУ внешними, привнесенными вместе со свойствами той или иной РКН. В самом общем виде в их число входят (рис. 2.2): - система приема для обеспечения передачи веса РКН с ТУО на ПУ при установке; - система ветрового крепления для удержания РКН на опорах ПУ; - системы азимутального наведения и вертикализации РКН; - система удержания РКН при пуске; - система стыковки коммуникаций между бортом РКН и стационарными системами СК; - система отвода опор ПУ. 82 Системы для ПУ обеспечивают функционирование пусковой установки как самостоятельного агрегата, являются условно внутренними. К их числу относят (рис. 2.3) системы: связи, освещения, промышленных стоков, штатных измерений, пожаротушения, обслуживания, охлаждения, защиты. Системы для РКН Система приема РКН Система ветрового крепления РКН Система вертикализации РКН Система азимутального наведения РКН Система Система стыковки отвода опор от коммуникаций РКН с РКН Рис. 2.2. Системы необходимые для подготовки РКН Система удержания РКН Системы для ПУ Системы связи Системы освещения Системы промышленных стоков Системы штатных измерений Системы пожаротушения Системы обслуживания ПУ Системы охлаждения газоходов Системы защиты Рис. 2.3. Системы, необходимые для функционирования ПУ Назначение части из этих систем, таких как системы связи, освещения, промышленных стоков, пожаротушения, очевидно. Остальные же требуют специального пояснения. Системы обслуживания ПУ предназначены для ремонтновосстановительных и регламентных работ (т.е. проведения технического обслуживания ПУ). Эти системы частично решают задачи, для которых предназначены средства обслуживания стартового комплекса. Системы штатных измерений предназначены для измерения, обработки и хранения параметров пусковых нагрузок (тепловых потоков, статических и динамических составляющих давления, акустического и вибрационного нагружения). 83 Данные измерений используются для уточнения математических моделей газодинамических и тепловых нагрузок, обоснования конструкторских и технологических решений при модернизации существующих или создании новых комплексов, обеспечения функционирования системы эксплуатации РКК. Системы охлаждения ПУ предназначены для снижения уровня тепловых и акустических нагрузок на ПУ и РКН при пуске, что позволяет обеспечивать безопасность старта РКН, а также способствует повышению ресурса ПО. Системы защиты ПУ предназначены для обеспечения защиты механизмов и устройств ПУ от действия струи РКН при пуске. Облик пусковой установки как основного вида пускового оборудования формируется на основе системного подхода к созданию технологического оборудования ракетно-космического комплекса. Состав внешних задач, поставленных ракетно-космическому комплексу системой вышестоящего уровня, с учетом экономических возможностей и уровня развития науки и техники, позволяют сформировать облик РКК в целом, определить предполагаемые характеристики РКН и особенности технологии ее подготовки и пуска. Исходя из требований по назначению РКК, расчета нагрузок от РКН, эксплуатационных свойств технологического оборудования стартового комплекса выбираются и оцениваются варианты конструкции пускового оборудования в целом и пусковой установки (рис. 2.4). ВНЕШНИЕ ЗАДАЧИ военные научные коммерческие Возможности производства Располагаемые ресурсы РКК ТО СК Требования по назначению Эксплуатационные свойства РКН нагрузки ПО (ПУ) Рис. 2.4. Схема формирования облика ПУ 84 Основным источником нагрузок для ПУ является РКН с ее двигательной установкой. Технические характеристики современных РКН и режимные параметры ДУ приведены в табл. 2.1 и 2.2. Таблица 2.1 Технические характеристики РКН Класс РКН Технические характеристики СверхЛегкий Средний Тяжелый тяжелый Масса полезной нагрузки до 5 от 5 до15 от 15 до 50 более 50 mпн 103 , кг Стартовая масса m 103, кг 50100 100300 3001000 10003000 2 Парусность РКН F, м 2575 75150 150300 300750 Число опорных точек 4 46 68 814 Периметр 37 715 1525 3050 опорного пояса П, м Таблица 2.2 Режимные параметры ДУ РКН Параметр Значение параметра Температура торможения Т0 , К 30003500 Давление в камере сгорания Р0, МПа 425 Скорость потока газа u, мc 25003500 Число Маха на срезе сопла (М) 34 Массовый расход m 10-3, кгс 0,13 Эффективный диаметр струи d, м 115 Для оценки параметров газодинамического и теплового воздействия на ПУ используются следующие понятия: 1. Газонапряженность I1 ( кг ), определяемая соотношением с м2 m I1 F, где m массовый расход продуктов сгорания, F площадь проходного сечения газохода. Величина оценивает газоход с точки зрения его пропускной способности. Для газоходов опасным является его «запирание» продуктами сгорания, которое сопровождается восходящими к РКН потоками и возможностью ее взрыва. 85 На 20100 современных ПУ величина газонапряженности составляет кг . с м2 2. Тяговая напряженность I 2 (Па), определяемая соотношением I2 R F, где R сила тяги двигательной установки. Значение I 2 позволяет определить уровень силового нагружения газохода ПУ и строительного сооружения ПС при пуске. Величина тяговой напряженности находится в диапазоне 0,30,5 МПа. 3. Тепловая напряженность I 3 (Вт/м2), определяемая соотношением I3 mCPT0 F , где CP удельная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении; T0 температура торможения продуктов сгорания. Введенная величина I 3 позволяет определить масштаб температурных полей в газоходе, рассчитать тепловые потоки, выбрать параметры систем охлаждения и оценить время остывания ПС после пуска. Для I 3 характерны значения 1–4 МВт/м2. 4. Интенсивность звука I 4 (Вт/м2), определяемая соотношением 2 Pmax umax Pmax = , 2F 2 Fa где Pmax – максимальное значение звукового давления; u max – максимальная скорость распространения звукового возмущения; – плотность среды, где происходит распространение звука; a – скорость звука в среде. Величина I 4 для РКН составляет 12 МВт/м2, что соответствует 1 % кинетической энергии струи ДУ. Наиболее опасное воздействие акустическая нагрузка оказывает на объекты, частота собственных колебаний которых близка к излучаемому струей спектру звука. В первую очередь, это приборы КА и системы управления РКН, а также обслуживающий персонал СК, находящийся вне укрытий. 5. Вибрационные нагрузки I 5 , определяемые соотношением Z I5 = , g 86 где Z , g – ускорение перемещения элементов конструкции и ускорение свободного падения. Вибрационные нагрузки обусловлены крупной турбулентностью течения продуктов сгорания по газоходу, частота пульсаций давления в которых соизмерима с частотой собственных колебаний элементов конструкции ПС. Вибрационные нагрузки на современных СК доходят до 56 единиц и оказывают заметный вклад в нагружение как силовых конструкций ПС, так и приборов и систем, расположенных в его помещениях. 2.2. Основные схемы пусковых установок Выбор схемы пусковой установки при создании нового РКК проводится с учетом системного анализа поставленных задач и оценки влияния конструктивных особенностей ПУ на возможность выполнения этих задач. На рис. 2.5– 2.8 показаны варианты влияния схемных решений на военно-технические свойства ПУ, технико-экономические характеристики, особенности технологии подготовки и пуска РКН, конструктивное исполнение ПУ. шахтная ПУ открытая ПУ живучесть подвижная ПУ подземная ПУ скорострельность Военнотехнические свойства автономность суточная частичная автоматизация часовая полная автоматизация частичная полная численность персонала Рис. 2.5. Состав военно-технических свойств ПУ 87 Военно-технические свойства ПУ отражают их способность сохранять работоспособность и быть готовыми к выполнению своего целевого назначения в кратчайшие сроки с минимальным боевым расчетом, в условиях воздействия противника. Высокий темп пуска на ПУ открытого типа достигается повышением оперативности процессов приема РКН на ПС, вертикализации, прицеливания, заправки и проверки систем, снижением объема и продолжительности послепусковых операций на ПС, а также оснащением СК несколькими транспортноустановочными агрегатами с собранными и проверенными РКН, находящимися в готовности к установке, заправке и пуску. Уникальная ПУ Универсальность Универсальная ПУ Техникоэкономические характеристики Стоимость эксплуатации Ресурсоемкость Рис. 2.6. Состав технико-экономических характеристик Положение РКН перед пуском Особенности технологии подготовки и пуска РКН Необходимость ориентации ПС Вертикальное Двух опорное закрепление РКНСуточная Консольное закрепление Наклонное Лафетный Горизонтальное Воздушнокосмический самолет По вертикали Механический привод По вертикали и азимуту Гидравлический привод Неподвижный Электрический привод Стационарная Подвижность ПУ Подвижная Рис. 2.7. Состав особенностей технологического процесса подготовки РКН 88 Автономность ПУ определяется автономностью стартового комплекса в целом и предполагает наличие достаточных запасов компонентов ракетного топлива и других расходных материалов, наличие резервных структур снабжения, ремонта и жизнеобеспечения обслуживающего персонала. Автономность ПУ влияет и на ее живучесть. Численность обслуживающего персонала определяется объемом работ, осуществляемых при поддержании ПУ в технической готовности, выполнении операций подготовки и пуска, а также их продолжительностью. Численность персонала косвенно влияет на уровень безопасности (травматизма) и возможность привнесения неисправностей в процесс подготовки пуска. Наземная ПУ Схема размещения Котлованная ПУ Рамно-ферменная Единая Силовая конструкция Неподвижные Опорные устройства Конструктивное исполнение Стержневая Дискретная Отводимые Защищенные Незащищенные Лотковые Отражатели Рассекающие Газоотводные устройства Открытые Газоходы Заглубленные с КМ Совмещенность с оборудованием СК с АО с ТУА Рис. 2.8. Состав конструкционных особенностей ПУ Технико-экономические характеристики определяются универсальностью ПУ, т.е. возможностью пуска с нее нескольких типов (классов) РКН, стоимостью эксплуатации и ресурсоемкостью. Достижение полной универсальности пока не представляется возможным ввиду уникальности ракетных систем. 89 В настоящее время универсальными считаются пусковые установки, которые для одной ракетной системы обеспечивают возможность пуска ракет различных классов. Например, в КРК «Ангара» пусковая установка (рис. 2.9) позволяет пускать РКН легкого, среднего и тяжелого класса. Пусковая установка для РКН «Союз» (рис. 2.10) позволяет проводить пуск нескольких ее модификаций при незначительном объеме работ по замене съемного оборудования. Рис. 2.9. ПУ 14И030 КРН «Ангара» Рис. 2.10. ПУ 8У0215 РКН «Союз» 90 В иностранных космических комплексах универсализация пускового оборудования для ряда комплексов обеспечивается за счет использования транспортно-пусковых платформ. На рис. 2.11 показаны схемы для пуска ракет «Сатурн-1В» и «Сатурн-5». Стоимость эксплуатации РКК является одним из основных параметров при определении частоты пусков или даже целесообразности его разработки и создания. Так, для РКН тяжелого и сверхтяжелого классов количество пусков в год планируется в количестве около 10 в год, а реальные пуски проходят еще реже. По причине высокой стоимости эксплуатации РКК на этапе летных испытаний было принято решение о прекращении испытаний РКН сверхтяжелого класса 11А52 (Н-1) [рис. 2.12]. Рис. 2.12. ПУ РКН «Сатурн» Рис. 2.12. ПУ РКН 11А52 Ресурсоемкость современных пусковых установок может быть столь значительной (запуск РКН «Энергия» требовал 200 МВт электроэнергии, из которых половина приходилась на работу системы охлаждения ПУ), что успешная эксплуатация таких комплексов возможна при использовании ресурсов районов (регионов), организационно не входящих в инфраструктуру космического комплекса. Исследования по эффективности РКК показывают, что особенности технологии предстартовой подготовки (см. рис. 2.7) оказывают существенное влияние на общую экономическую эффективность применения как современных, так и перспективных ракетно-космических систем. 91 Для ПУ важным является и «напряженность» технологических операций вследствие высокой стоимости и большой уязвимости ПУ в аварийных ситуациях на СК. Совокупность технологических операций по подготовке к пуску РКН зависит от способа сборки ракеты, ее положения перед пуском, ориентации корпуса РКН на ПС и распределения функций между элементами ПУ и СК. Наиболее распространенными являются ПУ, где предстартовая подготовка и пуск выполняются при вертикальном положении РКН. В таком положении РКН необходимо обеспечить ее устойчивость, а также доступ к двигательной установке первой ступени носителя. Устойчивое и удобное для обслуживания положение РКН занимает в ПУ с двухопорным ее закреплением (см. рис. 2.10), когда верхний опорный пояс 1 несет весовую нагрузку, а нижние опоры 2 ПС фиксируют РКН, чтобы избежать раскачивания. При этой компоновке удается существенно снизить высоту средств обслуживания (агрегат обслуживания, кабель-мачта и т.п.), однако в этом случае приходится организовывать глубокие газоходы и дорогостоящие строительные сооружения ПУ. Большинство РКН имеют один опорный силовой пояс в нижней части корпуса. После установки таких РКН на ПУ может выполняться консольное закрепление и удержание ракет, что обеспечивает лучшее восприятие весовой, ветровой и инерционной нагрузок. Основной задачей РКН является выведение космического аппарата на определенную высоту с заданной окружной скоростью. С точки зрения энергетических затрат, на запуск КА для уменьшения гравитационных потерь желательно использовать аэродинамические качества средств выведения, что достигается организацией наклонного пуска или использованием воздушнокосмических систем. Рис. 2.13 Подготовка и пуск РКН семейства «МИ» 92 Однако при наклонном пуске сход с направляющих ПУ сопровождается провалом в траектории ракеты, и поэтому здесь необходима высокая тяговооруженность ракеты, что, в свою очередь, ведет к большим перегрузкам. Наклонный пуск требует азимутального наведения стрелы с ракетой и, соответственно, мощного привода системы прицеливания, а корпус РКН должен воспринимать большие изгибающие нагрузки. Кроме того, наличие расположенных рядом средств обслуживания может ограничивать диапазон направлений пуска. Обеспечить успешный наклонный пуск удается только для РКН легкого класса, что было реализовано, например, на СК для ракет семейства «Ми» (Япония) [см. рис. 2.13]. В настоящее время большое внимание уделяется проектам по разработке воздушно-космических систем, позволяющих сочетать горизонтальную подготовку средств выведения и горизонтальный старт. Эта концепция может найти воплощение в воздушно-космическом самолете или самолете-носителе, на котором размещается разгонный блок с КА (рис. 2.14). Рис. 2.14. Схема воздушного старта РКН Создание таких систем связано с решением проблем как по носителю (самолету, воздушно-космическому самолету), так и по разработке и конструктивной реализации новой технологии подготовки и пуска. 93 Для таких систем нужны мощные взлетно-посадочные системы, а на борту носителя необходимо разместить значительную часть проверочно-пускового электрооборудования и систему электроснабжения специальными токами. Современный уровень науки и техники позволяет рассчитывать на выведение по этой схеме полезной нагрузки всего до 2÷5 тонн, но в определенных вариантах возможна реализация концепции многоразового использования основных элементов воздушно-космической системы. Для запуска КА малой массы могут использоваться РКН легкого класса и ПУ «шахтного» типа (рис. 2.15). Такие ПУ отличает высокая устойчивость к воздействию противника, малое время перевода ракеты из режима дежурства (хранения) в готовность к пуску. Рис. 2.15. ПУ «шахтного» типа Сам процесс пуска из «шахтной» ПУ носит кинематически определенный характер как по направлению, так и по значениям параметров движения. Для «шахтной» ПУ возможен минометный пуск (рис. 2.16), когда ракета может быть выведена средствами пусковой установки на некоторую высоту над устьем шахты, где обеспечивается запуск ее ДУ с безопасным для ракеты и ПУ отводом продуктов сгорания. 94 Рис. 2.16. Схема минометного пуска РКН Для «шахтной» ПУ характерно наличие силового ствола, защитного устройства, транспортно-пускового контейнера, системы амортизации и незначительного по объему стационарного проверочно-пускового оборудования, расположенного в оголовке шахт. Однако шахтная установка не предназначена для высокого темпа пусков, которого можно достичь в открытой ПУ. Одной из типовых функций ПУ является ориентация корпуса РКН перед пуском, что необходимо для обеспечения заданной точности выведения КА на орбиту. В общем случае ориентация РКН включает процессы вертикализации и азимутального наведения. Для реализации этих технологических процессов ПУ может оснащаться подвижными опорами и поворотными основаниями, а также системами управления и контроля положения исполнительных органов и корпуса РКН. Кроме вертикализации, подвижные опоры ПУ должны обеспечить процесс приема РКН с транспортно-установочного агрегата, исключая при этом ножевые нагрузки на РКН как в режиме движения, так и при удержании фиксированного пространственного положения. Перемещение опор для таких ПУ обеспечивается механическими, электромеханическими и гидравлическими домкратами. Полностью исключить ножевые нагрузки, действующие на РКН, удается при использовании промежуточного элемента (стартово-стыковочного блока или кольца), находящегося между тарелями РКН и неподвижными опорами ПС (рис. 2.17). Для ПУ такого типа (рис. 2.18) из технологического процесса подготовки РКН практически исключается операция вертикализации. Точность вертикализации в этих ПС достигается предварительной юстировкой опорных устройств. 95 Рис. 2.17. Стартово-стыковочное кольцо Рис. 2.18. ПУ с неподвижными опорами Для целого ряда РКН увеличение массы полезной нагрузки достигается за счет снижения веса (прочности) ее корпуса. Сборка таких РКН производится вертикально на транспортно-пусковых платформах. Транспортировка РКН в вертикальном положении выполняется с использованием транспортеров. Подобные схемы используют, например, в ракетно-космических комплексах США (рис. 2.19), Китая, Японии (рис. 2.20). Рис. 2.19. РКН на транспортно-пусковой платформе 96 Рис. 2.20. Транспорно-пусковая платформа Движение платформы происходит по специально спрофилированному тракту со скоростью 0,6–1,8 км/ч при работе системы стабилизации транспортера, обеспечивающей горизонтальное положение платформы в диапазоне ± 5 угловых минут. Для ПУ РКН «Сатурн-5» и системы «Спейс Шатлл» кроме подвижной пусковой платформы использовались подвижные газоотводные отражатели. Такие ПУ являются составными. Облик ПУ существенным образом зависит от необходимости его совмещения с другими элементами и системами технологического оборудования. На поворотном основании ПУ для РКН «Союз» устанавливаются колонны агрегата обслуживания, кабель-заправочная мачта, верхняя и две нижних кабель-мачты. На транспортно-пусковых платформах могут размещаться кабель-заправочные башни. Режимные параметры двигательных установок РКН, состав и размещение технологического оборудования на стартовом комплексе во многом определяют схему и особенности организации газоотвода. Для РКН легкого класса уровень абсолютных значений газодинамических и тепловых нагрузок позволяет отказаться от специальных газоходов. В этих комплексах можно использовать наземные схемы ПУ 1 (рис. 2.21), а организация отвода продуктов сгорания для этих ПУ ограничена поворотом струи с последующим ее растеканием по поверхности. 1 3 2 5 4 Рис. 2.21. Газодинамические схемы ПУ 97 В том случае, когда конструктивные особенности РКН, режимные параметры ее ДУ, особенности технологии подготовки и пуска приводят к появлению значительных по размеру (высоте) ПУ, рациональным для СК в целом является решение о заглублении ПУ в строительном сооружении (рис. 2.22). Для таких ПУ необходим котлован, обеспечивающий упорядоченный газоотвод продуктов сгорания ДУ РКН при пуске. Если заглубление из-за особенностей грунта невозможно, то пусковая установка может размещаться на возвышенности, а для отвода струи используется естественный склон на поверхности СК или строится наземный канал (рис. 2.23). Рис. 2.22. Котлованная схема ПУ Рис. 2.23. Наземная схема ПУ Организация газоотвода достигается применением в ПУ отражателей, отклоняющих струю продуктов сгорания ДУ и газовых каналов (газоходов), которые отводят поток в безопасную для РКН и ПО зону. Для мощных РКН отражатели ПС сопрягаются с заглубленными газоходами 2–5 (см. рис. 2.21), выполненными в искусственных или естественных котлованах. Рассекающие отражатели 1–3 (рис. 2.24) распределяют поток по направлениям соответствующих газоходов. Симметричное расчленение общего потока газа позволяет выровнять поле давлений, которое действует на ракету при пуске, снизить тепло- и расходонапряженность в газоходах и сократить глубину строительных сооружений под них. Лотковые отражатели 4 поворачивают сверхзвуковые потоки продуктов сгорания в одном направлении. Отражатели и газоходы ПС воспринимают значительные по величине циклические силовые и тепловые нагрузки. При этом они должны быть защищены от воздействия пролива токсичных и криогенных КРТ. С этой целью отражатели и газоходы ПС облицовывают стальными листами 1 (рис. 2.25), подкрепленными силовым набором 3. В нижней части отражателей располагаются потерны 3 для сбора промстоков. 98 1 2 4 3 Рис. 2.24. Рассекающие отражатели ПУ Размеры строительных сооружений намного превышают размеры ПУ. Как правило, это многоэтажные железобетонные силовые конструкции, в которых помимо закладных деталей под ПУ и каналов газохода имеются помещения для размещения другого технологического оборудования СК и элементов пускового оборудования. 1 1 3 2 3 1 2 3 1 Рис. 2.25. Облицовка ПУ 99 Корпус пускового стола, как правило, выполнен в виде единой силовой конструкции, способной сохранить свои геометрические характеристики и воспринимающей сосредоточенные весовые, ветровые и инерционные нагрузки от РКН в условиях газодинамического воздействия на него. Требуемой для конструкции ПУ жесткости достигают при стержневом или рамно-ферменном исполнении пускового стола. Облик силовой конструкции, кроме этого, определяется общей компоновкой ПО и совокупностью необходимых технологических операций для РKH. Особенности опорных устройств ПУ, связанные с их транспортировкой, сборкой и эксплуатацией, могут привести к дискретной опорной силовой конструкции стола [18]. Опорные устройства ПУ обеспечивают восприятие весовых нагрузок от ракеты и их передачу на силовой корпус. Кроме того, они предназначены для совмещения опорных точек РКН и пускового стола в процессе приема ракеты. Своей подвижностью опорные устройства должны обеспечить процесс вертикализации, на них могут быть возложены функции по ветровому креплению РКН, ее удержанию при выходе на номинальный режим тяги ДУ. На опорных устройствах могут быть расположены стыковочные устройства систем заправки и термостатирования РКН. Опорные устройства в большинстве случаев расположены в непосредственной близости от ДУ РКН и при пуске воспринимают значительные тепловые и силовые нагрузки. В тех случаях, когда опорное устройство многофункционально, оснащено сложными, не стойкими к тепловому воздействию элементами дорогостоящих систем, его необходимо защищать от жесткого воздействия пусковых процессов. Защита таких опорных устройств осуществляется путем их отвода в ниши ПС или на безопасное расстояние синхронно с движением стартующей ракеты [17, 18]. Отвод опор осуществляется противовесами, что обеспечивает надежность процесса. Приведение подвижных опор в рабочее положение, их перемещение в процессе приема РКН и ее вертикализации обеспечивают силовые домкраты. Неотводимые опорные устройства обеспечивают только совмещение опорных точек ПУ и РКН. Они выполняются в виде достаточно массивных конструкций, тепловое и силовое воздействие на которые не изменяет их характеристик. 100 2.3. Системы и механизмы пусковых установок 2.3.1. Системы приема ракеты космического назначения на опоры пускового стола Установка ракеты космического назначения (РКН) на опоры пускового стола (ПС) состоит в совмещении опорных точек тарелей ракеты с опорными устройствами стола и снятии весовой нагрузки с транспортно-установочного агрегата (ТУА). Условно этот процесс можно разделить на четыре этапа. Первый этап – выравнивание опорных плоскостей РКН и ПС, для чего необходимо обеспечить взаимное движение опор и тарелей по углам и (рис. 2.25). Второй этап – совмещение вертикальных проекций опорных точек 1–4, для чего необходимо перемещение по координатам х, y и углу . Третий этап – совмещение опор стола и тарелей ракеты по координате z, при этом опорные точки могут располагаться на различных уровнях по координате z. Четвертый этап – синхронное движение опорных устройств вверх по координате z, что необходимо для освобождения узлов крепления РКН на ложементах ТУА от веса ракеты. 3 2 4 1 z x 2 y 2 1 1 4 3 3 4 x 2.25. Схема установки РКН на опоры ПУ 101 Совмещение опор и тарелей организуется тремя способами: 1) движением опор ПС и корпуса ТУА при неподвижных ложементах ТУА; 2) взаимным движением опор ПС и ложементов ТУА; 3) движением ложементов ТУА при неподвижных опорах ПС. Первый и второй способы применяются на ПС, где имеется система вертикализации. Для ПС с неподвижными опорами совмещение опорных поверхностей возлагается на механизмы передвижения ложементов ТУА. В системах приема РКН, где опоры ПС могут перемещаться независимо друг от друга, на каждой опоре необходимы три механизма ее перемещения по трем координатам (рис. 2.26). Взаимное движение всех опор по соответствующим координатам позволяет выполнять и угловые перемещения совокупности опорных точек. ΔY ΔZ α ΔX ΔY β Рис. 2.26. Схема крепления РКН на ПУ 102 Вертикальные перемещения опор выполняются рычажными механизмами, приводы которых вынесены на периферию ПС, поскольку центральная его часть занята корпусом РKH или газоходом. Движение опорных точек вверх или вниз сопровождается их смещением от центра или к центру ПС (рис. 2.27). Такое смещение недопустимо, поэтому диаметральный уход опор компенсируется установкой на них подвижных элементов (рис. 2.27) или дополнительного механизма компенсации (рис. 2.28). Рис. 2.27. Схема движения опорных точек ПУ Рис. 2.28. Закрепление РКН на ПУ На ПУ с независимыми механизмами перемещения опор система приема РКН практически не в состоянии выполнить задачи вертикализации. Незначительная несогласованность движения этих механизмов неизбежно приводит к ножевым нагрузкам. На таких ПУ вертикализация выполняется автономно, с использованием жесткой платформы, установленной на объединенные в единую систему гидравлические домкраты. Для функционирования системы приема важным условием является равномерное нагружение опор ПС весовой нагрузкой РКН. С этой целью в системах с независимыми опорами проводится измерение усилий на каждую опору. Системы приема с независимыми механизмами перемещения опор не нашли широкого применения ввиду сложности их автоматизации. Использование в опорах гидравлических домкратов, объединенных в систему, позволяет обеспечить равномерность распределения нагрузки. На большинстве ПУ системы приема РКН придают опорам свободу перемещения по вертикали, а все остальные маневры по сближению РКН и ПС достигаются за счет подвижности ложементов ТУА. На ПУ, где отсутствует система вертикализации, совмещение плоскостей опор ПС и РКН, а также их опорных точек обеспечено механизмами ТУА, высокой точностью изготовления и контроля положения элементов ПС. 103 Для ПУ, на которых РКН опирается через стартово-стыковочную плиту, взаимная ориентация опорных точек достигается установкой на ПС центрирующих опор (рис. 2.29). В таких ПС опоры заканчиваются сферическими парами, горизонтируемыми перед установкой РКН с высокой точностью. Распределение нагрузок между опорами (рис. 2.30) происходит пропорционально жесткости опор. R R Рис. 2.29. Схема устройства центрирования Рис. 2.30. Схема работы устройства На тех ПС, где промежуточная стыковочная плита не используется и отсутствует система вертикализации, ориентация РКН перед ее установкой на опоры ПС выполняется опорами центровки, установленными на основных опорах. Все механизмы системы приема РКН на ПУ должны обеспечивать опорам потребный ход, заданную точность их перемещения и жесткую фиксацию своего положения. С этой целью в них используются винтовые пары и тормозные устройства, а в гидроприводах установлены системы контроля положения и компенсации утечек. 2.3.2. Системы ориентации опор пускового стола Для обеспечения заданной точности выведения полезной нагрузки на орбиту необходимо совместить стартовую систему координат, положение которой задано в полетном задании, и связанную с корпусом ракеты систему координат. При их полном совмещении точность выведения будет определяться качеством системы управления РКН. 104 При выполнении ориентации РКН с помощью ПУ выделяют две технологических операции: вертикализацию и азимутальное прицеливание. Требование к точности вертикализации РKH определяется влиянием ошибок вертикализации на точность азимутального прицеливания, а также необходимостью обеспечения устойчивого положения ракеты на ПУ при ветровой качке и равномерного распределения ее веса по опорам. При наличии ошибок азимутального прицеливания плоскость стрельбы отклоняется от расчетной на угол, равный угловой ошибке прицеливания. На первых ракетных системах устанавливались командные приборы системы управления, жестко связанные с корпусом ракеты. Для таких РКН ориентация стартовой и связанной систем координат достигается перемещением опор ПС вместе с РКН в вертикальной плоскости и разворотом поворотного основания ПС. С появлением гиростабилизированных платформ систем управления ориентация корпуса РКН не проводится. В этом случае достаточно выполнить поворот основания гиростабилизированной платформы относительно корпуса РКН, а совмещение вертикальной оси инерциальной системы координат с вертикальной осью стартовой системы координат осуществляется автоматически. В качестве датчиков, вырабатывающих сигналы рассогласования при отклонении плоскости гироплатформы от горизонтали, используются акселерометры, которые установлены на платформе. Сигнал с акселерометров подается на приводы горизонтирования платформы. Поэтому в более поздних (современных) ПС нет необходимости в развороте опорного основания на заданный угол, но в то же время остается потребность в вертикализации, точность которой влияет на точность ориентации гиростабилизированной платформы. Ориентация ПС выполняется приводами его механизмов, оснащенными системой контроля положения опор. Однако требуемую точность ориентации удается достичь при использовании оптических систем контроля прицеливания, расположенных на борту РКН и стартовой позиции комплекса. Используя известные законы отражения световых лучей от зеркальных поверхностей (бортовой призмы прицеливания), можно оценить влияние ошибок вертикализации на точность азимутального прицеливания РКН (рис. 2.31) с помощью следующей зависимости: tg cos x = , cos y x 105 где х. и y – углы отклонения прицельной бортовой призмы, жестко связанной с командными приборами, от оси в вертикальной и азимутальной плоскостях; угол места призмы, Δx ошибка вертикализации; Δy ошибка азимутального прицеливания. Из приведенного выше соотношения можно оценить степень влияния ошибки вертикализации на точность прицеливания и высоты РКН, величина которой определяет угол . Y Y0c Z Z0 x 0 А y Рис. 2.31. Влияние ошибок вертикализации на точность прицеливания 106 X X0 2.3.3. Система вертикализации Система вертикализации предназначена для снижения ошибок азимутального прицеливания и повышения устойчивости РКН на ПС. Процесс вертикализации должен выполняться с учетом следующих требований: обеспечения сохранности взаимного расположения опорных точек РКН и ПС. В противном случае неизбежны ножевые нагрузки и возможна поломка корпуса РКН; удержания положения центральной (осевой) точки опорной поверхности. При несоблюдении этого условия возникают проблемы в стыковке наземных коммуникаций с бортом РКН; обеспечения независимости процесса вертикализации в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (без привнесения ошибок из одной плоскости в другую); слежения за процессами движения и стабилизации положения опор ПС. Анализ работы систем вертикализации целесообразно начать с рассмотрения трехопорной системы. Для такой системы (рис. 2.32, 2.33) вертикализацию можно выполнить, соблюдая все условия, ограничивающие этот процесс. На рисунках цифрами 1–3 обозначены номера опор. II 2 II-II I I-I 2 A n b 3 A 3 1 II I 1 Рис. 2.32. Ориентация плоскостей опор Рис. 2.33. Схема расчета в плоскости опор 107 Синхронность движения опор (рис. 2.34) с разными скоростями позволит исключить уход центральной точки А, автоматически исключив, в свою очередь, появление ножевых нагрузок. В тех случаях, когда ограничение по уходу точки А может быть снято, задача управления движением опор упрощается, но появляется необходимость в длинно-ходовых механизмах перемещения опор. Вертикальность ракеты на ПС достигается выставлением ее оси в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В трехопорных системах одна из плоскостей всегда проходит через опору ПС, а другая – параллельна линии, соединяющей две остальные опоры. В реальных конструкциях ПС встречается четное количество опор. Число опор определяется весом заправленной РКН и допустимой нагрузкой на одну опору. С увеличением числа опор увеличивается вероятность ножевой нагрузки. n I-I h’1 1 А 1 2 3 h1 = 3 n* n 1 2 h1 I-I h2 = h3 = – 1/2 h1 h’1 = 2h1 1 = 2 h2 n h2 А 2 h3 3 n* 2 1 А 3 h2 = – h3 h3 Рис. 2.34. Схема обеспечения вертикализации за счет движения опор 108 Анализ возможных вариантов четырех опорной системы показывает, что для нее возможны два варианта расположения плоскостей вертикализации: первый плоскости проходят вне опор (рис. 2.35); второй плоскости проходят через опоры (рис. 2.36). Эти варианты соответствуют четырем способам выполнения вертикализации. Из рис. 2.35 и 2.36 видно, что два из этих способов приводят к уводу точки от заданного положения и поэтому не используются. II-II 2 1 3 А I-I 4 II 2 I 1 3 А I b II 4 2 2 3 А I-I 3 I-I А 1 1 4 4 h2 = h3 h1 = h4 = – h2 = – h3 Рис. 2.35. Вертикаклизация РКН при четырех опорной схеме закрепления, когда плоскости вертикализации проходят вне плоскости опор 109 II-II 3 2 I-I А 1 II 2 3 4 I А 1 4 I b II 3 3 2 2 I-I А 4 I-I А 4 1 1 h1 = – h3 h2 = h4 = 1/2h3 Рис. 2.36. Вертикаклизация РКН при четырехопорной схеме закрепления, когда плоскости вертикализации проходят в плоскости опор Из двух остальных способов предпочтительнее тот, который содержит меньше ограничений. Такой способ (см. рис. 2.36) легко реализуется, когда в качестве привода опор используются гидравлические домкраты. Для этого поршневые полости диаметрально противоположных домкратов соединяются трубопроводами, в которых установлены насосы, а штоковые полости попарно закольцовываются (рис. 2.37). 110 Рис. 2.37. Схема работы гидраврических домкратов для горизонтирования плоскости опор При анализе той или иной схемы системы вертикализации отдельное место занимает оценка нагрузок, действующих на опору ПС. Определение нагрузок, действующих на опору, удобно проводить, выделив основную часть нагрузки, обусловленную весом РKH, и дополнительную часть, связанную с начальной невертикальностью РКН, действием ветра и инерционными моментами. Основная часть нагрузки может быть получена при решении системы уравнений моментов реакции опор относительно осей X и Y и проекции сил на ось Z (рис. 2.38). Y Y 2 R 2 R b l 1 1 X X 3 l 3 4 Mx=P2RP4R=0, My=P1RP3R=0, Z=P1+P2+P3+P4G=0 Mx=P2lP3l=0, Mx=P1RP2R/2P3R/2=0, Z=P1+P2+P3G=0 Рис. 2.38. Расчетная схема для определения нагрузок на опоры при четырех опорной схеме 111 При симметричном расположении опор основная нагрузка определяется из выражения Pi = G , где G вес заправленной РКН; n число опор. n Дополнительная нагрузка может быть определена из выражения ΔP = (M j +M +M ) в , b где Мj момент сил инерции масс заправленной РКН; Mв максимальный суммарный момент ветровой нагрузки относительно опор РКН; Mγ момент от составляющей силы веса заправленной РКН, возникающий в результате ее невертикальности; b плечо пары сил реакции, возникающих на опорах при действии этих моментов. Для опоры расчетным случаем является условие, когда весовая и дополнительная нагрузки создают максимальную реакцию на опоре. Из рис. 2.39 видно, что для трех опорной системы максимальное нагружение наступает в том случае, когда действие дополнительной нагрузки M=Mj+M+MB направлено по линии, проходящей через центр опорного круга и одну из опор. 2 R 1 M P1=P2=P3=G/3, P1= (P2+P3), P1=G/3+P1=G/3+M/1,5R 3 G P1 * ΔP1 M 1,5 R P2,3* ΔP2,3 Рис. 2.39. Расчетная схема для определения нагрузок на опоры при трех опорной схеме 112 Для четырех опорной схемы наиболее опасным является случай, когда дополнительная нагрузка (М) действует по линии диаметрально противоположных опор (рис. 2.40). R 2 R 1 2 M M 3 1 4 3 4 G P1,4 * ΔP1,4 M 1,41 R G P2,3* P1 ΔP2,3 ΔP1 P1=P2=P3= P4=G/4, P1=P3, P1=G/4+P1=G/4+M/2R * P2,4 M * P3* ΔP3 2R P1=P2=P3=P4=G/4, P1=P4=P2=P3, P1=P2=G/4+P1=G/4+M/2,82R Рис. 2.40. Расчетная схема для определения нагрузок на опоры при четырех опорной схеме в случае возникновения боковой нагрузки Для РКН среднего и более тяжелых классов необходимо большое количество опор. При этом работа домкратов в опорах ПС должна быть синхронизирована. В то же время для ПС легкого класса может оказаться целесообразным увеличение числа силовых домкратов, что в свою очередь позволит уменьшить габариты и вес ПС, снизить усилия в приводах домкратов и упростить технологии процесса вертикализации. Схема объединения силовых домкратов, движущихся синхронно, показано на рис. 2.41, а. 113 Действие домкратов (рис. 2.41, б) может быть и независимым, но при этом должно быть исключено появление ножевых нагрузок на РКН а) б) а) б) Рис. 2.41. Схема работы силовых домкратов: а – независимое движение домкратов при работе; б – синхронное движение домкратов при работе Шести опорная схема опорных устройств ПС может быть выполнена как с равномерно распределенными по опорному контуру домкратами, так и со сгруппированными попарно. Как в первом, так и во втором случае удается свести многоопорную систему к статически определенной трехопорной. Однако предпочтение следует отдавать схеме с равномерно распределенными домкратами, поскольку для нее плечо (b на рис. 2.42, а, 16 – номера опор), на котором действуют моменты дополнительной нагрузки, больше (bb2b1), а следовательно, величина максимальной нагрузки (P+P) на один домкрат меньше. Ориентация плоскостей вертикализации для шести опорных ПС выбирается так, чтобы одна из плоскостей проходила через два диаметрально противоположных домкрата (рис. 2.42, б). 114 Работа шести опорной системы вертикализации в плоскостях I–I и II–II (рис. 2.42, 2.43) отличается условиями, которые необходимо соблюдать для сохранения опорной плоскости, поддержания ее центральной точки на заданной высоте. Сложность работы такой системы усугубляется тем, что для работы в разных плоскостях одни и те же пары домкратов должны работать по разной программе. а) б) 2 2 3 3 1 b b1 1 4 6 6 5 b2 4 5 в) I-I 3 2 II-II 4 1 5 6 Рис. 2.42. Шести опорная система расположения опор на ПУ: а – с равномерно распределенными по опорному контуру домкратами; б – со сгруппированными домкратами попарно; в – плоскости опор распределенных по контуру Анализ условий максимального нагружения шести опорной системы (рис. 2.43, 2.44) показывает, что наиболее сложным случаем (с точки зрения расчета) является тот, при котором действие дополнительных моментов направлено перпендикулярно линии, соединяющей оси двух объединенных домкратов (рис. 2.44). 115 m 2 3 R 4 1 P n 5 6 G1 P G2 2 3 6 1 n 5 M ΔP1* P2 * m R P3* M 4 ΔP2* P1* P6* ΔP ΔP 1 6 1,5 R P5* P4* ΔP ΔP 5 4 G=G1+G2, G1=4G/6, G2=4G/6; P1=P2=P3=P4=P5=P6=G/6; P1=P2=M/1,5R; P1=P1+P6; P1=P6; P2=P5+P4; P5=P6; P1=G/6+P1=G/6+M/3R Рис. 2.43. Схема нагружения опор при действующей боковой нагрузке вдоль оси двух домкратов Сопоставление условий максимального нагружения домкратов для трех-, четырех, шести опорных схем показывает, что с увеличением числа опор величина дополнительной нагрузки на один домкрат снижается. 116 2 R n 1 3 M P 6 4 m 5 G M P P1,6* ΔP1* m, n ΔP2* P2,5* P3,4* ΔP2,5 ΔP3,4 1,2975 R P1=P2=P3=P4=P5=P6=G/6; P1=P2=M/1,2975R; P1=P1+P2; P1=P2; P1=G/6+M/2,595R Рис. 2.44. Схема нагружения опор при действующей боковой нагрузке перпендикулярно двум осям домкратов Восьми опорная система (рис. 2.45) путем попарного объединения домкратов приводится к четырех опорной. При вертикализации в плоскости I-I домкраты 1, 2 синхронно поднимают, а домкраты 5, 6 опускают точки n и m (рис. 2.45). 117 Одновременно с этим домкраты 8, 7 и 3, 4 удерживают точки p и f, передавливая рабочую жидкость в своих полостях. Аналогично выполняется вертикализация в плоскости II-II. 2 I 3 1 n II p 4 8 f II 7 I 6 1 hn hm 6 4 2 n 5 m 3 p αp m 5 hn = -hm f 7 αp = αf Рис. 2.45. Восьми опорная система размещения опор на ПУ 118 αf 8 Восьми опорная система может быть построена и на винтовых домкратах. В таких системах (рис. 2.46, 1–8 – номера домкратов; I–IV – номера опор) два домкрата одной опоры объединяются общей траверсой (см. рис. 2.41), а ближайшие домкраты соседних пар имеют общий приводной вал. Произвольное вращение приводных валов обеспечивает независимую вертикализацию в двух плоскостях без привнесения ошибок из одной плоскости в другую. Синхронная работа диаметрально противоположных приводных валов в такой системе позволяет исключить уход центральной точки опорной плоскости. 3 I 4 2 5 II II 6 1 8 7 I Рис. 2.46. Восьми опорная система с винтовыми домкратами Для тяжелых ракет число опор может быть значительным. Для вертикализации в этом случае используются только гидравлические домкраты. Среди этих домкратов выделяют основные и поддерживающие (рис. 2.47). Соответствующие полости поддерживающих домкратов объединяют в единую систему сообщающихся сосудов. Эта группа домкратов воспринимает только ту часть основной нагрузки, которая соответствует числу домкратов. Основные домкраты объединяются по группам и сводятся к четырехопорной схеме (см. рис. 2.38). Они воспринимают оставшуюся часть основной нагрузки и всю дополнительную нагрузку. Приведенная четырехопорная схема в этом случае выбирается в связи с тем, что для нормальной работы поддерживающие домкраты должны быть расположены симметрично относительно базовых плоскостей вертикализации. 119 I основные домкраты поддерживающие домкраты M II II Ri I R Рис. 2.47. Многоопорная система размещения опор на ПУ с использованием различных домкратов Это объясняется тем, что жидкость, вытесняемая из рабочих полостей поддерживающих домкратов, которые расположены по одну сторону от базовой плоскости вертикализации, должна полностью поместиться в рабочих полостях поддерживающих домкратов, которые расположены по другую сторону от этой же плоскости. Нагрузки на поддерживающие и основные домкраты определяются решением системы уравнений: Pi n Pjm G n 4 n4 Pi Pi Ri Pi Pi Ri M i 1 i 1 P P P i i где Pi , Pj части основной нагрузки, воспринимаемой основным и поддерживающим домкратами; m, n число основных и число поддерживающих домкратов, G, М основная и дополнительная нагрузки, ΔPi дополнительная нагрузка на основных домкратах от момента М, [Р] минимальная нагрузка на основной домкрат, выбираемая из усло вия отсутствия ножевых нагрузок. 120 2.3.4. Системы азимутального наведения Для РКН, командные приборы, которых жестко связаны с ее корпусом, прицеливание выполняется разворотом ракеты вместе с поворотной частью ПС, на которой кроме опорных устройств для РКН размещаются стыковочные узлы коммуникаций между системами наземного комплекса и бортом ракеты. Поворотная часть ПС опирается на подшипник, приводится в движение приводом. При неподвижном положении она фиксируется стопорными устройствами. Разворот поворотного основания должен выполняться во всем диапазоне азимутов стрельбы, обеспечивать установку ПС в положение для приема РКН и позволять проводить регламентные и ремонтные работы на ПС. Как правило, поворотные ПС способны разворачиваться на 360°. Процесс разворота ПС имеет ограничения по инерционным нагрузкам, действующим на РКН, по точности остановки и надежности фиксации положения. С целью обеспечения допустимых режимов разворота привод механизма азимутального прицеливания имеет несколько скоростей, устройство для грубой оценки и систему контроля положения ПС, а также системы и устройства, управляющие процессом его торможения и стопорения. Привод механизмов азимутального наведения состоит из двигателя, редукционной части, сочлененной выходной шестерней с зубчатым венцом поворотной части ПС, и системы управления. Привод может располагаться как на самой поворотной части ПС (рис. 2.48, а), так и на его строительном сооружении (рис. 2.48, б), в зависимости от класса РКН и типа ПС. б) а) Рис. 2.48. Схема размещения привода механизма азимутального наведения: а – на поворотной части пускового стола; б – на строительном сооружении 121 Опорный подшипник для механизмов поворота работает в условиях вертикальной статической нагрузки от веса РKH, динамических, инерционной и ветровой нагрузок, имеющих и радиальное направление. В наземных ПУ (рис. 2.49) на подшипник поворотной части может воздействовать и газодинамическая нагрузка от ДУ РКН, которая носит ударный характер. G vпс vв h Рис. 2.49. Схема нагружения подшипника поворотной части в наземной пусковой установке Конструкция опорного подшипника выполняется такой, чтобы в процессе эксплуатации ПС опорные венцы подшипника и его тела качения сохраняли высокую точность своих геометрических параметров. С этой целью подшипник делается двойным. Он состоит из наборов тел качения, воспринимающих отдельно осевые и радиальные нагрузки (рис. 2.50). Равномерность их распределения достигается использованием сепараторов. 122 G vпс vв Рис. 2.50. Конструкция опорного подшипника и схема его нагружения На наземных ПУ во избежание ударной газодинамической нагрузки на подшипник газовый отражатель вывешивается на пружинах, а при запуске РКН он передает ударную нагрузку непосредственно на неподвижную часть ПС. Допустимый уровень инерционных нагрузок при выполнении разворота ПС, высокая точность его остановки в заданном положении достигается следующими мерами: - дискретным изменением передаточного отношения редуктора и организацией динамического торможения двигателем при использовании в приводе электродвигателей переменного тока; - плавным изменением производительности насоса и применением тахогенераторов обратной связи при использовании гидропривода. 123 Для грубой оценки углового положения поворотной части ПС используется неподвижная шкала на его основании. Точное положение поворотной части ПС, а также задание программы разворота выполняется с помощью дающего и принимающего сельсинов. В наземных пусковых установках СП может быть установлен непосредственно на ПС, а в ПУ котлованного типа, он устанавливается на выходном звене редуктора привода. Стопорение и фиксация положения поворотной части ПС выполняется синхронно с его остановкой, для чего используются механические, пневматические и гидравлические устройства. Точность азимутального наведения РКН составляет несколько угловых секунд. Она достигается точным определением углового положения ПС в базовой плоскости, для чего используются оптические приборы системы прицеливания, и разворотом РКН в плоскость стрельбы под контролем сельсинов. Плоскость, в которую выставляют РКН и от которой начинается отсчет азимута стрельбы, называют базовой. Базовая плоскость выбирается с учетом географической широты, на которой расположен СК, и сектора стрельбы (угла наклонения плоскости орбиты). С учетом направления стрельбы в базовой плоскости строится вся инфраструктура СК, что необходимо для обеспечения стыковки корпуса РКН с наземным комплексом и создания условий безопасности его элементов в случае аварий на начальном этапе полета. Для точной установки РКН в базовой плоскости на ее борт устанавливается бортовая призма (БП), положение которой в пространстве адекватно ориентации командных приборов ракеты. После выполнения вертикализации задача прицеливания сводится к развороту корпуса РКН, при котором положение БП (рис. 2.51) соответствует базовому направлению. Это достигается разворотом ПС. Перед этим приборы прицеливания устанавливаются на заранее известные точки, положение которых имеет геодезическую привязку. Коллиматоры (К2, K1) и вехи (B1, В2) задают основное и контрольное геодезические направления (ОГН и КГН). Азимуты этих направлений заданы и контролируются с высокой точностью. Пентопризмы (ПП1, ПП2) устанавливаются в точках, где визирная ось угломера (УМ) пересекается с визирной осью коллиматора под прямым углом. После установки бортовой призмы (БП) на гировертикант РКН и вертикализации ракеты производится контроль положения приборов. 124 Рис. 2.51 Схема разворота РКН для выполнения задачи прицеливания Ранее определяются углы (рис. 2.52): угол B (между направлениями УМ-М и ПП1-УМ), а также угол К; азимут базового направления по положению основного и геодезического направления: АОГН В; АБН азимут базового направления по положению контрольного геодезического направления: АКГН К АБН . АБН ) не превышает заданную величиЕсли разность измерений ( AБН ну, то считается, что базовое направление определено точно. Эти измерения производятся в горизонтальной плоскости. Далее луч угломера поднимают вверх на БП и осуществляют разворот РКН до точного совмещения ребра БП с осью УМ-М (рис. 2.51), что соответствует положению РКН в базовой плоскости. 125 Рис. 2.52 Схема разворота заправленной РКН для выполнения задачи прицеливания После проведения предпусковых операций заправленная РКН разворачивается из базового направления в направление стрельбы (НС) на угол доб (рис. 2.78), который определен полетным заданием. Разворот на угол доб производится механизмом азимутального прицеливания ПС с дистанционным контролем его величины парой сельсинов. Пример размещения приборов прицеливания при проведении подготовки к пуску РКН «Союз У» приведен на рис. 2.53. 126 Рис. 2.53 Схема размещения приборов прицеливания РКН Союз У при подготовке к пуску 127 2.3.5. Системы ветрового крепления Геометрические и весовые характеристики существующих РКН таковы, что при их нахождении на ПС в незаправленном положении, ракета может потерять устойчивость своего положения или существенно изменить равномерность распределения весовой нагрузки между опорами при скорости ветра 10÷20 м/с. Поэтому сразу после установки РКН в ПС и до окончания заправки она должна быть надежно зафиксирована относительно опор стола. Ветровое крепление не должно нагружать корпус ракеты дополнительными изгибающими или растягивающими нагрузками, но должно обеспечивать надежный контакт опор ПС, а также тарелей РКН и не препятствовать уходу РКН со стола при пуске. При надежном ветровом креплении РКН только на опорах ПС ее корпус может под действием ветра изгибаться настолько, что появляется опасность соударения ракеты с окружающими ее агрегатами ПО. Поэтому ветровое крепление выполняется не только на ПС (рис. 2.54), но и на транспортноустановочных агрегатах, а также на агрегатах обслуживания. Ветровое крепление с помощью агрегатов обслуживания или ТУА также используется, если на пусковом столе систем ветрового крепления нет, и необходимо обеспечить отсутствие смещения ракеты относительно опор ПС до окончания процесса заправки. Рис. 2.54. Схемы ветрового крепления РКН: а – элементами ПУ, б – элементами АО, в – элементами ТУА 128 Ветровое крепление может быть установлено не только на опорном поясе РКН, но и вне его. Для РКН с опорным силовым поясом, расположенном выше ее донного среза, ветровое крепление находится ниже опор ПС и предотвращает раскачивание РКН (рис. 2.55). Рис. 2.55. Схема ветрового крепления РКН ниже опорного пояса При дистанционном наложении ветрового крепления используются самоконтролирующиеся механизмы с гидро-, электро- или пневмоприводом, контроль за работой этих приводов осуществляет система управления ПС. Для автоматизированных систем ветрового крепления необходимо поддерживание тарированного усилия обжатия и обеспечение надежности освобождения РКН перед пуском. При использовании гидравлического привода (рис. 2.56) величина обжатия задается давлением жидкости в верхней полости домкрата, с последующей фиксацией положения штока винтовой парой. По этой схеме обеспечивается крепление стартово-стыковочного блока РКН с опорами ПС. Разрушение связи между стартово-стыковочным блоком и бортом ракеты при ее пуске производится менее инерциальной системой пневмопривода. 129 Рис. 2.56. Схема использования гидрорического привода для ветрового крепления РКН Процесс наложения связей между корпусом РКН и ПС не должен приводить к смещению ракеты относительно опорных поверхностей стола. С этой целью в механизмах ветрового крепления могут использоваться дифференциалы, сочлененные с винтовыми парами (рис. 2.57), на которых установлены прижимы. При контакте одного из прижимов с промежуточным кольцом, через которое ракета крепится на ПС, усилий на смещение ракеты не создается, поскольку крутящий момент от привода, пройдя дифференциал, заставляет второй прижим сдвигаться к ветровому креплению кольца, после чего происходит обжатие его с обеих сторон. Рис. 2.57. Схема использования винтовых пар для ветрового крепления РКН 130 Другой вариант схемы механизма ветрового крепления с пневмоприводом, самоцентрирующимся относительно ветрового захвата РКН, и фиксирующим его положение с помощью гребенки, показан на рис. 2.58. Рис. 2.58. Схема использования гидроцилиндра для ветрового крепления РКН В тех случаях, когда ветровое крепление установлено на агрегате обслуживания или ТУА, оно выполняется в виде двухстороннего ложемента с механизмом тарированного обжатия. Такая фиксация РКН должна обеспечить свободу перемещения корпуса РКН в продольном направлении при его температурных расширениях. 2.3.6. Система удержания РКН на опорах пускового стола Сход РКН с опор ПС характеризуется незначительным превышением тяги ее ДУ по отношению к весу, что необходимо для выполнения ограничений по перегрузкам, сопровождающим ее движение. Пуск РКН происходит при пушечном или ступенчатом запуске ее ДУ, при этом в начале наступает полное или частичное обезвешивание РКН на опорах ПС, и ее положение становится неустойчивым. РКН имеют многокамерные ДУ, поэтому для совершения кинематически определенного схода с опор ПС необходима равнотяговость всех камер сгорания. Выход камер ДУ на уровень расчетной тяги неблагоприятно сказывается на надежности фиксации РКН. 131 Поэтому от запуска ДУ до момента принятия решения о возможности ракеты покинуть ПС необходима работа системы, способной гарантированно удержать РКН на опорах стола. К такой системе предъявляются требования по высокой надежности и быстродействию ее исполнительных органов. Схемное решение систем удержания может быть построено на базе узлов ветрового крепления в тех случаях, когда ветровое крепление выполнено на опорах ПС (рис. 2.59 а, б). Наложение связей между бортом РКН и системой удержания ПС может выполняться вручную (рис. 2.59 а) или в автоматическом режиме (рис. 2.59 б, 2.60). а) б) Рис. 2.59. Схема системы удержания РКН: а – на стационарных опорах ПУ; б – на отводных опорах ПУ 132 На ПС, где роль ветрового крепления выполняет ТУА, используются системы удержания, блокирующие движение РКН и отводимой опоры до получения команды от систем управления СК. Автоматическая система удержания РКН на опорах ПС схематично показана на рис. 2.60. Удержание достигается тем, что между опорой ПС и корпусом РКН устанавливается жесткий треугольник: рычаги 2 и 3 гипотенуза треугольника, рычаг 4 один катет и корпус ракеты другой катет. Рис. 2.60. Схема автоматической системы удержания РКН на отводных опорах ПУ Несущий рычаг опоры 6 стремится после запуска ДУ и обезвешивания ракеты развернуться под действием противовеса 7 по радиусу R1. Он начинает свое движение только в случае, если рычаг 5 будет иметь возможность поворота по своему радиусу R2, а это становится возможным только после того, как будет разрушена, с помощью пиросредств связь в двойном шарнире между рычагами 3 и 2. На ПС, где роль ветрового крепления выполняет ТУА, используются системы удержания, блокирующие движение РКН и отводимой опоры до получения команды от систем управления СК. Наличие на ПС систем удержания позволяет придать начальному этапу движения РКН определенность и безаварийно прекратить пуск по команде от систем управления, что свидетельствует о высоком уровне обеспечения безопасности в технологических операциях подготовки и пуска РКН. 133 2.3.7. Системы защиты пускового стола Газодинамическое и тепловое воздействие РКН на ПС при ее пуске приводит к необходимости выполнения послепусковых регламентных работ с заменой одноразовых узлов, ремонтом и восстановлением систем и механизмов. Для того чтобы сократить их объем и стоимость, часть элементов ПС защищают от воздействия продуктов сгорания специальными крышками, кожухами и обтекателями. Эти устройства оснащаются, как правило, механизмами, управляющими их положением на ПС. Кинематика элементов защиты должна быть согласована с положением отводных опор как в случае пуска РКН, так и на этапах ее установки в ПС или при регламентных работах на столе. Механизмы защитных устройств должны удерживать положение подвижных створок и экранов при газодинамическом и вибрационном воздействии на них потока продуктов сгорания. Защитные устройства предохраняют опоры ПС и системы, расположенные на них от теплового и силового экранирования элементов ПС при пуске, а также от климатического воздействия в межпусковой период. Синхронность движения опор и их защитных устройств на этапе перевода ПС в положение для приема РКН, а также при уходе ракеты во время пуска достигается за счет того, что приводом для подвижных защитных устройств в этих случаях является подвижная опора. При проведении технического обслуживания опор ПС защитные устройства должны оснащаться автономными механизмами открытия и закрытия своих створок. Наиболее полная комбинация исполнительных органов, составляющих механизм защитного устройства, изображена на рис. 2.61. Опора ПС приводится в положение для приема РКН домкратом 7. При выдвижении опоры ее направляющие 6 обкатывают рамки 5 защитного устройства и разворачивают створки. На петлях створок шарнирно закреплены пневмозамки 1, пневмоцилиндры 2, возвратные пружины 3, а также кронштейн для гидродемпфера 4. Пуск сопровождается отводом опоры, синхронно с которым под действием пружины закрываются створки защитного устройства, а перед полным их закрытием демпфер 4 обеспечивает им плавное торможение. Удержание створок в закрытом положении обеспечивает пневмозамок 1. При выполнении на ПС регламентных работ открытие створок производится за счет срабатывания пневмо-цилиндра 2. 134 1 2 3 4 5 6 7 6 5 1 2 4 3 Рис. 2.61. Схема системы защиты элементами ПУ При пуске РКН из ПС котлованного типа возможно появление значительного воздействия на корпус ракеты отраженной пусковой ударной волны. В таких ПС используются одноразовые устройства защиты от отраженных ударных волн (рис. 2.62). 135 Принцип действия таких устройств основан на разрушении, которое наносит ударная волна, при ее прохождении через матерчатый экран, закрывающий газоход ПС. Экран 1 натягивается перед пуском на специальный каркас 2. После механического разрушения экрана ударной волной давление в ее фронте значительно снижается, а сам экран сгорает в струе продуктов сгорания. Каркас выполняется в виде решетки, не оказывающей существенное сопротивление струе. Рис. 2.62. Схема одноразовых устройств защиты 136 2.3.8. Системы охлаждения пускового стола Системы охлаждения ПС для снижения тепловых потоков в элементы конструкции ПС и в его строительные сооружения при пуске РКН, для предотвращения расплавления и уноса отражателя, а также для экранирования акустического поля струи продуктов сгорания, которое вызывает повреждение приборов системы управления РКН и аппаратуры КА. Достижение допустимых значений режимных параметров пуска возможно за счет интенсивной подачи охлаждения в зону течения продуктов сгорания. Наиболее дешевым и эффективным охладителем для ПС является вода. Существующие системы охлаждения подают воду в проточную зону ПС по схеме с кольцевым охватом струи (рис. 2.63, а) или с внедрением ее в ядро потока (рис. 2.63, б). Кольцевая подача воды в большей степени приводит к экранированию акустической нагрузки, а проникновение воды в ядро потока существенно снижает тепловые нагрузки на ПС. а) б) Рис. 2.63. Схема системы охлаждения пускового стола: а – подачей воды с кольцевым охватом струи; б – внедрением воды в ядро потока струи 137 Для систем охлаждения ПС определяющими параметрами являются расход и давление воды в напорных магистралях, а также дисперсность водяного потока в газоходах ПС. Заметное снижение температуры потока продуктов сгорания достигается при расходах воды, превышающих расход ДУ РКН. Величина рабочего давления в системах охлаждения определяет кинетическую энергию той зоны водяного потока, которая должна быть соизмерима с кинетической энергией зоны газовой струи (куда осуществляется впрыск воды) с учетом потерь давления в самой системе охлаждения. Уровень расхода в совокупности с дисперсностью капель впрыскиваемой воды определяет поверхность теплообмена между водой и газом, и в конечном итоге, температуру всего потока. Необходимые параметры охлаждающего потока создаются системами, работающими на вытеснение воды сжатым газом (рис. 2.64 а), системами с насосной подачей воды (рис. 2.64 б), а также гравитационными системами (рис. 2.64 в). а) в) б) Рис. 2.64 Схема подачи воды в систему охлаждения: а – вытеснительным способом; б – с помощью насосов; в – гравитационным способом; 138 В состав каждой из систем охлаждения входят: резервуар для хранения воды, блоки гидро- или пневмоаппаратуры управления и контроля параметров водяного потока, а также коллектор с выходными насадками и распылителями (рис. 2.65). Помимо этого, в состав систем входят блоки заправки и дренажа со своими элементами управления и контроля Рис. 2.65. Выходные насадки и распылители Каждой из систем охлаждения присущи следующие признаки: - высокая энергоемкость и инерционность, - длительная предпусковая подготовка и необратимость, - недостаточная эффективность использования охладителя. Гравитационную систему охлаждения отличает низкое рабочее давление, поэтому она используется для снижения акустической нагрузки путем кольцевого орошения струи РКН. Насосная система может обеспечить высокие напоры водяного потока, однако требует для этого значительного (по величине), но кратковременного электропотребления. Вытеснительная система по выходным характеристикам водяного потока близка к насосной, однако предполагает наличие мощной газобалонной системы и значительных по объему емкостей, рассчитанных на большое избыточное давление. 139 2.3.9. Системы пожаротушения пускового стола Совершенствование пуска РКН происходит не только за счет технологических систем ПС, а также путем расширения круга задач и развития его технических систем, таких, как системы пожаротушения. Системы пожаротушения ПС предназначены для тушения и предупреждения пожара, причем процесс предупреждения пожара может быть рассмотрен как технологическая операция. На ПС используются стационарные и подвижные, специальные и общепромышленные системы пожаротушения. В этих системах применяются водяные струи и завесы, механические пены, огнетушащие порошки, инертные газы и галоидоуглеводороды. Объектами пожаротушения являются открытые пространства ПС и его газоходы, внутренние помещения ПС и коммутационные тоннели, каналы промстоков и борт РKH. Водяные системы пожаротушения предназначены для охлаждения зоны пожара и продуктов сгорания. Они, как правило, объединяются с пенными системами пожаротушения. Механическая пена, подаваемая в очаг пожара, является средством изоляции пожара от атмосферного кислорода. Для создания пены используется водный раствор пенообразователя (2÷6%), состоящий из нейтрализованного керосинового контакта, костного клея, синтетического этилового спирта или концентрированного этиленгликоля. Подача воды и пенообразующего раствора осуществляется насосами. Оперативность их срабатывания достигается при использовании систем оповещения, а также применением в гидросистемах пневмо-гидроаккумуляторов. Принципиальные гидравлические схемы водяных систем пожаротушения изображены на рис. 2.66 а, б. а) б) Рис. 2.66. Гидравлическая схема водяной системы пожаротушения: а – с распылителями; б – с лафетными стволами 140 Исполнительным органом таких систем является коллектор орошения, который заканчивается распылителями (рис. 2.67, а) или лафетными стволами, управляемыми дистанционно(2.67, б) или вручную (2.67, в). а) в) Рис. 2.67. Исполнительные органы водяной системы пожаротушения: а – распылители; б – автоматические лафетные стволы; в – ручные лафетные стволы б) а) Рис. 2.68. Схема подачи в зону пожара: а – галоидоуглеводородов; б – инертных газов 141 Галоидоуглеводороды используются как средство химического торможения реакции горения. К ним относятся бромистый этил, хладоны (фреоны), водобромэтиловые растворы. Они подаются в зону пожара, как правило, путем вытеснения (см. рис. 2.68 а). Применение инертных газов основано на их способности разбавлять опасные концентрации газообразных горючих веществ. К таким веществам относятся диоксид углерода, аргон, азот. Эти газы используются в системах пожаротушения в качестве толкающего газа для вытеснительных хладоновых систем, а также применяются самостоятельно. Принципиальная схема системы пожаротушения показана на рисунке рис. 2.68 б. Порошковые системы пожаротушения (рис. 2.69 а, б) охлаждают, изолируют и разбавляют газообразные продукты разложения. а) б) Рис. 2.69. Порошковая система пожаротушения: а – схема системы; б – автомобильная порошковая система АП-5 Мелкодисперсный порошок бикарбонатов натрия или калия с некоторыми добавками солей или хлорида натрия хранится в специальных емкостях. При подаче в эти резервуары сжатых газов происходит псевдоожижение порошка, он приобретает свойства «тяжелого» газа или жидкости и выдавливается в зону пожара. 142 2.4. Математические модели процессов нагружения пусковых установок 2.4.1. Характеристики газовой струи Наиболее характерной особенностью функционирования стартового оборудования ракетных комплексов является воздействие на него газовой струи ракетных двигателей. Продукты сгорания, истекающие из сопел двигательной установки, должны быть отведены от пускового устройства с целью снижения температурного и силового воздействия на металлоконструкции, а также для обеспечения устойчивости ракеты при ее движении на начальном участке траектории. Для этого в составе конструкций стартового оборудования имеются газоотражательные и газоотводные устройства. Температурное и силовое воздействие потока на элементы газоотражетелей и газоходов, а также воздействие на другое стартовое оборудование определяется, в первую очередь, параметрами газовой струи. При анализе термогазодинамического воздействия стартующей ракеты на пусковое оборудование главным объектом рассмотрения являются сверхзвуковые струи газа с различными физическими, термодинамическими и газодинамическими свойствами. Истекающие из двигательных установок газовые струи классифицируются в зависимости от отношения давления на срезе сопла к давлению в окружающей среде (наружному давлению). Это отношение называется степенью нерасчетности или просто нерасчетностью: . Принято различать перерасширенные струи, когда n 1 , недорасширенные струи, когда n 1 , расчетные струи, когда n 1 . Для первых ступеней ракет на жидком топливе нерасчетность работы двигателей составляет, как правило, n 0, 7 0, 8 . Если давление на срезе сопла в газовой струе двигателя не равно давлению окружающей среды, то такие струи называются неизобарическими. Характерные особенности распределения газодинамических параметров сверхзвуковой струи в пространстве позволяют условно делить ее на три участка: начальный, переходный и основной. 143 Особенностью начального участка (рис. 2.70) является то, что влияние вязкости и теплопроводности сказывается на параметрах газовой струи в основном только в пределах пограничного слоя. Структура потока на этом участке может быть рассмотрена в рамках газодинамики идеальной среды. Для этого участка характерны наличие волновой структуры и сильная неравномерность давления, как в продольных, так и в поперечных сечениях струй. На переходном участке существенное влияние на параметры течения оказывают вязкость и теплопроводность. Пограничный слой смыкается на оси струи (рис. 2.70), а продольные и поперечные градиенты давления значительно уменьшаются. Размеры струи по ширине растут быстрее, чем на начальном участке. Течение на переходном участке характеризуется криволинейными очертаниями границ струи. Это вызвано ее сжатием или расширением в зависимости от соотношения давлений в струе и в окружающем пространстве. Вследствие догорания частиц ракетного топлива струя на этом участке сильно светится. В конце переходного участка статическое давление в струе становится равным атмосферному, но параметры газа по сечению распределены неравномерно. Однако, с точки зрения оценки интенсивности температурного воздействия на стартовое оборудование, представляют интерес параметры по оси струи без определения ее внутренней структуры. Следовательно, можно осреднить параметры по сечению и рассматривать струю как одномерный газовый поток. Особенности течения на переходном участке позволяют считать, что турбулентное перемешивание с окружающим воздухом практически отсутствует, а скорость на всем его протяжении остается сверхзвуковой. Для переходного участка характерно наличие системы волн расширения и сжатия, а также скачков уплотнения, за счет которых и выравнивается давление в струе и окружающем пространстве. Скачки давления являются границами «бочек», которых в перерасширенной газовой струе насчитывается до десяти. Следует отметить, что нас интересуют параметры газовой струи во время старта ракеты, а такая струя в условиях нормальной атмосферы – перерасширенная, следовательно, давление на срезе сопла двигателя будет меньше атмосферного. На основном участке струи статическое давление становится равным давлению в окружающей среде, а сами параметры определяются закономерностями распространения дозвуковой струи. Сечение, разделяющее переходный и основной участки, называют изобарическим. В некоторых случаях расчета наличием переходного участка пренебрегают. Далее при анализе струйных течений математические описания выполнены в предположении наличия осевой симметрии потока. 144 давление торможения в струе XН начальный участок r переходный участок XП XО 570 основной участок изобарический участок неизобарический участок -r 260 Рис. 2.70. Схема газовой струи ракетного двигателя Скорость газового потока, истекающего из сопел двигателей, зависит от начального состояния и свойств газа. 145 Она определяется по формуле: k 1 k 2k p u R T 1 , k 1 p (2.1) где T и p – начальные значения давления и температуры; p – текущее давление; k, – показатель адиабаты и газовая постоянная. Скорость газа может превышать скорость звука в горячем газе, быть менее этого значения или равняться ему. В последнем случае течение называется критическим. Если при истечении из расширяющегося сопла двигателя в самом узком сечении сопла скорость равна критической, то вниз по течению от горловины скорость будет возрастать и становиться сверхзвуковой. Это типичный режим истечения продуктов сгорания из двигателя. 2.4.1.1. Расчет параметров газовой струи Существующий математический аппарат и аналитические зависимости для расчета режимных и геометрических параметров неизобарических газовых струй довольно обширен. Нас интересуют только внешние эффекты распространения газовых струй стартующей ракеты. К таким основным эффектам относятся температура струи и время ее воздействия на стартовое оборудование. Время действия струи зависит от ускорения (тяговооруженности) ракеты при подъеме и длины струи. Как было показано выше, газовая струя ракеты по длине состоит из трех участков: начального, переходного и основного. Выполним анализ протяженности этих участков в пространстве. Начальный участок Ввиду наибольшей конкретности начальных и граничных условий, течение газа на этом участке имеет наиболее строгий и полный математический аппарат описания. Существуют эмпирические зависимости, которые с достаточной для инженерных расчетов точностью могут использоваться для определения основных параметров струи. Длина начального участка неизобарической перерасширенной газовой струи при истечении из конического сопла может быть определена по соотношению: X H da 0,85M a n tga 1,4 146 a 17 , (2.2) где n – степень нерасчетности струи; φа – угол полураствора сопла; M a – число Маха на срезе сопла; d a – диаметр выходного сечения сопла. Известно, что число Маха определяется по формуле: u M , a где u – скорость потока; a – скорость звука в рассматриваемой точкt струи. В случае большего угла полураствора сопла, влияние этого угла на положение центрального скачка уплотнения несущественно, и для определения длины начального участка может использоваться следующая эмпирическая зависимость: X H da 1,36M a n 1,05 tga 2 a 17 , (2.3) Переходный участок В сверхзвуковых неизобарических струях переходным участком называется область течения, которая лежит ниже по течению относительно начального участка. От начального участка эта зона отделена кольцевой линией взаимодействия отраженных волн диска Маха с внешней границей струи, а ниже по течению она граничит с изобарическим участком струи (основным участком). Следовательно, нижнюю границу переходного участка обозначим координатой Хп, где граница слоя смешения продуктов сгорания с окружающей атмосферой смыкаются на оси струи. Ввиду действия эффектов вязкости, после этой границы давление по всему сечению потока одинаково. В отличие от начального участка, структура переходного участка изучена в меньшей степени. Для оценки координаты конечной границы переходного участка при турбулентном режиме течения получена следующая эмпирическая зависимость: X п X н 5,5 k 1 kM a2 2 , 0 ,5 (2.4) где X H – длина начального участка. Приближенность данного соотношения обусловлена тем, что в нем не учтены эффекты турбулизации потока. 147 Основной участок струи Ввиду большой протяженности основного участка газовой струи, при старте ракеты именно он оказывает наибольшее воздействие на элементы наземного технологического оборудования, в частности, пускового устройства. Ниже по течению от границы переходного участка Хп эффекты проявления вязкости обуславливают выравнивание распределение скорости, плотности и температуры в поперечных сечениях. По направлению основного участка скорость потока постепенно уменьшается. Очевидно, что не существует четко выраженной дальней по течению границы основного участка, поскольку параметры ее непрерывным образом постепенно сглаживаются и приближаются к параметрам окружающей среды. Тем не менее, при оценке границ основного участка можно использовать следующую зависимость, которая учитывает изменение скорости потока по длине струи: ui 1 , (2.5) ua h x X 1 4 a П h ra ra где ui – скорость в определенной точке потока; ua – скорость на срезе сопла; ha , h – энтальпия газа на срезе сопла и в окружающей среде соответственно; x – координата по оси струи; ra – радиус выходного сечения сопла. Преобразуем данное выражение и получим искомое соотношение для координаты основного участка с конкретными параметрами энтальпии и скорости: 2 X h ua x0 ra П . ra ha 4 ui ua (2.6) Поскольку основной участок газовой струи имеет наибольшую протяженность, рассмотрим параметры струи в нем. Экспериментальные исследования показывают, что при расчете основного турбулентного участка струи, можно считать, что имеет место подобие динамических напоров и избыточных теплосодержаний: 2 v e mum2 y x 148 2 ; (2.7) 2 n v h h x e , mum hm h y где m , um , hm C pTm плотность, скорость и теплосодержание (энтальпия) единицы массы горячих газов на оси струи; Tm – температура газов на оси струи; h C pTa – теплосодержание единицы массы окружающей среды, куда выте- кает струя; x – расстояние от полюса струи (приближенно x можно принять равным расстоянию от среза сопла); y – расстояние от оси струи в радиальном направлении; α, σ – коэффициенты, зависящие от степени турбулентности струи, следовательно, и ее нерасчетности. Экспериментами установлено, что при нерасчетности n 2,0 6,0 для горячей струи 260 , а для воздушной струи 350 . Коэффициент n в зависимости от степени нерасчетности струи выбирают следующим образом (табл. 2.3): Таблица 2.3 Зависимость коэффициента n от степени нерасчетности струи п n 1 0,96 3 0,80 4 0,75 6 1,0 Изменение скоростного напора mum2 и теплосодержания H m потока газо- вой струи с координатой x может быть определено на основе закона сохранения количества движения и закона сохранения энергии, согласно которым 2 u 2 ydy aua2 pa p Fa P; 0 2 u h h ydy aua ha h Fa Fa H 0 . 0 Здесь a , ua – плотность и скорость истекающей из сопла струи; y – поперечная координата; pa , p – давление в струе на срезе сопла и в окружающей среде; P – продольная сила; Fa – площадь выходного сечения сопла. 149 (2.8) Исходное теплосодержание потока составляет: H 0 aua ha h . Подставив сюда значения u 2 и u h h из (2.7), получим: x0 BP , mum2 Hm H0 C x da 2 , (2.9) где B 83, C 140, da – диаметр выходного сечения сопла. Положение границы струи относительно продольной оси можно определить из условия, что на границе (при y yгр ) выполняется соотношение u 2 0,001. mum2 Приведенные уравнения могут быть использованы для приближенных расчетов времени действия газовой струи на агрегаты стартового комплекса. При этом необходимо учесть, что набор тяги двигательных установок современных космических ракет составляет доли секунд, а тяговооруженность (перегрузка), которая определяет ускорение подъема ракеты, составляет примерно 1.20÷1.45, следовательно, приближенное значение времени и температуры воздействия можно оценить на основе вышеизложенного материала. Определение эффективного диаметра струи В большинстве случаев в конструкциях первых ступеней ракет используются или многокамерные двигатели или несколько однокамерных двигателей (рис. 2.71). Рис. 2.71. Схема размещения сопел двигательной установки в стутпенях РН В указанном случае характеристики течения струи несколько изменяются. При этом образуется интегральная бочкообразная структура, которая похожа на аналогичную структуру истечения из одного сопла. 150 Тем не менее, важен вопрос определения начальных параметров совокупной струи для анализа закономерностей ее распространения в пространстве по приведенным выше формулам. Отметим, что при использовании одинаковых двигателей, скорость истечения, температура, плотность газов и другие параметры можно принимать тождественными параметрами однокамерного двигателя. Однако, диаметр выходного сечения сопла d a , который используется в расчетах, необходимо определить особым образом. Для простейшего случая симметричного расположения сопел с одинаковыми параметрами эквивалентное сопло определяется как сопло, имеющее те же параметры на срезе, что и каждое из сопел системы, а эффективный диаметр (рис. 2.72) сопла d эф связан с диаметром каждого сопла соотношением d эф d N с , (2.10) где N c – число сопел. d0 dэф Рис. 2.72. Расчетная схема эффективного диаметра струи двигательной установки 151 2.4.1.2. Газодинамическое воздействие ракетной струи Среди всей номенклатуры элементов стартового оборудования ракетных комплексов наиболее нагруженным является газовый отражатель. На него действует газовая струя стартующей ракеты, производя как тепловой удар, так и силовое воздействие за счет натекания на поверхность. Для отвода струи горячих газов от стартового сооружения, поверхности газового отражателя обычно наклонены под некоторым углом к вертикальной оси потока (рис. 2.73). В таком случае давление сверхзвуковой струи на грань отражателя определяется по следующему соотношению: P kc pnsin 2 , (2.11) где kc – коэффициент сноса потока, который примерно равен 0,9; pn – давление на плоскость, которая перпендикулярна оси потока. Величина этого давления определяется с помощью формулы Рэлея: pn p 2k k 1 M2 k 1 k 1 4k 2 k 1 2 2 k 1 M 2 k 1 k k 1 (2.12) , где p – статическое давление продуктов сгорания в сверхзвуковом потоке до скачка уплотнения, которое на практике принимается равным давлению в невозмущенной среде; k – показатель адиабаты газа; M – число Маха в области натекания струи. 5 Pmax 5 5 2 1 0,48 0,32 Pmax Pmax 1 5 0,16 2 5 5 5 10 5 15 5 20 5 25 Рис. 2.73. Схема влияния струи двигательной установки на поверхность газового отражателя 152 5 , Следовательно, величина давления на поверхности газового отражателя может быть получена при известной скорости потока u и температуре Т. С достаточной для расчетов точностью изменения числа Маха по длине струи может быть определено через скорость потока на оси струи um с помощью соотношения: um u ; um k1a , a e x где ua – скорость газов на выходе из сопла; M (2.13) k1 – эмпирический коэффициент; x – относительное расстояние до рассматриваемой точки по оси струи. Относительное расстояние до рассматриваемой точки по оси струи определяется зависимостью 2k x x T , da где x – абсолютное значение расстояния до рассматриваемого сечения струи; kT – коэффициент турбулентности в струе, который задается в диапазоне 0,02 ÷ 0,04; d a – диаметр выходного сечения сопла. Для определения температуры газов в потоке необходимо учесть избыточность температуры: Ta , (2.14) Tm x k2 e da где Ta – перепад температур на выходе из сопла и в окружающем пространстве; k2 – опытный коэффициент, который учитывает изменение температуры по оси струи. Для оценки давления струи на перпендикулярную ей плоскость, вместо формулы Рэлея может быть также использована упрощенная зависимость: 2k pn pM 2 sin, (2.15) k 1 где – угол наклона скачка уплотнения с осью струи. Для существующих конструкций газовых отражателей угол примерно равен 45. 153 В этом случае зависимость (2.15) запишется проще: k pn pM 2 . (2.16) k 1 Процесс обтекания газовой струей наклонной грани газового отражателя показан на рис. 2.74. При запуске двигательной установки из рабочих камер в окружающее пространство распространяется пусковая ударная волна. За этой волной следует поток продуктов сгорания в виде волны сжатия. При натекании этой волны на жесткие преграды в виде конструкций и сооружений стартового оборудования возникают зоны повышенного давления, которые являются источником отраженных волн. Рис. 2.74. Процесс обтекания газовой струей наклонной грани газового отражателя 154 Давление в отраженной волне определяется по зависимости: k 1 pn2 pотр 2 pn . pn k 1 2kp (2.17) После окончания динамического действия и прохождения волны сжатия, газовая струя действует квазистатически. Для оценки давления струи можно использовать выражение, где скоростной напор потока выражен через давление и свойства газов: Сx pn2 (2.18) pск . 2k p pn k 1 k 1 Также может использоваться более простая зависимость, где давление газового потока учитывается через скоростной напор: Cxun2 pск n , 2 где n , un – плотность и скорость потока за волной сжатия. Скорость течения газового потока за фронтом волны сжатия определяется зависимостью: аpn un . (2.19) k 1 pn kp 1 2k p Скорость движения фронта волны сжатия опережает скорость звука в окружающей среде, зависит от перепада давлений в этой волне и определяется формулой: uф a 1 k 1 pф . 2k p (2.20) Следует отметить, что приведенные выше формулы для определения характеристик газодинамического воздействия на стартовое оборудование носят оценочный характер. Для получения полной физической картины газодинамического воздействия необходимо рассмотреть процессы, связанные с запуском двигательных установок более подробно с учетом действия на стартовое оборудование стационарных ( f f x ) и нестационарных ( f f x,t ) газодинамических нагрузок. 155 2.4.2. Нестационарные газодинамические процессы при пуске РКН Пуск РКН по любой из газодинамических схем начинается с ярко выраженных нестационарных процессов, основным содержанием которых является образование подвижных ударно-волновых структур, связанных с запуском двигателей и выталкиванием покоящегося в каналах газохода воздуха. Нестационарные газодинамические процессы, связанные с движением ударной волны попутного потока воздуха за ее фронтом и продуктов сгорания, а также с движением волны разрежения, являются кратковременными (0,1÷0,4 с). Это обусловлено соотношениями размеров газоходов и скоростей движения волн, потоков воздуха и продуктов сгорания. Возмущения в газовой среде распространяются со скоростями, равными скорости звука для волн разрежения и превышающими ее для ударных волн. Размеры газодинамического тракта составляют 30÷70 м. Возникающие импульсные силовые нагрузки на корпус ракеты являются расчетными, ограничивающими ее характеристики. Поэтому организация отвода ударных волн от ракеты и ее защиты экранами является важной технической задачей разработки и эксплуатации ПУ. Импульсные нагрузки зависят от характеристик двигателей, от формы и геометрических параметров газодинамического тракта. Допустимое избыточное импульсное давление на корпус ракеты обычно не превышает 0,05–0,1 МПа. Элементы ПУ выдерживают значительно более высокие избыточные давления, чем ракета. Возникающее при ее пуске разрежение в газоходе может быть опасным как для ракеты, так и для элементов конструкции ПУ (люков, стенок, дверей). Если двигательная установка и предназначена для восприятия таких нагрузок, то неправильное профилирование газоотводного тракта может привести к таким явлениям, как - запирание камер сгорания ДУ и ее выключение; - отражению ударных волн от элементов конструкции ПУ с повреждением корпуса РКН или разрушением ПУ. Рассмотрим основные этапы нестационарных газодинамических процессов, возникающих при запуске двигательной установки РКН в устье ПУ. 156 Процесс пуска РКН начинается с воспламенения компонентов ракетного топлива в камерах сгорания двигательной установки, при этом возникают ударные (пусковые) волны, которые распространяются по газоходу (рис. 2.75). Рис. 2.75. Схема включения двигательной установки РКН Известно, что характер изменения давления в ударных волнах сложен. Ударная волна отрывается от фронта продуктов сгорания и её амплитуда падает по мере распространения в зоне ПУ. Это явление длится обычно 0,010,03 с. Распространение первой ударной волны ведет к снижению её амплитуды и увеличению зоны возмущений. В устье ПУ давление этой волны может быть оценено соотношением: k 1 2k P max Pатм M a2 , k 1 k 1 Рmax0,010,02 МПа В газодинамике пуска эту волну называют нестационарной волной. Далее происходит заполнение газохода продуктами сгорания (рис. 2.76) с давлением Р2Ратм. Этот процесс длится 0,10,4 с. 157 Рис. 2.76. Схема заполнения газохода газовой струей Давление Р2 достигает значения 0,020,05 МПа, что очень опасно для корпуса РКН. Газоход «забивается» продуктами сгорания. Вторая ударная волна имеет стабильную амплитуду и поэтому носит название стационарной ударной волны. Физическая картина движения и взаимодействия этих двух пусковых волн проиллюстрирована на рис. 2.77. Скорость обеих волн выше скорости звука. Возможны случаи, когда стационарная волна догонит нестационарную волну. Р Продукты сгорания стационарная волна нестационарная волна х Р стационарная волна нестационарная волна Продукты сгорания х Рис. 2.77. Физическая картина движения газовой струи в газоходе 158 Распространение ударной волны в пространстве ограниченном конструкциями пускового устройства неизбежно приведет к отражению ударноволновых структур. Физическая картина этого явления носит достаточно сложный характер. Схематично распространение ударной и отраженных волн представлено на рис. 2.78. Первичная волна Вторичная структура Третичная структура Последующая структура Рис. 2.78. Схема распространения ударной и отраженных волн Характер и мощность отражения ударных волн (М > 1) отличается от отражения звуковых волн (М = 1). На рис. 2.79 схематично представлена картина изменения давления в падающей и отраженной ударной волне. Р2 Р2 Р1 Р3 Рис. 2.79. Схема изменения давления в падающей и отраженной ударных волнах 159 Соотношение давление в падающей и отраженной волнах, как известно, оценивается соотношением: Р3 Р2 3к 1 Р2 к 1 Р1 . Р2 к 1 к 1 Р1 Для прямой падающей звуковой волны: Р3 Р 2. к = 1.4 2 2 1 Р1 Р2 Для ударной волны Р3 Р2 1 8. Р1 Р2 Следующий этап нестационарных нагрузок связан с переходом на стационарное истечение продуктов сгорания. На этом этапе давление устанавливается ниже чем Р2, формируется стационарная волновая картина, соответствующая профилю газохода и структуре струи продуктов сгорания. Поле давления, не успев выровняться окончательно, меняется в результате изменения условий течения, связанного с уходом РКН, в том числе нестационарной эжекции. В газоходе взаимное движение падающих и отраженных волн разрежения и ударных волн (рис. 2.80) приводит к колебаниям давления в течение некоторого времени. Из опыта эксплуатации известно, что самая опасная по величине и продолжительности – ударная волна. Для оценивания максимального давления в газоходе при запуске двигательной установки необходимо вывести соотношения, по которым будем определять величину давления. к = 1.4 Ударная волна Волна разрежения Рис. 2.80. Схема движение падающих и отраженных волн разрежения и ударных волн в газоходе 160 Введем ряд допущений: 1. Канал цилиндрический, задача одномерная. Это объясняется тем, что достаточно получить оценку параметров в устье газохода, где давление максимально. 2. Смесь продуктов сгорания распространяется только от днища РКН по газоходу. 3. Расход продуктов сгорания постоянный (Gпр сг=const ). 4. Скорость продуктов сгорания и скорость спутного потока за волной одинаковы. u2 = W2. 5. В зоне высокого давления (за волной) газодинамические параметры постоянны. P2; 2; u2 =const. 6. В зоне низкого давления (до волны) параметры соответствуют невозмущенной атмосфере. P1; 1; u1 =0. Надо оценить величину Р2 и найти пути её снижения. При этом известно, что на прямом скачке уплотнения справедливо соотношение: k 1 2k (2.21) P2 P1 M12 . k 1 k 1 Если ввести обозначения: N – скорость фронта волны; a1 – скорость звука до скачка, то можно записать M1 N. a1 В соответствии с принятыми допущениями и обозначениями общая картина течения представлена на рис 2.81. P ПС G2 P2 u G2 W2 Контактная поверхность l1 Сжатый воздух u P P2 W2 u 2 N l2 P1 Ударная волна l2 >l1 N Атмосферный воздух Рис. 2.81 Картина течения газовой струи 161 P1 u 2 Здесь N – скорость фронта ударной волны; W2 – скорость продуктов сгорания; u2 – скорость спутного потока воздуха за волной; l – длина объема сжатого воздуха. Из выражения (2.21) следует: M1 1 P2 k 1 k 1 . 2k P1 (2.22) Анализ выражения (2.22) показывает прямую пропорциональность между давлением Р2 и числом Маха М1, т.е. искомое значение давления можно оценивать через М1. Если выразить скорость W2 через M1, то можно выполнить оценку давления Р2. Для этого необходимо выразить W2 через известные параметры ударной волны на скачке уплотнения. Используя допущения 4 и 6 ( u2 W2 , u1 0 ) можно записать: u 2 W2 N , u1 N W2 u1 u 2 тогда, зная что получим Учитывая, что u1-u2=aкр2; (λ1λ2=1), u2=aкр2/u1; W2=u1- aкр2/u1 . 2 2 a кр a 02 , k 1 можно записать k 1 2 a 02 a 02 1 M1 , 2 a12 k 1 2 , W2 u1 M 12 1 u1 2 k 1 и, вынеся за скобку а1 , получим следующее выражение: u a k 1 2 W2 a1 1 1 1 M 12 . a u 2 k 1 1 1 После простых преобразований выражение для W2 примет вид: 2 M 12 1 W2 a1 . k 1 M1 162 Далее подставим соотношение (2.22) в полученное выражение и выполним упрощение W2 a1 2 k 1 W2 a1 P2 k 1 k 1 1 2k P1 2k 1 P2 k 1 k 1 2k P1 2 P2 1 k P1 . (2.23) P2 k 1 k 1 P1 Определим, используя соотношение (2.23), возможные способы снижения уровня давления Р2 при запуске ДУ РКН при неизменном (назначенном) значении скорости спутного потока W2. Поскольку расход G2 может быть определен через расход продуктов сгорания G2 = Gпр.сг (1+n), Gпр.сг = Fгх 2 W2, где ρ 2 P2 , тогда RT2 G2 2 P2 1 k P1 Fгх 1 n P2 . a1 RT2 P2 k 1 k 1 P1 Из анализа соотношения (2.23) при условии ρ2=cont и Gпр.сг=cont значение Р2 больше допустимого может быть снижено за счет ряда мероприятий, в числе которых: увеличение площади газохода FГХ ; увеличение скорости звука в покоящемся газе a1 kRT за счет заполнения газохода гелием или другими подобными газами и подогревом воздуха; увеличение 2 путем использования системы охлаждения; предварительная продувка газохода в сторону движения ударной волны, что позволит снизить значение скорости продуктов сгорания, W2=u2 +u2 ; ступенчатый запуск двигателя; использование системы защиты, которая обеспечивает снижение уровня ударно-волновых нагрузок за счет поглощения ударной волны, путем разрыва матерчатого экрана (как на пусковой установке комплекса «Протон», см. рис. 2.62). Однако такая система защиты от ударной волны является одноразовой и требует замены после каждого пуска. 163 2.4.3. Стационарные газодинамические нагрузки Силовые нагрузки при натекании сверхзвуковой струи на ПС и элементы стартовой площадки являются основными при определении их облика и прочности конструкций. После прохождения нестационарных потоков, в газоходе в течение 4÷10 секунд происходит стационарное натекание сверхзвуковой струи на отражатель и стенки газохода с образованием скачков уплотнения газа (рис. 2.82). 2 1 2 1 Рис. 2.82. Схема образования скачка уплотнения Локальное давление в зоне натекания струи на отражатель и в местах поворота составляет 0,1÷1 МПа. За счет турбулентности струй происходит интенсивная эжекция воздуха в зазор между ракетой и стенкой входа с образованием индуцированного течения на стартовой площадке. В конце газохода происходит смешение воздуха, воды и пара с продуктами сгорания, а также взрывные вспышки недоокисленных продуктов сгорания. 164 Выходящая в атмосферу струя смеси взаимодействует с ветровым потоком. Ее часть, отклоненная ветром в сторону входа, может эжектироваться в газоход, нагревая корпус ракеты. Эжекционный поток холодного плотного воздуха в горловине ПУ имеет скорость 30÷150 м/с. Его скоростной напор учитывается при определении условий эксплуатации убирающихся опор установки ракеты и других отводимых элементов технологического оборудования. Смесь продуктов сгорания с воздухом движется в газоходе со скоростью 400÷700 м/с, имея температуру 2600÷2900 °К и давление 0,3÷0,5 МПа. Пульсации потока в газоходе вызывают вибрацию плит сооружения и аппаратуры в нем величиной 0,1÷1 g на частотах 5÷50 Гц, интенсивный шум, загрязнение атмосферы и рельефа местности. При старте ракеты и боковом сносе ее ветровым потоком сверхзвуковая струя натекает на стартовую площадку с образованием прямого скачка уплотнения и растекается по ней. Возникает пятно давления с определенными размерами при максимальном давлении газа на площадку, равном 1÷2 МПа (рис. 2.83). V р Pmax Tmax Рис. 2.83 Схема натекания газовой струи на стартовое сооружении при старте РКН При анализе газодинамических процессов решаются задачи обоснования форм и размеров газодинамического тракта при заданных допустимых нагрузках на ракету, задачи выбора защитных конструктивных мероприятий и способов организации процесса, задачи обоснования расчетных значений нагрузок на технологическое оборудование, задачи уточнения условий эксплуатации ПУ при пуске. 165 Газодинамические схемы имеют множество геометрических и режимных параметров, влияющих на формирование нестационарных и стационарных течений. Геометрические параметры: расстояния, углы, зазоры, длины каналов, диаметры входов, радиусы закругления поворотов обоснованы теоретически, а также экспериментально и подтверждены опытом эксплуатации ПУ. Однако все это справедливо при определенных режимных параметрах двигателей ракет и при определенных требованиях к ПУ. Основными режимными параметрами движущейся среды, определяющими условия эксплуатации пусковых установок, безопасность и надежность старта, являются: давление, температура, плотность, скорость среды, скорость распространения волн и возмущений, скорость звука, внутренняя и кинетическая энергии, энтальпия и энтропия. Существенные изменения режимных параметров двигателей, возрастание их величины, изменение требований обуславливают необходимость появления новых технических решений по организации пуска, а также постановки сложных газодинамических и тепловых задач. Пространственно-временные картины формирования значений многих режимных параметров, показатели расчетного нагружения и условий эксплуатации можно получить, используя соответствующие модели движущихся сред, модели движений и тепловых процессов. При проектировании пусковых устройств, учитывая воздействие на элементы конструкций газовой струи двигательной установки, особое внимание уделяется следующим вопросам: – расчету параметров газохода; - оцениванию долговечности и работоспособности в условиях воздействия газодинамических и температурных нагрузок. Рассмотрим физическую картину явлений представленных на рис. 2.92, т.е. обтекание газовой струей отражателя и натекание на горизонтальную поверхность (снос ракеты). Введем следующие обозначения: для параметров камеры сгорания ДУ – Р0; Т0; для струи продуктов сгорания – Ма; Р1; 1; Т1. Необходимо выполнить оценки следующих параметров: максимального давления Pmax ; максимально допустимого угла наклона листа отражателя max доп. 166 2.4.3.1. Вывод основных газодинамических соотношений Для получения количественных характеристик рассматриваемых параметров составим математическую модель газодинамического процесса. Для физической картины и математической модели, ее описывающей, примем ряд допущений: 1. При выполнении оценочных расчетов нас интересуют только максимальные значения параметров, поэтому может быть рассмотрена одномерная по пространству модель. 2. Волновой структуры в струе нет. 3. Объемные силы малы (силой тяжести пренебрегаем). 4. Ввиду больших скоростей газа вязкость отсутствует (µ = 0). В механике, в частности газовой динамике, принятая система измерений и теория размерности дают 4 независимых переменных: m – масса; L – длина; t – время; T – температура. Нам известны: - уравнение состояния газа Р = RT (1) ; - описание процесса – движение газа u > 0; - основные параметры процесса в виде функций: P=P(x); =(x); u=u(x); T= T(x). Для решения поставленных задач удобнее перейти к иным независимым переменным. Поскольку u2 e cvT , 2 то можно перейти к следующим переменным: P P x , x , u u x , e e x . Для определения четырех параметров используем известные из газовой динамики уравнения сохранения массы, импульса и энергии ( m const, I const, E const ). Применим для вывода этих уравнений при одномерной постановке задачи общий алгоритм изменения соответствующего параметра в элементарном объеме dV = dx df (рис. 2.84). Изменения значения параметра в элементарном объеме будет соответствовать изменению параметров входа и выхода. 167 df вход выход х dx Рис. 2.84. Алгоритм изменения параметра в элементарном объеме Не рассматривая вывод уравнений сохранения массы, импульса и энергии [18], запишем уравнения в следующем виде: Уравнение сохранения массы u . t x (2.24) u P u . t x (2.25) Уравнение сохранения импульса 2 Уравнение сорханения энергии eu Pu e . x x (2.26) В рассматриваемой задаче скачки уплотнения стационарны, следовательно, в двух точках потока, обозначенных индексами 1 и 2, справедливы равенства: u 0 1u1 2u2 ; (2.27) t x u 2 P u (2.28) 0 P1 1u12 P2 2u22 ; t x eu Pu P P e 0 1u1 e1 1 2u2 e2 2 . x x 1 2 (2.29) С учетом известных соотношений для скорости звука и числа Маха, можно записать: u a02 kRT0 ; M . a 168 Используя известные отношения [18], можно получить уравнение связи полного давления и статического давления со скоростью потока k 1 2 P01( 2) P1( 2) 1 M1(2) 2 k k 1 . (2.30) С учетом того, что выражения для энтальпии и критической скорости звука имеют вид: P ; a кр2 2 u iкр ; 2 2 1 2 2 aкр a0 , k 1 можно получить соотношение, связывающее давление, плотность и скорость потока i U i0 i P1( 2) 1( 2) k 1 2 k 1 2 u1( 2) . aкр 2k 2k (2.31) Полученные таким образом соотношения (2.24–2.31) являются базовыми для оценивания стационарных нагрузок на ПУ от пуска РКН. Оценивание максимального уровня давления за прямым скачком при сносе или уводе РКН Из соотношения (2.28) следует: I1=I2 (P1+1u1)=(P2+2u2) Используя известные соотношения для газодинамических функций: u aкр q коэффициент скорости; u газодинамическая функция расхода; кр aкр z 1 газодинамическая функция импульса; 1 k 1 2 газодинамическая функция давления, f z q k 1 можно получить полезное и удобное соотношение для импульса: I P0 f , 169 из которого следует f 2 P02 1 так как 1 ≠ 2. P01 f 1 Для дальнейшего вывода необходима зависимость вида 2 = 2(1), расчетная схема приведена на рис. 2.85. P01; T01; (u0=0) P1; T1; 1; e1; T1 P2; T2; 2; e2; T2 P02; T02; (u02=0) Рис. 2.85. Расчетная схема для определения давления за прямым скачком На основании того, что P1 1u12 P2 2u22 , P P 1u1 1 u1 2u2 2 u2 , 1u1 2 u2 используя соотношение (2.27), получим: u1 u2 P2 P 1 , 2u2 1u1 с учетом (2.31) можно записать следующее выражение: u1 u2 aкр2 u1 u2 . u1 u2 Следовательно, aкр2 u1 u2 и 1 1 2 170 Откуда следует: 2 1 . 1 (2.32) На основании выражения (2.32) получим выражение для коэффициента потерь на скачке 1 f P02 1 1 . P01 f 1 Графическое представление данной зависимости представлено на рис. 2.86. Р02/Р01 1 (М1) Рис. 2.86. Графическая зависимость давления от коэффициента потерь Выполнив ряд преобразований для газовой струи с прямым скачком можно записать соотношение P2 2k k 1 . M12 P1 k 1 k 1 (2.33) Соотношения для косого скачка Для пуска РКН на момент отрыва от ПС и дальнейшего полета без сноса (когда газовая струя натекает на отражатель рис. 2.87), можно аналогично получить следующее соотношение P2 2k k 1 . M12 sin 2 P1 k 1 k 1 (2.34) В соотношении (2.34) есть неизвестное значение угла β, а для конструкции известен угол . Для инженерных расчетов необходимо знать зависимость = (β). 171 Р1, Т1,u1 β Р2, Т2,u2 Рис. 2.87. Схема натекания газовой струи на отражатель во время отрыва РКН от опор ПС и дальнейшего полета без сноса Воспользуемся для вывода этого соотношения расчетной схемой представленной на рис. 2.88. Рис. 2.88. Расчетная схема параметров газовой струи во время отрыва РКН от опор ПС и дальнейшего полета без сноса Из рисунка видно: 1. Скорость u1 параллельна отрезку АВ. 2. Скорость u2 параллельна отрезку ВС. 3. Вдоль линии скачка нет разрыва скорости (ut1=ut2). 4. Согласно закону сохранения импульса вдоль нормального направления 1un1 = 2un2. 172 Тогда можно записать следующее отношение: 2 un1 (*). 1 un 2 Из плана скоростей на скачке уплотнения (рис. 2.89) можно выразить тангенс угла . tg un1 un1 un1 un 2 . ut1 ut 2 un 2 ut 2 β ut1 = ut2 un2 u2 u1 un1 Рис. 2.89 План скоростей на скачке уплотнения Подставляя в полученное выражение отношение (*) получим: tg 2 tg , 1 далее, используя соотношение (2.34) и соотношение на ударной адиабате можно записать следующее выражение: k 1 2 2 M 1 sin 2 . tg tg k 1 2 2 M 1 sin 1 2 Это равенство может быть разрешено относительно tg : sin 2 tg 1 M 12 k 1 1 sin 2 2 2 M1 Зависимость = (β) представлена на рис. 2.90. 173 ctg . (2.35) π/3 1 0,8 θ θ (β, 6) θ (β, 3) θ (β, 2) 0,6 0,4 0,2 0 0,5 1 1,5 π/2 β Рис. 2.90. Графическая зависимость угла наклона газового отражателя от угла натекания струи Ввиду сложности профилирования газохода его профиль делают ступенчатым (рис. 2.91). Глубину газохода в основном определяет значение угла наклона 1, которое, как правило, выбирается в диапазоне 30°÷35°, реже встречаются меньшие значения (например, на стенде – старте РКН «Энергия», 10°÷12°). Pmax 0,7÷ 0,8 МПа 1 2 4 3 1 > 2 > 3 > 4 Рис. 2.91. Ступенчатый профиль газового отражателя 174 2.4.4. Эжекционные процессы при пуске РКН Локальное давление в зоне натекания струи на отражатель и в местах поворота составляет 0,1÷1 МПа. За счет турбулентности струй происходит интенсивная эжекция воздуха в зазор между ракетой и конструкцией пускового устройства с образованием индуцированного течения на стартовой площадке. В конце газохода происходит смешение воздуха, воды и пара с продуктами сгорания, а также взрывные вспышки недоокисленных продуктов сгорания. Выходящая в атмосферу струя смеси взаимодействует с ветровым потоком. Ее часть, отклоненная ветром в сторону входа, может эжектироваться в газоход и нагревать корпус ракеты. Эжекционный поток холодного плотного воздуха в горловине пускового устройства имеет скорость 30÷150 м/с. Исследования процессов эжекции направлены на определение скорости всасываемого воздуха, оценивания его расхода, что необходимо при определении: - давления (Р) и температуры (Т) в газоходе; - минимально допустимого проходного сечения газохода; - силового воздействия эжектируемого воздуха на динамику отвода кабель-мачт, убирающихся опор пускового устройства; - определение параметров систем охлаждения пускового устройства. Физическая картина процесса изображена на рис. 2.92. V воздуха V воздуха V воды Рис. 2.92. Схема физической картины эжекционного процесса 175 Внешние проявления процессов эжекции содержат следующие явления: - вязкое увлечение «холодного» воздуха в устье газохода; - смешение продуктов сгорания с окружающим воздухом, сопровождаемым потерями «удара» горячего газа о холодный воздух, что приводит к повышению температуры; - реакция избытка горючего в продуктах сгорания с атмосферным кислородом; - испарение воды систем охлаждения; - заметное разрежение воздуха в устье газохода; - возможное запирание газоотводного тракта; - вдоль канала идет выравнивание параметров двух потоков, как по длине, так и по сечению канала; - влияние гидравлических потерь в тракте, за счет развития пограничного слоя; - в конце газодинамического тракта в ПУ выполняется условие Р = Ратм; - выравнивание давления по газодинамическому тракту проявляется в повышении давления в нем; - начало эжекционных процессов сопровождается ярко выраженными нестационарными процессами, а подъем РКН и начало ее движения изменяют условия эжектирования воздуха. Общая физическая картина процессов показана на рис 2.93. разрежение Р > Ратм Р < Ратм Сверхзвуковое ядро Рис. 2.93. Общая физическая картина эжекционных процессов 176 В В отличие от классических эжекционных процессов здесь наблюдаются: - существенная неравномерность смеси как по длине, так и по высоте канала; - отсутствие выравнивания параметров двух потоков, т. к. канал смешения газохода короткий; - ярко выраженное сверхзвуковое ядро потока и дозвуковая часть струи; - заметные пульсации газа. Следует отметить, что нестационарные эжекционные процессы мало изучены, поскольку РКН уходит быстрее, чем наступает стационарный эжекционный режим. 2.4.5. Акустические и вибрационные процессы при пуске РКН 2.4.5.1. Физическая картина акустического излучения при пуске РКН Экспериментальные и теоретические исследования генерации акустических излучений при пуске и полете РКН показали, что к причинам, вызывающим звуковые излучения, можно отнести следующие факторы: взаимодействие струи двигательной установки с окружающим воздухом. Сверхзвуковая струя излучает шум из-за турбулентности, бочкообразной структуры струи и наличия вихревых волн Маха; горение КРТ с пульсациями параметров; шум, создаваемый работой турбонасосного агрегата ДУ; реверберациию звукового излучения на элементах конструкции пускового оборудования. В струе продуктов сгорания выделяют (рис. 2.94 а) сверхзвуковую часть струи 1, дозвуковую часть струи 2, отраженный звук 3, вихревые зоны 4. Энергия акустического излучения соответствует примерно 1% кинетической энергии струи продуктов сгорания. Максимальное давление падающего акустического излучения находится на расстоянии 56 калибров от ДУ РКН (рис. 2.94 б); максимальное давление отраженного акустического излучения достигает РКН во время ее подъема на высоту 60÷90 метров от нулевой отметки. В результате акустического воздействия на борту РКН наблюдаются: кавитация КРТ; уход гироскопов; разрушение керамики теплозащиты и солнечных батарей; болевые ощущения у экипажа пилотируемых КА. 177 Кроме того, акустическое воздействие может привести к вибрации конструкций на СК и изменению механических свойств некоторых конструкционных материалов, повышению темепературы деталей радиоэлектронной аппаратуры. а) б) Рис. 2.94. Схема акустической нагрузки от струи продуктов сгорания: а) состав струи; б) воздействие струи Акустическое давление существенно зависит от класса РКН и скорости истечения продуктов сгорания. На рис. 2.95 приведена зависимость уровня шума от скорости истечения продуктов сгорания, выраженная через число Маха. Р, дб 180 150 120 1 3 5 М Рис. 2.95. Графическая зависимость уровня шума от скорости истечения продуктов сгорания 178 Следует отметить, что природа вибрации и акустики различна. Если вибрация проявляется при непосредственном контакте с объектом (турбулентность потока), то акустические колебания наблюдаются при удалении объекта от источника излучения. В классической акустике решается задача распространения звуковых колебаний, создаваемых внешними, привнесенными в поток силами или колебаниями. Источником излучения в классической акустике является движения твердых тел в газе (жидкости). Аэроакустика, куда входит акустика реактивной струи, имеет дело со звуком, создаваемым аэродинамическими силами или возмущениями, которые возникают в самом потоке. Т.е. источником звука здесь является движение газа. При этом аэроакустика рассматривает звуковые излучения как нелинейные, нестационарные процессы изменения плотности и давления. Известна теория Лайтхила, описывающая звуковые излучения для дозвуковых течений. Для сверхзвуковых течений акустика изучается только экспериментально. 2.4.5.2. Основные соотношения для оценивания акустических нагрузок Вывод основных соотношений для акустических нагрузок выполним, используя основные уравнения сохранения для сплошных сред при введении следующих допущений: 1. Колебания акустических волн являются гармоническими. 2. Для акустических волн справедлив принцип суперпозиции. 3. Для давления скорости и плотности в аэроакустике нет смещения фаз. 4. Для газа справедливы соотношения адиабатического сжатия Р const . к 5. Возмущения в газе малы и могут быть линеаризованы P P0 P ' u u0 u ' P’, ’ ,u’ – малы 0 ' где P0 , u0 , 0 – параметры невозмущенной среды; P, u, – возмущения в основном течени. 179 Основные уравнения сохранения газовой динамики: u закон сохранения массы; t x u P u t x 2 закон сохранения импульса. Оба этих закона должны выполняться одновременно, следовательно можно записать систему уравнений: u t x . u u P 1 u x x t После преобразований [18], положив u0 = 0, P0 = const, 0 = const, последовательно получим ' ' ' ' u ' u u 0 0 t x x u ' u ' 1 P ' u0 u ' t x x ' P ' u ' 0 0 t P ' x u ' 1 P ' t 0 x → ' u ' 0 t x → u ' 1 P ' t 0 x P ' 1 u ' 0 t a 2 x . ' ' u 1 P t 0 x → (2.36) Продифференцировав верхнее уравнение системы (2.36) по времени u ' P ' 1 u ' 0 → 0 x t t t a 2 t x 1 2 P' u ' 0 2 2 x a t t с учетом нижнего уравнения (2.36) получим 1 2 P' 2 P' 2 . a 2 t 2 x Это уравнение имеет решение P Pmax cos t kx . (2.37) (2.38) Здесь 2 ka , где k – волновое число или разность фаз колебаний с T частотой ω в двух точках, находящихся на единичном расстоянии, равное ω/а. 180 Аналогичные рассуждения приводят нас к следующим соотношениям для плотности и скорости: 1 2 ' 2' max cos t kx , x 2 a 2 t 2 1 2u ' 2u ' 2 a 2 t 2 x u umax cos t kx . (2.39) Учитывая, что для идеального газа и малых амплитуд колебаний звуковое поле является безвихревым (rot u=0), то такое поле может быть охарактеризовано потенциалом скорости φ. Поскольку по определению потенциала скорости u , x то можно ввести потенциал скорости в нижнее уравнение системы (2.36), тогда Р . (2.40) x t х После ряда преобразований получим 2 1 2 . t x 2 a 2 t t 2 (2.41) Интегрируя (2.41) по времени и считая постоянную интегрирования равной нулю (ввиду исчезающего на бесконечности поля излучении), получим 2 1 2 , откуда x 2 a 2 t 2 ( x, t ) = max cos(t kx + ) . Остаются неизвестными следующие параметры: Pmax, max, umax, max, , k, . Для их определения вводятся интегральные соотношения. P , можно записать Поскольку x x t max sin t t kx , k max sin t x kx . P Аналогично u Используя полученные уравнения, можно ввести следующие параметры, характеризующие звуковое поле: 181 1. Волновое сопротивление (акустическая жесткость, импеданс) z. Величина z характеризует среду, в которой распространяется волна. Чем больше волновое сопротивление, тем больше звуковое давление в среде при заданной скорости частиц среды. z P ρω ρ0 a u k 2. Коэффициент отражения по давлению kp. o Pmax kp п , Pmax п где Pmax , Pmax – амплитуды давления в отраженной и падающей волне. o При падении звукового излучения на преграду (рис. 2.96) часть энергии отражается, а часть проходит сквозь преграду. В двух бесконечно близких точках, лежащих по разные стороны от границы раздела, давление должно быть одинаковым: Р1 Р2 . Здесь Р2 – амплитуда давления волны, прошедшей в преграду. Рис. 2.96. Схема падения звукового излучения на преграду Для определения давления P1 следует учитывать, что со стороны излучателя звукопроводящая среда деформирована падающей волной, в которой давпад ление достигает значений Рmax . Одновременно с этим отраженная волна (с той же фазой, что и падающая) дополнительно деформирует звукопроводящую oтр среду на величину Рmax , поэтому пад P1 Pmax Pmaxтр . 182 Суммарная колебательная скорость в отраженной и падающей волнах на границе раздела равна колебательной скорости в прошедшей волне. Условие непрерывности колебательных скоростей можно записать в виде: u1 u2 u3 . Поскольку из определения импеданса u следовательно, Pпад – Pотр z1 = P , то z Pотр +Pпад (2.42) z2 Далее, если использовать выражение для коэффициента отражения по давлению, после преобразования (2.42) можно записать 1 kp z1 откуда следует kp 1 kp z2 , z2 z1 z2 z1 z2 n 1 , то k p . z1 n 1 Зависимость f= kp(n) имеет следующий вид (рис. 2.97) или, если ввести обозначение n kp 1 0,8 0,6 0,4 2 100 10 n Рис. 2.97. Вид графической зависимости f= kp(n) 183 Используя коэффициент отражения, можно оценить изменение давления на преграде по сравнению с давлением падающей волны: o п п Р1 Р2 Pmax Pmax Pmax (1 k p ) . Для абсолютно жесткой преграды ( k p 1 ) давление на границе раздела удваивается: п P2 2 Pmax . Для конструкций ПУ давление в отраженной волне оценивается соотношением Рпад P 2 2 Рпад . 3. Плотность потока энергии Q в звуковом поле. Плотность потока энергии в сплошных средах может быть оценена соотношением Q* eu Pu e P u . Для плотности потока звуковой энергии характерно то, что при передаче звуковой энергии внутренняя энергия среды (U) не передается. Тогда выражение для потока звуковой энергии можно записать в виде: Q e U P u , поскольку u2 u2 u e U , то e U 0, 2 2 2 ' 2 откуда окончательно получим Q Pu . (2.43) 4. Интенсивность звука J [ ], которая показывает скорость прохождения потока энергии через единицу площади волновой поверхности. Интенсивность звука вводится как соотношение T 1 J Qdt . T0 184 Подставив полученные ранее соотношения по давлению (2.38) и скоро(2.39) в этот интеграл, с учетом известного выражения сти 1 1 cos ax dx 2 x 4a sin 2ax , получим 2 T T T T Pmax u max Pmax u max 1 1 1 1 2 Qdt= Pudt= cos ωtmkx+γ dt= T+ sin 2ωtmkx+γ 0 T 0 T 0 T T 4ω 2 0 . Известно, за период колебания следовательно ω ω γ , 2 Pmax umax Pmax J . 2 2a 5. Коэффициент отражения звукового излучения по энергии , который вводится как отношение прошедшей и падающей интенсивности звука. Исходя из закона сохранения энергии, следует, что сумма интенсивностей звука прошедшей ( ) и отраженной ( ) волн равна интенсивности звука падающей волны ( ): . Так как то можно записать . 6. Уровень интенсивности звука L [дБ], который вводится с помощью соотношения J L 10 lg J0 или, с учетом выражения для интенсивности звука, P L 20 lg , P0 где J 0 – интенсивность звука, принятая в качестве порога слышимости ( J 0 = 1012 Вт/м2 при частоте f = 1 КГц); -5 P0 – пороговое звуковое давление ( P0 = 2·10 Па). 185 7. Спектр плотности частотных характеристик S. Акустическое излучение имеет широкий спектр частот. Для выявления доминирующих частот вводятся параметр – спектр плотности частотных характеристик излучения. S( t ) d J , f , f 0 . dt Теоретических оценок по уровню интенсивности звука РКН пока нет. Поэтому для их оценивания предлагаются экспериментальные соотношения. Здесь приведем лишь два соотношения из всех известных на сегодня: LРКН 20 lg 17,57 GРКН v 2ДУ GРКН v 2ДУ 1 7 lg lосн 97 LРКН 13,5 lg 2 2 l пер где Lпер , Lосн – длины переходного и основного участка сверхзвуковой части струи продуктов сгорания. Ранее выполненные замеры акустического излучения в устье и в самом газоходе для РКН «Протон» показали, что акустические нагрузки доходят до значений 175–180 дБ (рис. 2.98). Р, дБ 170 160 1 1 t, c 2 170 160 3 2 t, c 170 160 3 t, c Рис. 2.98. Результаты замеров акустического излучения для РКН «Протон» 186 Для снижения акустических нагрузок, действующих на РКН, пусковой стол, другое технологическое оборудование и обслуживающий персонал СК, возможно использование различных способов: - экранирование прямых и отраженных звуковых потоков; - поглощение звуковых потоков; - минимизация звуковых потоков за счет изменения характеристик объектов, излучающих потоки. Экранирование прямых и отраженных звуковых потоков осуществляется за счет: 1) экранирования открытых проемов газоходов решетками или экранами из специальных материалов; 2) впрыска воды в струю продуктов сгорания; 3) создания водяных или водно-воздушных завес; 4) заполнения газоходов пеной; 5) акустического воздействия на струю внешним направленным источником звука. Поглощение звуковых потоков возможно при использовании в качестве покрытий для стартового сооружения, технологического оборудования и РКН звукопоглощающих материалов. Однако материалы с высокими характеристиками звукопоглощения, как правило, не выдерживают тепловые и газодинамические нагрузки, создаваемые струей продуктов сгорания ракетных двигателей. А применение звукопоглощающих материалов для РКН или КА приводит к утяжелению объекта. Снижения акустических нагрузок, действующих на РКН и оборудование, можно добиться за счет уменьшения уровня звукового излучения при организации истечения продуктов сгорания из двигательной установки в расчетном режиме. В этом случае число и интенсивность скачков уплотнения в струе сводится к минимуму, а излучение снижается до уровня дозвуковой струи. Такого истечения можно достичь, например, при использовании ДУ с центральным осесимметричным телом. 2.4.5.3. Вибрационные нагрузки при пуске РКН Вибрационные нагрузки в пусковых столах при пуске РКН проявляются в колебаниях всего ПС как единой конструкции, отдельных узлов и деталей ПС, приборов и технологического оборудования, размещенных в ПС. 187 При постоянных характеристиках источника вибрации для различных объектов эти колебания могут быть различны по масштабу в зависимости от их массы и жесткости. Появление вибрационных нагрузок происходит на фоне акустических нагрузок, но имеет иную природу. Отличие вибрационных и акустических нагрузок состоит в следующем: интегральный эффект от маломасштабных акустических воздействий не в состоянии вызвать заметного колебательного макроэффекта в массивных, значительных по размеру и жесткости элементах конструкции. Для акустических нагрузок характерно соблюдение условия 1 , l где λ – длина звуковой волны; l – масштаб длины нагружаемого элемента. При действии акустических нагрузок возможные резонансные явления наблюдаются не в конструктивных элементах, как при вибрационных нагрузках, а в структурных компонентах материалов, из которых изготовлена данная конструкция; акустическое излучение струи воздействует на объект даже в том случае, когда отсутствует непосредственный контакт между конструкцией и струей. Вибрационные нагрузки проявляются тогда, когда в струе продуктов сгорания существуют крупномасштабные зоны пульсации, размеры которых соизмеримы с размерами конструкции. Наличие таких зон обусловлено: периодическими вихреобразованиями в струе, связанными с вязким отрывным течением продуктов сгорания на изломах поверхностей, образующих газоходы ПС; апериодической пульсацией развивающегося в газоходах турбулентного пограничного слоя струи; нестационарной работой ДУ, деструктирующей поток продуктов сгорания. 2.4.5.4. Основные параметры вибрационных нагрузок К характеристикам вибрационных нагрузок относятся: размерные физические величины ( х – виброперемещение, м; х – виброскорость, м/с; х – виброускорение, м/с2); нефизические величины ( Lx – интенсивность виброперемещений, дБ; Lx – интенсивность виброскоростей колебаний, дБ; Lx – интенсивность виброускорений колебаний, дБ). 188 Эти величины определяются следующими выражениями: x x x Lx 20 lg , Lx 20 lg , Lx 20 lg , x0 x0 x0 где x0 , x0 , x0 – стандартные пороговые значения параметров вибрации, которые равны: 8 0 5 10 x0 8 1012 м; x м/с; x0 3 104 м/с2. При интегральной оценке вибрационных нагрузок по частоте используется понятие корректируемого значения параметра. Это значение находят по формуле: L n L K , i 1 2 i 2 i где Li – значение вибропараметра в i-й частотной полосе; n – число частотных полос; Ki – весовой коэффициент i-й частотной полосы. Важным параметром вибронагрузки является доза вибрации D, ее определяют по формуле: t D L2 ()d , 0 где L( ) – мгновенное корректированное значение параметра вибрации в момент времени ; t – время действия вибрации. Снижение вибрационных нагрузок, действующих при пуске на пусковой стол, возможно за счет следующих факторов: снижения виброактивности струи продуктов сгорания вследствие снижения ее вязкости, а также повышения качества профилирования и обработки поверхностей газоходов; внутренней виброзащиты (демпфирования) конструкции ПС и его элементов; виброизоляции, способной защитить приборы и оборудование от механических воздействий при пуске. 189 2.4.6. Ветровые нагрузки при пуске РКН Силовое воздействие ветра на технологическое оборудование стартового комлекса оказывает влияние на многие технологические операции, а их успешное проведение требует знания характера и величины ветровой нагрузки. Рис. 2.99. Схема влияния ветровых нагрузок на опасное взаимодействие РКН и технологического оборудования СК 190 Силовое воздействие ветра на ПУ определяется, в основном, аэродинамическими силами, возникающими на корпусе РКН и воспринимаемыми опорами ПУ. При этом, помимо нагрузок на опорные устройства, в системе ПУ+РКН могут возникнуть следующие опасные явления: снос РКН с опор ПУ, опрокидывание РКН, обрыв связей типа «земля-борт», соударение с элементами конструкции ПУ, нерасчетное натекание струи ДУ (см. рис. 2.99). Величина ветрового воздействия определяется следующими факторами, действующими одновременно: 1) метеообстановкой в районе СК (направлением ветра, величиной и его изменчивостью, влажностью, наличием осадков и плотностью воздуха); 2) состоянием естественного и искусственного рельефа местности, определяющего движение приземных потоков воздуха в районе СК; 3) геометрией корпуса РКН (удобообтекаемостью), которая влияет на отрывной характер обтекания; 4) колебанием корпуса РКН, как в результате выполнения технологических операций, так и под действием воздуха; 5) взаимным влиянием на характер обтекания РКН, расположенных на СК около ракеты средств обслуживания и транспортно-установочного оборудования; 6) существенной трехмерностью картины нагружения, обусловленной консольным размещением РКН на ПУ. Методика определения величины ветровых нагрузок рассмотрена в п. 3.1.3. 2.4.7. Тепловые нагрузки Воздействие высокотемпературной газовой струи на элементы конструкции пускового стола приводит к необходимости проведения послепусковых работ, связанных с восстановлением конструкций, а иногда к замене элементов конструкции и узлов в целом. Для изучения теплового воздействия газовой струи на пусковое устройство с целью оценки и прогнозирования состояния его металлоконструкции, необходимо разобраться в физике процесса, что в дальнейшем позволит, используя математический аппарат, не только повысить надежность стартовых комплексов, но и учитывать накопленный опыт при проектировании перспективных ракетно-космических комплексов. 191 2.4.7.1. Физическая модель теплового нагружения Реальные измерения температуры пускового оборудования показаны на рис. 2.100. Датчик 3 Датчик 1 Датчик 2 t, Cº t, Cº 1600 1600 5 10 , с 0,1 0,5 , с Рис. 2.100. Картина изменений температуры ПУ при пуске РКН Анализ измерений позволяет представить физическую картину теплового нагружения элементов ПУ (рис.2.101) и сделать следующие выводы: 1. При пуске действует мощный конвективный и лучистый тепловой поток МВт q 1 4 . м2 2. Тепловое нагружение начинается с теплового удара с мощным градиентом температур T 800 3500K . t 192 3. Прогрев покрывающих поверхностей ПО носит нестационарный характер T Tt, x, y, z . 4. Температура газового потока существенно выше температуры пл плавления облицовочного материала газохода Тгаза Тсталь . 5. При пуске наблюдается абляция покрывающего материала - по стали скорость уноса – 1 мм/с; - по бетону скорость уноса – 3 мм/с. 6. Возникающие при пуске температурные напряжения достигают пре- дела текучести соответствующих материалов облицовки газохода t T . 7. Остывание облицовочного материала длится 2–4 часа, при этом температурные напряжения (обратного нагреву знака) соизмеримы с пределом текучести соответствующего материала. 8. Пусковое оборудование «пуск-нагрев-остывание». работает в циклическом режиме – 9. Назначаемый ресурс для пускового оборудования составляет 2550 пусков. 10. Задача оценивания Т=Т(x,y,z) (рис. 2.111). теплового нагружения явно трехмерная 11. Большая часть тепловой энергии струи уходит в атмосферу Q1 = Q2 +Q3 Поглощение ПС 2–5 % Снос струей 95–98 % 12. При росте температуры конструкционных материалов в процессе пуска заметны изменения теплофизических характеристик материалов, например, теплоемкости и теплопроводности (рис. 2.101). 193 Y Z Q1 Z Профиль температуры Y X Q2 Q3 Рис. 2.101. Физическая картина теплового нагружения элементов пускового оборудования С С0 0 теплопроводность теплоемкость Татм Т Татм Т Рис. 2.102. Графические зависимости теплофизических характеристик материалов конструктивных элементов ПУ от температуры газовой струи 194 2.4.7.2. Математическая модель описания теплофизических процессов в пусковом оборудовании при пуске РКН Полный спектр интересующих нас вопросов таков: 1. Определить функцию Т=Т(t, x, y, z) во всем объеме конструкции. 2. Выявить, где температура материала станет равной температуре плавления: Т(t, x, y, z)=Тпл . 3. Где и когда перепад температур материала облицовки станет выше критического значения, при котором температурные напряжения станут равными пределу текучести материала: Т кр Т . 4. Определить необходимые физические свойства конструкционных материалов облицовки: ПС (, с, ) 5. Назначить подходящие геометрические параметры облицовки газохода: (, a, b, ...) Примем следующие допущения для расчета, выполняемого аналитически: 1. Определить только максимальные значения температуры в облицовке (max T). 2. Задачу ставить и решать в одномерной постановке Т=Т(x,t). 3. Теплофизические параметры конструкционных материалов считать постоянными ( c=const, =const). Вывод уравнения нестационарной теплопроводности Как известно, тепловая энергия оценивается простым соотношением E c m T дж . Тепловой приток в стенке оценивается как разница E Qнар Qвнутр Q[вт] . t Здесь Q – тепловой поток, обычно определяемый через плотность теплового потока (q) как Q qdF . F 195 В одномерной постановке для плоской стенки (рис. 2.103) Рис. 2.103. Схема теплового нагружения плоской стенки Для оценивания плотности теплового потока используется уравнение Фурье q T , x тогда E Q qF (q1 q2 ) F . t При разложении функции q=q(x) в ряд Тейлора получим q q E q1 q1 1 x F xF , t x x поскольку xF V , то E 2T 2 V , t x и далее, с учетом того, что m V ; E mcT VcT E VcT , t t T 2T 2 V, t x откуда cV тогда T 2T . t c x 2 Выражение а называют температуропроводностью (а), которая c имеет размерность м . 2 с Этот параметр (а) характеризует скорость прогрева. Следует отметить, что эта «скорость» удельная (на единицу длины), т.е. для получения истинной размерности скорости этот параметр следует разделить на толщину стенки. Отсюда для уравнения нестационарной теплопроводности следует записать соотношение T 2T a 2 t x 196 Замечания 1. Обычно считается, что при решении задач теплопроводности a = const. 2. Полученное уравнение параболического типа. В физическом и вычислительных смыслах это означает, что прогрев в стенке чувствуется мгновенно во всем объеме, но в разной степени. Отсюда следует, что это уравнение принципиально не дает скачков температур. Выбор начальных и граничных условий Само уравнение подразумевает, что для его решения должны быть два начальных условия и одно граничное условие. Но при определении граничных условий появляются проблемы. Для иллюстрации этих проблем используем рис. 2.104. В процессе нестационарного прогрева газ около стенки остывает, а стенка около газа греется. При этом на границе газа и стенки T var , т.е. граничные условия переменны. Что-то отдает газ qг г T . x Что-то забирает стенка qст ст T . x Известны несколько граничных условий для решения уравнения нестационарной теплопроводности. Т Т Т Тг t0 Тг t1 Тг t2 Тст 0 х х Глубина прогрева х Тепловой пограничный слой тпсл Рис. 2.104. Физическая картина теплового нагружения плоской стенки 197 Наиболее часто встречаются три граничных условия, которые именуются граничными условиями соответствующего рода. Граничное условие I рода Т ст const Т стплав , что соответствует плавлению стенки на наружной поверхности. Правда, при этом изменяется толщина стенки, и задача становится еще сложнее. Граничное условие II рода При очень значительном тепловом потоке q const температура газа не меняется Т газ const . Граничное условие III рода Задается специальная функция qг qг T . При этом возникает вопрос, где такую функцию взять. Если принять, что: T Tст T0г и х тепл погран , то можно записать уравнение Фурье в виде: qг Tст г Tст T0г или, вводя новый параметр г г , носящий название коэффициента теплопередачи (теплообмена, теплоперехода), qг г Tст T0г . Граничные условия IV рода Задается для двух граничащих слоя различного материала 1 dT1 dT 2 2 . dx dx г Для граничного условия третьего рода qг г Tст T0 уравнение носит имя Ньютона. Для определения динамического пограничного слоя (рис. 2.105) допустимо соотношение дин 0.38 l . Re0,2 x Здесь число Рейнольдса в пограничном слое определяется функцией Re x l 198 uг г x , г d стр 2sin Для пускового оборудования вт 2 0 . м К Решение уравнения нестационарной теплопроводности проще получить, если записать его в безразмерном виде. Для этого вводятся соответствующие масштабы. Для пространственной координаты вводится масштаб через толщину стенки ст. г 1000 3000 X x , 0 X 1. ст Для температуры вводится следующий масштаб Т ст Т г0 , 0 1, 0 Т ст Т г0 здесь = 1 соответствует началу прогрева. dстр Расчетная точка (x) 2l Rex = Rex(x) - var x Рис. 2.105. Расчетная схема пограничного слоя 199 Для времени вводится масштаб в виде числа Фурье (Fo) по соотношению Fo t 0, tм здесь в качестве масштаба времени (tм) используется соотношение 2 ст tм сек . a Тогда окончательно получим уравнение в безразмерном виде 2 Fo X 2 Для его решения необходимо выполнить масштабирование и для граничных и начальных условий. 1. Масштабирование начального условия (рис. 2.106) t 0 ; 0 x δст ; Т Тст F0 0; 0 X 1; F0 , X 1 1 Х 0 1 Рис. 2.106. Схема масштабирования начального условия 2. Граничное условие для внутренней стенки. t < 0; x = 0 на внутренней стенке нет градиента температур, т.е. нет теплового потока от стенки к окружающей среде, где температура такая же, как и на внутренней стенке (рис. 2.107) 200 F0 0; X 0; 0 X 1 Внутренние границы Х 0 1 0 Рис. 2.107. Схема теплового нагружения внутренней стенки 3. Граничное условие для внешней стенки. t > 0; x = ст; q = q(Tст) t 0; x ; q q Tст . Поскольку на этой границе тепловой поток в материале стенки равен тепловому потоку от газа, то можно их приравнять метал qст ст T газ Т метал газ Т ст Т 0г ; qст qстгаз . ; qст газ x х При использовании ранее введенных масштабов для этого граничного условия будем иметь г ст , Fo 1 , X 1 . Х ст Далее вводится безразмерная температурная толщина Bi тогда Следует заметить, что г ст ст , Bi ; Fo 0; X 1 . Х Nu газ г погр г 201 ; Bi г ст . ст Решение уравнения нестационарной теплопроводности Для решения уравнения используем выражение 2 = (F0, X); . Fo X 2 Решение ищется в виде произведения двух независимых функций (F0,X)=φ(F0) f(X). В этом случае правая и левая часть исходного уравнения имеет вид или f X f X ' ; Fo Fo (2.44) 2 2 f Fo 2 Fo f . X 2 X (2.45) Приравняв соотношения (2.44) и (2.45) получим равенство f(X)φ'(F0)= φ(F0) f'(X) ' Fo f X . Fo f X При условии, что Fo – var; X – var, равенство справедливо, если оба выражения равны некой константе. Отсюда ' f 2 const . f Следовательно, решение распадается на два уравнения 1. φ'+ε2φ=0; f f 0 , 2. которые, соответственно, имеют решения 2 2 1. C e Fo ; 2. f A cos X B sin X Отсюда θ или A1e Fo cos X A2 e Fo sin X 2 2 СА=А1 и СВ=А2 С А А1 . Для полного решения необходимо определить константы интегрирования А1 , А2 , , для этого следует использовать начальные и граничные условия. 202 Анализ тепловых нагрузок при пуске РКН Решения классического уравнения нестационарной теплопроводности, полученное ранее в безразмерном виде, 2 Fo Fo 2 для покрывающего листа газохода имеет вид A1e Fo cos X A2 e e Fo sin(X ) , 2 2 (2.46) где А1, А2 , константы, подлежащие определению через начальные и граничные условия. Граничные условия на внутренней стенке Расчетная схема граничных условий изображена на рис. 2.108. Для нее принимаем следующее условие 0. Х Тогда 2 2 A1e Fo sin(X ) A2 e Fo cos(X ) 0 . Х Х 0 Первое слагаемое этой суммы равно нулю, поскольку sin от нулевого аргумента (Х = 0) равен нулю. Во втором слагаемом cos(X ) 1 , следовательно, 2 A2 e Fo 0 , если А2 = 0. Поскольку решение = 0, является тривиальным и не дает результата, то 0. Выражение 2 e ε Fo 0 , поскольку время рассматриваемого процесса больше нуля (Fo > 0). Следовательно, единственным действенным условием на внутренней стенке является условие А2 = 0. Теперь можно записать предварительный результат уточнения соотношение (2.46) 2 А1e Fo cos(X ) 203 Fo > 0 Рис. 2.108. Расчетная схема граничных условий на внутренней стенке Условие на наружной граничной стенке (Х = 1) соответствует граничному условию III рода, которое в безразмерном виде записывается как соотношение Учитывая, что Bi . X 2 A1e Fo sin(X ) X 2 Fo cos(X ) и Bi Bi A1e тогда 2 2 A1e Fo sin(X ) BiA1e Fo cos(X ) . учитывая, что для данных граничных условий Х = 1, можно записать sin(X ) Bi cos(X ) или sin() Bi cos() , или ctg . Bi (2.47) Это трансцендентное уравнение аналитических решений не имеет. Его можно решить графически или численно. График прогрева листа газохода пускового стола имеет вид, показанный на рис. 2.109. Для реальных параметров газохода: дж Вт Вт ст 45 ; ; сст 600 ст 0,01 0,06 м ; г 1000 3000 2 0 0 мК м К кгК 0 см и скорость прогрева u пр составляет единицы ; пр 1 15 сек . с 204 Эффект мгновенного распространения тепла 1 в н Fo Начало прогрева внутренней стенки Рис. 2.109. Расчетная графическая зависимость для картины прогрева листа газохода Реальные зависимости прогрева имеют вид, показанный на рис. 2.110–2.112. Т, К0 = 10 мм сталь = 40 мм 1с 8с t, c Рис. 2.110. Графическая зависимость для картины прогрева стального листа газохода Т, К0 сталь РКН Ср класса = 20 мм РКН Л. класса t, c Рис. 2.111. Графическая зависимость для картины прогрева стального листа газохода для различных классов РКН 205 Т,К0 Т,К0 Сталь = 0,02 (м) Бетон = 10 (м) t, c t, c Рис. 2.112. Графическая зависимость для картины прогрева стального листа газохода и стенки стартового сооружения Полученные решения соответствуют случаю постоянного теплового потока газа qг = qг (Тг). На самом деле РКН взлетает, следовательно Тг снижается, что приводит к снижению теплового потока. Тогда картина изменения теплового нагружения имеет вид, показанный на рис. 2.113. Т, К0 Другое решение Тг , заканчивается св. зв. струя Рис. 2.113. Картина изменения теплового нагружения при снижении теплового потока 206 t, c Контрольные вопросы к главе 2 1. Дайте определение понятию «пусковое оборудование». 2. Назовите типовой состав пускового оборудования. 3. Для чего предназначена пусковая установка? Что обеспечивает пусковая установка в процессе подготовки к пуску и самого пуска РКН? 4. Назовите основные системы, входящие в состав ПУ и обеспечивающие подготовку к пуску и пуск РКН. 5. Назовите основные системы, входящие в состав ПУ и обеспечивающие функционирование пусковой установки как самостоятельного агрегата. 6. Расскажите об особенностях системного подхода к формированию облика пусковой установки. 7. Расскажите об особенностях технологии подготовки и пуска РКН, влияющих на облик пусковой установки. 8. Назовите основные газодинамические схемы ПУ и раскройте особенности их реализации. 9. Назовите основные этапы работы системы приема РКН на опоры пускового стола, остановившись на особенностях их реализации в существующих пусковых установках. 10. Расскажите о методах вертикализация ракет на пусковых установках. Приведите примеры. 11. Чем отличается система ветрового крепления РКН от системы удержания РКН? Приведите примеры их конструктивного (схемного) исполнения. 12. Для чего предназначена система охлаждения ПС? Назовите основные виды систем охлаждения. 13. Назовите основные участки, которые выделяют в газодинамической струе от ДУ РКН, и параметры струи, которые необходимо учитывать при расчете воздействия струи на ПУ. 14. Опишите основные этапы нестационарных газодинамических процессов, возникающих при запуске двигательной установки РКН в устье ПУ. 15. Какие явления характерны для стационарных газодинамических процессов, происходящих в ПУ при истечении струи двигательной установки РКН? 16. Опишите суть эжекционных процессов, сопровождающих пуск РКН. 17. Опишите особенности теплового нагружения ПУ при пуске РКН. 207 3. СРЕДСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ 3.1. Общие сведения о средствах обслуживания 3.1.1. Назначение и состав средств обслуживания Технологический процесс подготовки ракеты космического назначения и ее составных частей на техническом и стартовом комплексах предполагает использование для выполнения работ различных видов оборудования. Важной составляющей технологического оборудования и ТК, и СК являются средства обслуживания (СО). Средства обслуживания технического комплекса входят в состав механотехнологического оборудования. Средства обслуживания ТК предназначены для обеспечения технического обслуживания составных частей РН, РБ, КА или РКН в целом, размещенных на монтажно-стыковочном, транспортномили транспортно-установочном оборудовании; прокладки коммуникаций; доступа обслуживающего персонала к местам выполнения работ и размещения оборудования (приборов) в этих местах; технического обслуживания технологического оборудования ТК. В состав средств обслуживания технического комплекса входят (рис. 3.1): стапель обслуживания; ферма обслуживания; площадка обслуживания; подъемник обслуживания; стремянка. Средства обслуживания технического комплекса Стапель обслуживания Площадка обслуживания Ферма обслуживания Подъемник обслуживания Стремянка Рис. 3.1. Состав средств обслуживания технического комплекса 208 Средства обслуживания стартового комплекса предназначены для обеспечения технического обслуживания РКН, размещенной на транспортноустановочном оборудовании или установленной на пусковое устройство, или ее составных частей; прокладки коммуникаций; размещения и технического обслуживания технологического оборудования СК; доставки обслуживающего персонала на площадки обслуживания, оборудования и приборов к местам их установки; доставки и посадки экипажа в КА; эвакуации экипажа и обслуживающего персонала в укрытие или безопасную зону. В состав средств обслуживания стартового комплекса входят (рис. 3.2): агрегат обслуживания; кабель-мачта; заправочно-дренажная мачта; средства посадки и эвакуации экипажа; комплект передвижных средств обслуживания. Средства обслуживания стартового комплекса Агрегат обслуживания Кабель-мачта Заправочнодренажная мачта Средства посадки и эвакуации экипажа Комплект передвижных средств обслуживания Рис. 3.2. Состав средств обслуживания стартового комплекса Агрегат обслуживания (АО) – средство, предназначенное для обслуживания в заданных зонах РКН, установленной на пусковое устройство, для прокладки коммуникаций и размещения технологического оборудования СК и элементов контрольно-проверочной аппаратуры, доставки и/или эвакуации обслуживающего персонала на площадки или с площадок обслуживания агрегата обслуживания и оборудования и приборов к местам их установки. Более детально назначение и устройство АО будет рассмотрено в п. 3.2. Кабель-мачта (КМ) – средство, предназначенное для размещения электрических, пневматических и гидравлических коммуникаций, механизмов их стыковки и отвода, подвода коммуникаций к РКН и отвода их после отстыковки от РКН до пуска или при пуске, доставки обслуживающего персонала на площадки обслуживания, оборудования и приборов к местам их установки. 209 Заправочно-дренажная мачта (ЗДМ) – средство, предназначенное для размещения заправочных и дренажных коммуникаций, механизмов их стыковки и отвода, подвода этих коммуникаций к РКН и отвода их после отстыковки от РКН до пуска или при пуске, доставки обслуживающего персонала на площадки обслуживания, оборудования и приборов к местам их установки. Опыт создания и эксплуатации ракетно-космической техники показывает, что мачты (КМ и ЗДМ) могут использоваться для размещения другого технологического оборудования стартового комплекса и контрольно-проверочной аппаратуры, обслуживания РКН в заданных зонах. Заправочно-дренажные мачты могут также использоваться для подвода, стыковки и отвода электрических, пневматических, гидравлических коммуникаций. Более детально назначение и устройство КМ и ЗДМ будет рассмотрено в п. 3.3. Средства посадки и эвакуации экипажа (СПЭЭ) – средства, обеспечивающие доставку экипажа к месту посадки в космический аппарат, эвакуацию экипажа от люка КА и обслуживающего персонала в укрытие при возникновении нештатной ситуации, а также защиту экипажа (персонала) в процессе эвакуации. Создание отдельного агрегата посадки и экстренной эвакуации экипажа является сложной задачей, поэтому для доставки и эвакуации может использоваться оборудование, входящее в состав агрегата обслуживания (см. п. 3.2.5). Комплект передвижных средств обслуживания – совокупность оборудования, предназначенного для обеспечения доступа обслуживающего персонала к зонам обслуживания РКН при нахождении ее на СК, а также к местам и зонам обслуживания систем и агрегатов технологического оборудования СК. Передвижные средства обслуживания, как правило, значительно меньше агрегатов обслуживания. Они используются для обслуживания ракеты, находящейся на стартовом комплексе в горизонтальном положении, и обеспечивают выполнение операций по демонтажу съемных элементов, чехлов перед переводом ракеты в вертикальное положение для установки на пусковое оборудование. Передвижные средства обслуживания, используемые для технического обслуживания другого технологического оборудования (например, пускового оборудования), могут входить в состав этого оборудования. Объем задач, решаемых средствами обслуживания стартового комплекса, как правило, существенно превышает объем задач для средств обслуживания технического комплекса. Соответственно различен и набор функционального наполнения оборудования. Если функции средств обслуживания технического комплекса в первую очередь направлены на обеспечение доступа персонала к местам проведения работ и размещения переносного оборудования рядом с ними, то средства обслуживания стартового комплекса могут, например, участво- 210 вать в технологической операции установки РКН на пусковой стол, обеспечивают размещение элементов заправочного оборудования и оборудования стыковки и отвода коммуникаций и т.д. Учитывая ограниченный объем учебного курса дисциплины «Наземное технологическое оборудование» и функции, выполняемые рассматриваемым в главе 3 оборудованием, основное внимание в учебнике уделено средствам обслуживания стартовых комплексов. Кроме того, в рамках данной главы будет рассмотрено оборудование стыковки и отвода коммуникаций (ОСОК), которое может частично размещаться на средствах обслуживания СК и взаимодействовать с ними. 3.1.2. Условия эксплуатации средств обслуживания Условия эксплуатации – это совокупность факторов, действующих на изделие при его эксплуатации. Факторы могут быть внешними и внутренними. Учет условий эксплуатации средств обслуживания важен как для обеспечения нормальной эксплуатации технологического оборудования, так и для выполнения требований безопасности персонала [6] и экологической безопасности [4]. К внешним факторам, действующим на изделие в процессе эксплуатации, относятся природные условия, тепловые, химические и механические воздействия, запыленность, влажность и т.п.[1]. К внутренним факторам относят физико-механические и химические воздействия, воздействие излучением, связанные с рабочими процессами в технологическом оборудовании. В [6] отмечается, что технологическое оборудование, стартовый и технический комплексы в целом являются источниками: взрывоопасности; механической опасности; пожарной опасности; промышленной опасности; термической опасности; химической опасности; электрической опасности. Условия эксплуатации средств обслуживания во многом определяются их местом в составе оборудования ракетно-космического комплекса и особенностями выполняемых операций технологического процесса подготовки РКН к пуску. 211 Они регламентируются общими техническими требованиями к космическим средствам, государственными и отраслевыми стандартами, эксплуатационной документацией. Средства обслуживания, входящие в состав оборудования технического комплекса, как правило, размещаются в зале монтажноиспытательного корпуса. Условия эксплуатации СО ТК соответствуют условиям эксплуатации механотехнологического оборудования. Воздействие климатических факторов и ветра может не учитываться, а температурно-влажностный режим определяется исходя из требований содержания РКН и еЕ элементов. Условия эксплуатации средств обслуживания, входящих в состав стартового комплекса, в соответствии общими техническими требованиями должны быть устойчивы, прочны и стойки при испытаниях и эксплуатации к воздействию: климатических факторов соответствующего района дислокации комплекса; ветра, среднее значение скорости которого не более: 20 м/с – при работе с заправленной РКН, 25 м/с – при стоянке незаправленной РКН. В требованиях по живучести и стойкости к внешним воздействиям регламентируется, что СК должен сохранять работоспособность вовремя и после воздействия механического давления газовой струи, акустического шума и вибрации, возникающих при пуске РКН и еЕ полете на начальном участке траектории. Например, составные части универсального стартового комплекса для РКН «Ангара» должны соответствовать следующим условиям эксплуатации: эксплуатация в любое время года; температура в пределах от минус 40 до плюс 50 Сº; влажность не более 98% при плюс 20 Сº, давление в пределах 82,5….103,7 кПа (620…780 мм рт. ст.); воздействие любых видов осадков; воздействие статического и динамического запыления; воздействие солнечного излучения; средняя скорость ветра с 10-минутным осреднением на высоте 10 м от поверхности земли: до 15 м/с при подготовке, транспортировке, установке с последующим пуском; до 18 м/с при стоянке на ПС РКН; до 12 м/с при предстартовой подготовке. Заметим, что в приведенном примере требования к воздействию ветра, указанные в техническом задании и эксплуатационной документации, отличаются от общих требований. Такие отклонения согласовываются разработчиками с заказчиком на этапе начальном этапе создания комплекса. 212 Для оборудования военного назначения требования к стойкости к внешним воздействующим факторам приведены в ГОСТ РВ 20.39.304-98. В этом стандарте устанавливаются классификационные группы оборудования, номенклатура, характеристики и значения технических требований к аппаратуре, приборам и устройствам по стойкости, прочности и устойчивости к внешним воздействующим факторам в соответствии с условиями их применения в составе объектов вооружения и военной техники. 3.1.3. Нагрузки, действующие на средства обслуживания при эксплуатации Расчет агрегатов обслуживания включает оценку прочности силовых элементов металлоконструкций, оценку устойчивости агрегата по опрокидыванию и скольжению, расчеты механизмов. Для выполнения этих расчетов необходимо знание внешних нагрузок. В зависимости от состояния агрегата, для которого определяются расчетные нагрузки, последние делятся на рабочие, предельные и аварийные (см. п. 1.4). Рабочими называются нагрузки, при которых допускается эксплуатация агрегата в целом или выполнение отдельных операций рабочего цикла, т.е. операций по обслуживанию РКН. Предельными называются нагрузки, при которых агрегат должен сохранять прочность, устойчивость и обеспечивать другие специальные требования, находясь в нерабочем состоянии. Расчет подвижных АО ведется на действие весовых и ветровых нагрузок, а также нагрузок от ударной волны при взрыве ракеты на старте. Для стационарных агрегатов и отдельных элементов конструкции полустационарных агрегатов учитывается также тепловое и силовое воздействие газовой струи ракетных двигателей. Для кабель-мачт, заправочно-дренажных мачт и отводимых при пуске РКН элементов конструкций агрегатов обслуживания может потребоваться учет нагрузок, возникающих в процессе эжекции газов в результате истечения струи продуктов сгорания двигателей ракеты. По характеру действия на агрегаты нагрузки могут быть статические и динамические. К статическим относятся весовые нагрузки и расчетные нагрузки от действия осредненного ветрового напора, а к динамическим – инерционные нагрузки, возникающие при неравномерном движении агрегата и отдельных его элементов, а также нагрузки, возникающие при колебаниях под действием пульсаций ветрового потока. 213 Так как агрегаты обслуживания являются, как правило, высотными конструкциями, а их габариты могут быть сравнимы с сооружениями, при расчетах отдельных видов нагрузок, действующих на средства обслуживания стартовых комплексов, также используются строительные нормы и правила [14]. В соответствии с СНиП нагрузка определенного вида характеризуется, как правило, одним нормативным значением. Для нагрузок от людей, оборудования на площадки обслуживания, от мостовых и подвесных кранов, снеговых, температурных климатических воздействий устанавливаются два нормативных значения: полное и пониженное (вводится в расчет при необходимости учета влияния длительности нагрузок, проверке на выносливость и в других случаях, оговоренных в нормах проектирования конструкций). В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные нагрузки (рис. 3.3). Эксплуатационные нагрузки (по СНиП) Постоянные Временные Длительные Кратковременные Особые Рис. 3.3. Классификация эксплуатационных нагрузок (по СНиП) К постоянным нагрузкам следует относить: а) вес несущих и ограждающих конструкций; б) вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление. К длительным временным нагрузкам следует относить: а) вес стационарного оборудования: механизмов, приборов, моторов, емкостей, трубопроводов с арматурой, лифтов, а также вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование; б) вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов с пониженным нормативным значением; 214 в) снеговые нагрузки с пониженным расчетным значением, определяемым умножением полного расчетного значения на коэффициент 0,5 (в районах со средней температурой января ниже минус 5 ºС). г) давление газов и жидкостей в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при пуске ракеты; д) температурные технологические воздействия от стационарного оборудования. К кратковременным нагрузкам следует относить: а) нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене; б) вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования; г) нагрузки от мостовых и подвесных кранов, тельферов с полным нормативным значением; д) снеговые нагрузки с полным расчетным значением; е) температурные климатические воздействия с полным нормативным значением; ж) ветровые нагрузки; з) гололедные нагрузки. К особым нагрузкам следует относить: а) сейсмические воздействия; б) взрывные воздействия; в) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования. Расчет конструкций и оснований по предельным состояниям следует выполнять с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий. Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы конструкции. В зависимости от учитываемого состава нагрузок следует различать: основные сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных; особые сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок. 215 Временные нагрузки с двумя нормативными значениями следует включать в сочетания как длительные – при учете пониженного нормативного значения, как кратковременные – при учете полного нормативного значения. В особых сочетаниях нагрузок, включающих взрывные воздействия или нагрузки, вызываемые столкновением транспортных средств с частями конструкций, допускается не учитывать кратковременные нагрузки. Весовые нагрузки Весовые нагрузки создаются силами веса металлоконструкций и специального оборудования. Они определяются из развески агрегата, при которой оцениваются по чертежам или по прототипам веса и координаты центров тяжести всех его элементов (рис. 3.4), суммарный вес и координаты центра тяжести агрегата в целом и распределение нагрузок на элементы ходовой части. Для подвижных агрегатов начало координат выбирается обычно на оси заднего главного балансира ходовой части или на оси поворота, если агрегат отводится путем поворота в вертикальной или горизонтальной плоскости. z zцт Fт R1 R2 х xцт L Рис. 3.4. Схема для определения весовых нагрузок 216 Координаты центра тяжести агрегата находятся из выражений: xцт где G x , G i i zцт i G z , G i i i – масса и координаты центра тяжести i-го участка; xцт и zцт – координаты центра тяжести агрегата. и При отсутствии ветра нагрузка на опоры ходовой части определяется только силой тяжести и положением центра тяжести агрегата. Нагрузка распределяется между опорами в соответствии с равенствами: F ( L xцт ) Fx R1 т ; R2 т цт , 2L 2L где – сила тяжести агрегата; L – база ходовой части агрегата; R1 и R2 – нагрузки на опоры ходовой части. При воздействии ветра на опоры ветровая нагрузка будет дополнительно нагружать одни опоры и разгружать другие опоры (в зависимости от направления ветра). При расчете весовых нагрузок, особенно для площадок обслуживания стационарных агрегатов, необходимо учитывать снеговые и гололедные нагрузки[14]. Полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия следует определять по формуле , где – расчетное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, по карте снеговых районов РФ отражено в табл. 3.1; – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на конструкцию. Для горизонтальных перекрытий = 1.0. В соответствии с картой снеговых районов[14] для космодрома Плесецк в табл. 3.1 выбирается V район, для космодрома Восточный – I район. Таблица 3.1 Расчетные значение веса снегового покрова Снеговые районы РФ (принимаются по карте I II III IV V VI VII VIII из приложения к СНиП) , Па 800 1200 1800 217 2400 3200 4000 4800 5600 где Снеговая нагрузка на конструкцию определяется по формуле , – площадь поверхности конструкции. Нормативное значение распределенной (поверхностной) гололедной нагрузки определяется по формуле , где – толщина стенки гололеда на высоте 10 м (табл. 3.2); – коэффициент, учитывающий изменение толщины стенки гололеда по высоте (табл. 3.3); – коэффициент, учитывающий отношение площади поверхности элемента, подверженной обледенению, к полной площади поверхности элемента и принимаемый равным 0,6; – плотность льда, принимаемая равной 900 кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2. Таблица 3.2 Значения толщины стенки гололеда Гололедные районы (принимаются по карте из приложения к СНиП) Толщина стенки гололеда , мм I II III IV V Не менее 3 5 10 15 Не менее 20 В соответствии с картой гололедных районов [14] для космодрома Плесецк в табл. 3.2 выбирается значение толщины, соответствующее I району, для космодрома Восточный – IIрайону. Таблица 3.3 Значения коэффициента, учитывающего изменение толщины стенки гололеда по высоте Высота над поверхностью земли, м 5 10 20 30 50 70 100 Коэффициент 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 где Гололедная нагрузка на площадку определяется по формуле , – площадь поверхности площадки. Полученные значения снеговой и гололедной нагрузки в расчетах конструкций умножаются на коэффициент надежности по нагрузке . 218 Инерционные нагрузки Инерционные нагрузки, как динамическую составляющую весовой нагрузки, необходимо учитывать как для агрегатов в целом, входящих в состав средств обслуживания, так и для их элементов. Подвижные агрегаты обслуживания имеют не высокую скорость передвижения (210 м/мин), но при разгоне или торможении высотные конструкции, имеющие большие габариты и массу, создают значительные нагрузки. Учет инерционных нагрузок важен при расчете, например, механизмов передвижения и их тормозных механизмов. Инерционные силы при прямолинейном движении определяются выражением где – масса агрегата; – ускорение при разгоне или торможении агрегата. Для кабель-мачт, заправочно-дренажных мачт, а также для площадок обслуживания и других конструкций, подводимых к РКН вращением относительно неподвижной оси, определяется инерционный момент где – момент инерции подвижной части агрегата; – угловое ускорение при разгоне или торможении. Инерционный момент создает основную нагрузку при быстром отводе подвижных конструкций от ракеты при пуске. В начальный момент отвода требуется убрать мачту с пути движения ракеты, а в конце отвода – плавно затормозить. Ветровые нагрузки Ветровые потоки, возникающие в атмосфере, не являются постоянными по величине и направлению действия. Ветровая нагрузка в выделенных точках пространства характеризуется средней величиной и пульсациями, которые определяют динамичность ветрового воздействия. Расчетная ветровая нагрузка статической и динамической в общем случае определяется как сумма нагрузок: . 219 Под статической ветровой нагрузкой подразумевается аэродинамическое силовое воздействие на конструкцию, вызываемое осредненным ветровым потоком. В отраслевых методиках расчета принято использовать данные о скорости ветра с двухминутным периодом осреднения. Под динамической ветровой нагрузкой подразумевается переменное во времени нагружение конструкции, обуславливаемое порывами ветрового потока с периодом меньше двух минут и инерционными силами от вынужденных колебаний, вызываемых этими порывами. Для высоких конструкций круглой цилиндрической формы помимо указанных составляющих должна также учитываться динамическая нагрузка в плоскости, перпендикулярной направлению ветрового потока, обуславливаемая явлением динамической аэроупругой неустойчивости, заключающейся в периодическом несимметричном срыве вихрей с поверхности цилиндрического профиля. У конструкций с поперечным сечением, вызывающим появление подъемной силы (например, призматический профиль), могут возникать автоколебания поперек потока, называемые галопированием. Рекомендации по оценке величины таких колебаний и способах их уменьшения могут быть получены на основании данных аэродинамических испытаний моделей конструкций. Физическая картина воздействия ветрового потока на конструкцию, например, агрегат обслуживания, показана на рис. 3.5. Fв Рис. 3.5. Физическая картина воздействия ветрового потока на конструкцию 220 Расчет ветровой нагрузки в большинстве случаев проводится для двух состояний агрегата: рабочего состояния, при котором агрегат способен выполнять функциональные задачи, и нерабочего состояния, в котором агрегат должен выдерживать предельные нагрузки без потери прочности и устойчивости. Расчет проводится на действие приземного слоя, для которого характерны изменение скорости по высоте (см. рис. 3.5) и турбулизация потока, связанная с влиянием рельефа местности. Последнее обстоятельство влияет на значение скорости ветра возле земли и усиливает пульсации скоростного напора. Параметры ветрового воздействия должны быть заданы в техническом задании на агрегат технологического оборудования и введены при необходимости в его эксплуатационную документацию. Задаваемыми параметрами при рабочем ветровом воздействии являются расчетная максимальная величина средней скорости ветра на высоте 10 м от поверхности земли (с двухминутным периодом осреднения) и минимальная температура окружающего воздуха, при которой допускается эксплуатация агрегата (конструкции). По заданным параметрам расчетный скоростной напор для рабочего воздействия определяется по формуле где – плотность воздуха при минимальной температуре, в условиях которой может осуществляться эксплуатация агрегата (табл. 3.4). Таблица 3.4 Плотность воздуха при различных температурах t, ºC -50 -40 -30 -20 -10 0 10 15 20 30 40 50 1,58 1,52 1,45 1,39 1,34 1,29 1,25 1,23 1,20 1,16 1,13 1,09 Предельный скоростной напор (на высоте 10 м от поверхности земли) задается по статистическим данным для районов расположения космических комплексов (табл. 3.5). Предельная величина нормативного среднего скоростного напора на высоте 10 м от поверхности земли, в общем случае устанавливается в зависимости от ветрового района [14]. 221 Таблица 3.5 Нормативные значения среднего скоростного напора Ветровые районы РФ (принимаются по карте из приложения к СНиП) I II III IV V VI VII , Па 230 300 380 480 600 730 850 В соответствии с картой ветровых районов [14] для космодрома «Плесецк» в табл. 3.5 должно выбираться значение скоростного напора, соответствующее I району, для космодрома «Восточный» – II району. Отметим, что значения в табл. 3.5 приведены с учетом десятиминутного осреднения скорости ветра. Так как отраслевые методики расчета ветровых нагрузок используют двухминутное осреднение скорости ветра, расчетный скоростной напор для предельного ветрового воздействияопределяется по формуле где – коэффициент, учитывающий период осреднения нормативного скоростного напора, α=1,18; – нормативный средний скоростной напор ветра; – коэффициент перегрузки. Для конструкций со сроком эксплуатации 10 лет и более и для конструкций, для которых ветровая нагрузка имеет решающее значение 1,3. Распределенная статическая ветровая нагрузка , действующая на конструкцию, рассчитывается с учетом увеличения скорости ветра по высоте (см. рис. 3.5): , где – коэффициент изменения скоростного напора по высоте (табл. 3.6); – аэродинамический коэффициент. Для определения коэффициента увеличения скоростного напора ветра по высоте от поверхности земли (табл. 3.6) устанавливается два типа местности: к типу 1 относятся открытые местности (степи, лесостепи, пустыни, открытые побережья морей, озер, водохранилищ, водные поверхности); к типу 2 относятся местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м (например, лесные массивы). 222 Таблица 3.6 Тип местности 1 2 Коэффициент увеличения скоростного напора ветра Высота над поверхностью земли, м 0÷5 0,82 0,33 10 1,00 0,49 20 1,22 0,72 30 1,37 0,91 40 1,48 1,06 50 1,58 1,21 60 1,67 1,34 80 1,81 1,57 100 1,93 1,78 Коэффициент аэродинамического сопротивления зависит от обтекаемости форм элементов агрегата и находится экспериментально при продувке в аэродинамической трубе. Учитывая невозможность продувки в аэродинамической трубе крупногабаритных агрегатов технологического оборудования, в расчетах используются примерные значения коэффициента аэродинамического сопротивления (по справочным данным) для типовых конструкций: из труб большого диаметра (D >700 мм) … 0,6÷0,8; коробчатых конструкций ………………..…. 1,4÷1,6; для решетчатых конструкций: трехгранных из труб ……………………... 1,3÷1,6; четырехгранных из труб …………………. 1,5÷1,8; трехгранных из уголков ………………….. 2,0÷2,5; четырехгранных из уголков ……………… 2,3÷2,8. Статическая ветровая нагрузка на агрегат определяется как сумма нагрузок, которые действуют на участки, выделенные по форме металлоконструкции и высоте расположения: , где Sj – площадь конструкции, воспринимающая давление ветра для j-го участка. Полная ветровая нагрузка на j-й участок конструкции с некруговым поперечным сечением определяется по формуле где и – пульсационная и инерционная составляющие динамической ветровой нагрузки, действующие на j-й участок конструкции; – число учитываемых форм колебаний. Для конструкций агрегатов технологического оборудования допускается при определении нагрузки в плоскости, перпендикулярной направлению скорости ветра, проводить расчет только по первой форме колебаний. 223 Необходимость учета высших форм колебаний для высоких конструкций агрегатов устанавливается для каждого конкретного случая в зависимости от значимости их вклада в суммарную величину ветровой нагрузки. В упрощенных расчетах динамическая составляющая ветровой нагрузки может оцениваться с помощью коэффициента , который зависит от пульсации ветрового воздействия и коэффициента динамичности : . Коэффициент пульсаций зависит от скорости ветра и высоты над поверхностью земли, а коэффициент динамичности является функцией периода собственных колебаний конструкции, . Зависимость значения коэффициента пульсации от скорости и высоты над поверхностью земли приведены в табл. 3.7. Таблица 3.7 Зависимость коэффициента пульсации от скорости и высоты над поверхностью земли Высота над поверхностью земли, м (при V≥ 20 м/с) до 10 25 40 60 0,32 0,31 0,24 0,25 Коэффициент учитывает динамические качества обдуваемой конструкции. Он зависит от периода собственных колебаний конструкции и логарифмического декремента затухания (δд). Зависимость для стальных конструкций проиллюстрирована в табл. 3.8. Для определения приближенного значения периода собственных колебаний необходимо решить однородное дифференциальное уравнение, описывающее свободные поперечные колебания агрегата как упругого стержня. Зависимость коэффициента динамичности от периода собственных колебаний конструкции Т, с Таблица 3.8 0,25 0,5 0,75 1 2 3 4 5 6 7 и более 1,2 1,38 1,56 1,73 2,0 2,24 2,45 2,64 2,98 3,18 Для определения частот собственных колебаний высотную конструкцию агрегата можно представить как упругую балку с некоторой распределенной массой m (рис. 3.6, а), несущую ряд сосредоточенных масс М1, М2,…, Мn механизмов и систем специального оборудования. 224 Одним из наиболее распространенных приближенных методов определения частоты первой формы свободных колебаний балки с несколькими сосредоточенными массами является метод разложения на частные системы (метод Донкерли) [18]. Согласно этому методу балка с равномерно распределенной массой m (рис. 3.6, а), несущая сосредоточенные массы М1, М2,…, Мn, расчленяется на элементарные упругие системы, определение собственных частот которых не вызывает трудностей. При этом используется приближенная зависимость 1 1 1 1 1 2 2 2 ... 2 , 2 р рm p1 p2 pn где р – частота первой формы колебаний высотного строения агрегата; pm – частота первой формы колебаний балки (рис. 3.6, б) с равномерно распределенной массой m; p1 – частота первой формы колебаний невесомой балки (рис. 3.6, в) с сосредоточенной массой М1; p2 – частота первой формы колебаний невесомой балки (рис. 3.6, г) с сосредоточенной массой М2 и т.д. М1 М1 М2 М2 m m Мn Мn a) б) z Рупр в) k1 г) k2 д) k3 Ри н m у ж) e) Рис. 3.6. Схемы для определения частот собственных колебаний 225 Таким образом, для оценки частоты свободных колебаний сложной системы (рис. 3.6, а) необходимо уметь определять частоты свободных колебаний частных систем (рис. 3.6, б, в, г, д). Частота свободных колебаний консольной балки с равномерно распределенной массой m определяется выражением pi ki2 EJ , m где – параметр частоты; E – модуль упругости; J – момент инерции сечения балки. Для первой формы колебаний произведение параметра частоты на длину балки равно . Аналогичным образом можно определить частоту свободных колебаний балки с равномерно распределенной массой при других условиях опирания[18], схемы которых показаны на рис. 3.7. При решении расчетных задач, в которых требуется учет действия момента сил от ветрового воздействия координаты центра приложения ветровой нагрузки – центра давления – находятся по формулам: Fв j x j , Fв j z j xцд zцд . Fв j Fв j а) д) б) е) в) ж) г) з) и) Рис. 3.7. Примеры преобразования схем конструкций АО для определения собственных частот колебаний 226 Газодинамические и тепловые нагрузки от воздействия газового потока При пуске РКН средства обслуживания, стационарно размещаемые рядом с пусковой установкой или отводимые от ракеты при пуске, попадают в зону действия газовой струи, истекающей из двигателей. Интенсивность силового и теплового нагружения конструкций определяется расположением агрегатов, режимными и геометрическими параметрами сверхзвуковой струи, динамикой полета ракеты и отвода конструкций. Получение пространственно-временной картины силового и теплового нагружения является сложной задачей. Основные проблемы связаны с расчетом течения газовой струи. Из-за невозможности учета всех факторов, определяющих процесс, при математическом моделировании вводят допущения и ограничения, упрощающие решение задачи, но снижающие точность результатов. Математические модели, описывающие газоодинамическое и тепловое воздействие, описаны в п. 2.4. Эжекционные нагрузки Пуск РКН из котлованной пусковой установки приводит к значительной эжекции окружающего воздуха в устье ПУ. Как видно из рис. 3.8, для успешного отведения кабель-мачт или заправочно-дренажных мачт в расчетах должно учитываться действие эжекционной нагрузки. Рис. 3.8. Схема возникновения эжекции воздуха при пуске РКН 227 Значение этой эжекционной нагрузки может быть оценено по соотношению: , где – коэффициент эжекции; – расходы продуктов сгорания и эжектируемого воздуха; – давление торможения воздуха и продуктов сгорания, ; – площади поперечного сечения канала и РН; – температура торможения воздуха и продуктов сгорания; – газодинамическая функция для расчета расхода, – коэффициенты скорости для воздуха и продуктов сгорания, M k V – число Маха ( a – местная скорость звука); a Сp Cv – показатель адиабаты. Измерения в ходе пусков ракет и расчеты показывают, что n = 2, т.е. расход воздуха в устье пусковой установки примерно в два раза выше расхода двигательной установки. Скорость воздуха в устье ПУ составляет 120÷150 м/с (рис. 3.9). u0=150 м/с u R u=38 м/с 3м 6м Рис. 3.9. Примерные значения и характер изменения скорости эжектируемого воздуха в устье ПУ 228 Нагрузки на средства обслуживания от взрыва ракеты на СК При взрыве ракеты на стартовом комплексе на средства обслуживания действуют аварийные нагрузки, которые могут привести к опрокидыванию подвижного агрегата (рис. 3.10, а) или к разрушению стационарного агрегата (рис. 3.10, б). б) Рис. 3.10. Особенности действия нагрузок от взрыва ракеты на подвижные и стационарные средства обслуживания Существуют стартовые комплексы, генеральный план которых включает две пусковые установки и два агрегата обслуживания. При расчете нагрузок при взрыве ракеты на своей ПУ расчетной является фронтальная сторона агрегата обслуживания, и предполагается, что агрегат обслуживания получит повреждения. При расчете нагрузок при взрыве на соседней ПУ предполагается, что ударная волна действует на стационарный агрегат сбоку (рис. 3.11, а) или приходит к отведенному агрегату обслуживания под углом к фронтальной поверхности (диагонально) (рис. 3.11, б). При заданных параметрах взрыва необходимо определить минимальные расстояния (L1 и L2), при которых воздействие взрывной волны не приведет к опрокидыванию или разрушению агрегата обслуживания. 229 Очевидно, что при взрыве на одной из пусковых установок, например ПУ-1, расстояние от места взрыва до АО-2 больше, чем до АО-1, но площади поверхности воздействия для обоих агрегатов разные, S2>S1. Для стационарного агрегата на ПУ-2 критичными могут стать нагрузки на площадки обслуживания, мачты и другие элементы. На основе экспериментальных данных известно, что основные параметры разрушения от взрыва определяются тротиловым эквивалентом (C). Взрывы тротиловых зарядов достаточно подробно описаны в литературе по взрывному делу. Диаметр воронки dвор, глубина воронки hвор и радиус сейсмического поражения rпор в общем случае пропорциональны корню кубическому из тротилового эквивалента: dвор ~C1/3, hвор ~ C1/3, Rпор ~ C1/3. Фронт ударной волны ПУ-1 ПУ-2 а) ПУ-1 АО-1 S1 L1 АО-2 ПУ-2 S2 L2 б) Рис. 3.11. Схемы воздействия нагрузок от взрыва ракеты на соседней ПУ Характер воздействия взрыва на агрегат обслуживания заметно отличается от ветрового воздействия как по величине опрокидывающего момента, так и по длительности воздействия. 230 Максимальное значение опрокидывающего момента при действии взрывной волны значительно превышает значение момента при действии ветровой нагрузки, длительность воздействия опрокидывающего момента при взрыве значительно меньше длительности воздействия ветра. Значение опрокидывающего момента при действии взрывной волны в основном определяется значением давления во фронте ударной волны. Характер распространения взрывной волны проиллюстрирован на рис. 3.12. При оценке параметров взрывной волны важно знать, как будет протекать начальная фаза процесса взрыва. Если процесс взрыва протекал детонационно, то продукты детонации, движущиеся за фронтом детонационной волны, имеют скорость более высокую, чем граница раздела, и, набегая на границу, продукты детонации будут сжиматься. В этом случае по продуктам детонации от границы раздела вглубь пойдет ударная волна, являющаяся следствием удара продуктов детонации об окружающую среду. Если же среда является не очень плотной (например, воздух), то граница раздела между продуктами детонации и средой будет двигаться быстрее продуктов детонации, и давление в продуктах детонации будет падать. В таком случае по продуктам взрыва сразу пойдет волна разрежения. По окружающей среде в любом случае пойдет ударная волна. Пад. у.в. Отр. у.в. Гол. у.в. «Ближняя» зона «Дальняя» зона Рис. 3.12. Характер распространения взрывной волны При ударе продуктов детонации о воздух начальное давление во фронте ударной волны достигает 70÷100 МПа, причем это давление быстро падает. Известно, что продукты взрыва при расширении занимают объем приблизительно в 800÷1600 раз больше, чем эквивалентный начальный объем заряда взрывчатого вещества, поэтому в случае сферического взрыва предельный радиус объема, занятого продуктами взрыва, будет в 10÷12 раз больше начального радиуса заряда. Для цилиндрического взрыва это отношение будет равно приблизительно 30÷40 раз. 231 К моменту завершения процесса расширения продуктов взрыва большая часть энергии взрыва (85÷99%) передается воздушной ударной волне. На рис. 3.13 показано примерное распределение давления в области течения при сферическом взрыве. По оси ординат показано изменение радиуса разлета ударной волны относительно начального радиуса заряда. По оси абсцисс показано изменение давления относительно атмосферного давления. После распада разрыва (t1) уже на начальном этапе распространения воздушной ударной волны (t2) в продуктах детонации (ПД) формируется вторичная волна, на фронте которой давление, плотность и температура скачком возрастают, а массовая скорость падает. Вторичная ударная волна удаляется от контактной поверхности ПД – воздух, однако на начальном этапе (t3, t4, t5) она сносится разлетающимися продуктами от центра взрыва и лишь затем (t6) начинает двигаться к центру симметрии. По мере распространения интенсивность вторичной ударной волны возрастает и при схлопывании в центре симметрии достигает очень большой величины, при этом в волне разрежения перед фронтом вторичной волны давление и плотность ПД падают до величины 10-2÷10-3 от атмосферных, а температура становится ниже начальной. После отражения вторичной ударной волны от центра симметрии (t7) она начинает распространяться вслед за основной с уменьшающейся интенсивностью и возвращается к контактной поверхности ПД – воздух. р/ра 106 t1 5 10 104 103 102 t2 t3 t4 t5 10 1 10-1 10-2 10-3 0 5 10 15 t6 20 25 t7 30 t8 35 Рис. 3.13. Примерное распределение давления в области течения при сферическом взрыве 232 40 r/r0 В «ближней» зоне поражение агрегата обслуживания неизбежно, поэтому будем рассматривать воздействие на агрегаты обслуживания в «дальней» зоне. Основными параметрами ударной волны, определяющими ее воздействие на различные объекты, являются максимальное избыточное давление на фронте , длительность воздействия и удельный импульс положительной фазы избыточного давления. Известно, что давление, действующее в «дальней» зоне на агрегат при распространении взрывной волны, изменяется во времени. Примерный профиль изменения давления в выбранной зоне во времени показан на рис. 3.14. Рис. 3.14. Примерный профиль изменения давления в выбраннойзоне во времени После сжатия, длительность которого +, наступает разрежение, длительность которого больше (->+). Во время действия разрежения может наступить опрокидывание (разрушение) АО не только с падением в сторону распространения ударной волны, но и с падением в направлении на очаг взрыва. Это может произойти после того, как АО под действием начального импульса повышенного давления отклонится в сторону от взрыва, а при обратном (возвратном) движении конструкции агрегат окажется в зоне пониженного давления. Однако, опуская такие тонкие эффекты воздействия взрыва, как вторичные ударные волны и эффект разрежения, можно рассматривать только действие повышенного давления в зоне за фронтом ударной волны. На основе статистических экспериментальных данных для сферической ударной волны от зарядов большой массы советским геофизиком-сейсмологом, специалистом по физике взрыва и первым научным директором Семипалатинского полигона М.А. Садовским была получена эмпирическая зависимость для определения максимального избыточного давления на фронте: 233 , МПа, где (3.1) C – масса заряда (тротиловый эквивалент); r – расстояние от центра взрыва в метрах. В научной литературе значения коэффициентов в этой эмпирической формуле отличаются в зависимости от имеющихся экспериментальных данных, выбора единиц измерения тротилового эквивалента и получаемого избыточного давления. Возможные варианты, используемые в отраслевых расчетах, представлены в табл. 3.9. При взрыве на поверхности (т.е. когда направление свободного распространения продуктов взрыва ограничено) расчеты по формуле (3.1) показывают результаты, отличающиеся от экспериментов. Так как взрыв ракеты в большинстве случае происходит именно возле поверхности, то при расчетах по формуле (3.1) необходимо в 2 раза увеличивать значение тротилового эквивалента относительно реального значения. Таблица 3.9 Вариант формулы 1 Значения коэффициентов для определения избыточного давления во фронте ударной волны Размерность Размерность К1 К2 К3 С ф килограмм 2 килограмм 3 тонна МПа кгс/см2 (МПа∙10-1) кгс/см2 (МПа∙10-1) 0,84 0,27 0,7 1,06 4,3 14,0 11,087 380,98 12000 Для определения длительности фазы сжатия может быть использована зависимость: 1,16 C r , мс, где тротиловый эквивалент берется в килограммах. Импульс избыточного давления, определяемый как может быть рассчитан по эмпирической формуле 3 C2 I 200 , Па·с. r 234 Изменение избыточного давления во времени с момента прихода в рассматриваемую точку может быть описано выражением: , где a – коэффициент, который может быть определен при известном значении импульса из формулы. Из курса газовой динамики известно, что объект воздействия, которым в данной ситуации является агрегат обслуживания,при отражении ударной волны испытывает куда большее давление, чем его имеется во фронте самой ударной волны. По статистическим данным избыточное давление отражения для случая фронтального ударао стенку определяется зависимостью где – давление окружающей среды. Таким образом, для определения основных параметров воздействия ударной волны необходимо знать тротиловый эквивалент взрыва РКН. Методика определения тротилового эквивалента взрыва РКН была разработана в научно-исследовательских институтах космической отрасли, при этом учитывались следующие допущения: рассматривается взрыв РКН, полностью заправленной компонентами топлива (как наихудший случай); оценка мощности взрыва выполняется по массе компонентов ракетного топлива нижних блоков РКН, так как вероятность одновременного взрыва нижних и верхних блоков низка; вторичные, наведенные взрывы от заправочного оборудования или других объектов СК не учитываются; осколочное действие взрыва не учитывается; взрыв РКН рассматривается как объемный, учет разброса параметров ударной волны не проводится, несферичность ближней зоны взрыва не учитывается; мощность взрыва определяется химическим составом компонентов ракетного топлива и их количеством. 235 Для определения тротилового эквивалента от взрыва ракеты установлена зависимость вида где – коэффициент, зависящий от компонентов ракетного топлива, участвующих в формировании взрыва; – масса компонентов ракетного топлива, участвующих в формировании взрыва. На основе анализа данных по аварийным ситуациям на стартовых комплексах и экспериментальных данных установлено, что наиболее опасными и приводящими к взрыву являются ситуации с вертикальным положением ракеты перед взрывом, в том числе и вертикальное падение при старте. Считается, что при этом во взрыве участвуют только КРТ, находившиеся в ступенях (блоках) РКН в нижней части ракеты (соприкасающихся с землей при ударе). Топливо в верхних ступенях, как правило, воспламеняется с задержкой, что приводит к вторичному взрыву меньшей мощности и (или) пожару. Значения коэффициента приведены в табл. 3.10. Размерность массы КРТ в таблице и получаемого значения тротилового эквивалента – тонна. Таблица 3.10 Значения тротилового эквивалента взрыва для различных компонентов ракетного топлива Формула Тип топлива Условия взрыва для расчета тротилового эквивалента АТ+НДМГ О2+РГ1 на земле падение на землю на земле падение на землю О2+Н2 236 3.2. Агрегаты обслуживания 3.2.1. Назначение и классификация агрегатов обслуживания Агрегаты обслуживания (АО) предназначены для обслуживания в заданных зонах РКН, установленной на пусковое устройство, для прокладки коммуникаций и размещения технологического оборудования СК и элементов контрольно-проверочной аппаратуры, доставки и/или эвакуации обслуживающего персонала на площадки или с площадок обслуживания агрегата обслуживания и оборудования и приборов к местам их установки. В ряде случаев системы и механизмы АО используются для подъема и установки РКН в вертикальное положение на пусковой стол, заправки ее топливом и сжатыми газами, а также для снятия ее с ПС в случае несостоявшегося пуска. АО представляют собой, как правило, высотные сооружения с массой от десятков до тысяч тонн, смонтированные на подвижном или неподвижном основании и снабженные стационарными, выдвижными или поворотными площадками, размещенными на различных уровнях по высоте. Общая высота АО может достигать 100 и более метров. Для доступа на площадки имеются лестничные марши, пассажирские и грузовые лифты. При необходимости АО оборудуются гидравлическими и пневматическими коммуникациями с соответствующими системами управления для заправки ракет жидкими компонентами топлива, сжатыми газами и для термостатирования космического аппарата (КА). Отдельные агрегаты снабжаются подъемными кранами, позволяющими производить вертикальную сборку ракет, замену КА или отдельных его частей непосредственно на ракете, которая установлена на ПС, а также подавать тяжелое оборудование на площадки обслуживания. С помощью этих же кранов осуществляются ремонтно-восстановительные работы на ПС и самих АО. АО эксплуатируются в условиях значительных внешних нагрузок. Основными из них являются ветровые нагрузки. АО могут подвергаться тепловому и силовому воздействию газовой струи от ракетных двигателей и воздействию ударных волн, особенно при аварийных пусках РКН. Ветровая нагрузка зависит от скорости ветра и наветренной площади агрегата. Только статическая составляющая ветровой нагрузки для современных агрегатов может достигать 100 и более тонн. Динамическая составляющая обусловлена пульсациями ветрового потока и для высотных сооружений может быть соизмерима со статической составляющей. 237 Тепловое воздействие газовой струи на конструкцию агрегатов зависит от температуры струи и времени ее действия, cиловые нагрузки при этом определяются давлением торможения струи. На АО, используемых для установки РКН на ПС, кроме всех прочих, действуют также нагрузки от веса поднимаемой системы. При оценке эксплуатационных нагрузок необходимо учитывать климатические условия. Как правило, при расчете агрегатов температура окружающего воздуха принимается от 40°С до +50°С, а скорость ветра для нерабочего состояния АО 30 м/с. Для рабочего состояния эти условия оговариваются особо, так как они определяются тактико-техническими характеристиками РКН. Исходя из назначения и условий эксплуатации, к агрегатам обслуживания предъявляются следующие основные требования: 1. Конструкция АО должна обеспечивать доступ к местам обслуживания РКН. Для этой цели на агрегате предусматриваются площадки обслуживания, располагаемые на различной высоте. Устройство площадок должно обеспечивать сохранность РКН от силового воздействия со стороны АО при его колебаниях под действием ветра и возможность отвода агрегата от ракеты перед пуском. 2. На АО часто размещаются системы для проведения отдельных технологических операций предстартовой подготовки, например: система термостатирования КА, наполнительные соединения заправочных коммуникаций, элементы оборудования стыковки и отвода коммуникаций и др. Эти системы являются либо автономными, т.е. размещенными полностью на АО, либо являются оконечными устройствами соответствующих наземных или подземных систем стартового комплекса. В любом случае конструкция АО должна обеспечивать надежную и удобную стыковку технологических систем и кабелей с ответными их частями на земле и на РКН, а также надежную и безопасную их отстыковку перед пуском, если таковая предусматривается по технологическому циклу подготовки ракеты на старте. 3. На АО должны быть предусмотрены устройства и приспособления для создания необходимых условий работы обслуживающего персонала (лифты, трапы, ограждения, поручни, полная или частичная ветрозащита, вентиляция и отопление рабочих мест, средства механизации трудоемких операций и т.п.), а также устройства, обеспечивающие аварийный отвод агрегата и спасение космонавтов и обслуживающего персонала при возникновении аварийных ситуаций. 238 4. При использовании АО для установки РКН на ПС он должен обеспечить безопасность и точность выполнения операций. Это относится и к операциям по снятию ракеты с ПС при несостоявшемся пуске. 5. В связи с большими ветровыми нагрузками АО должны рассчитываться на ветровую устойчивость и оборудоваться устройствами, предотвращающими самопроизвольное их перемещение и опрокидывание, а также соударение с ракетой при их взаимных колебаниях под действием ветра (самоустанавливающимися площадками, амортизирующими подушками и т.п.). 6. При использовании АО для заправки РН компонентами топлива в их конструкции должны предусматриваться устройства, обеспечивающие выполнение требований безопасности и экологических требований как по отношению к обслуживающему персоналу, так и к окружающей среде. Основной признак для классификации агрегатов обслуживания – степень их подвижности (рис. 3.15). Стационарность или подвижность, конструктивно-компоновочные схемы и состав оборудования агрегатов обслуживания во многом определяются конструкцией РКН, технологией подготовки ракеты к пуску, составом, конструкцией и размещением другого технологического оборудования на стартовом комплексе, величиной эксплуатационных нагрузок. Агрегаты обслуживания По конструкции По подвижности Стационарные Башня обслуживания Подвижные Ферма обслуживания Кабина обслуживания Колонна обслуживания Рис. 3.15. Классификация агрегатов обслуживания Стационарные агрегаты (рис. 3.16) размещаются неподвижно по отношению к ПС и закрепляются на стартовом сооружении или на стационарной эстакаде специального пускового стенда, который может перемещаться вместе с АО. Отвод стационарного АО от РКН при пуске не предусматривается. При стационарном размещении упрощается конструкция агрегата, заправочные магистрали и кабели остаются постоянно пристыкованными к ракете и наземным коммуникациям, что позволяет производить подпитку баков ракеты 239 компонентами топлива и питание КА электроэнергией до момента пуска. При этом упрощается также задача спасения космонавтов при аварийных ситуациях. Отрицательным в такой компоновке является то, что часть агрегата при пуске РКH оказывается в зоне действия высокотемпературной газовой струи, а потому требует специальной тепловой защиты. При аварийном пуске ракеты агрегаты такого типа вообще не могут быть защищены от повреждения. Во избежание соударения ракеты с АО в случае ее бокового сноса при пуске исходное расстояние между ними должно быть значительным, что требует применения длинных переходов к площадкам обслуживания и усложняет систему их отвода. Подвижные агрегаты обслуживания можно разделить на два типа: полностью подвижные и частично подвижные (или полустационарные). В полностью подвижных АО (рис. 3.17) высотные конструкции 2 монтируются на специальных платформах 1, которые перед пуском ракеты отводятся от ПС по рельсовому пути на значительное расстояние, поэтому агрегаты оказываются вне зоны действия газовой струи ракетных двигателей и испытывают значительно меньшие ударные нагрузки при взрыве ракеты на старте, чем агрегаты рассмотренных выше типов. Рис. 3.16. Схема стационарного агрегата обслуживания для РКН «Ангара» 240 2 1 Рис. 3.17. Схема подвижного агрегата обслуживания Расстояние, на которое агрегаты обслуживания отводятся от пускового оборудования, зависит от класса ракет и составляет от десятков до сотен метров. Заправочные коммуникации и кабели, проложенные по агрегату при его отводе, отстыковываются от соответствующих наземных систем, что является отрицательной стороной подвижных агрегатов, однако задача обеспечения сохранности дорогостоящего агрегата при аварийном пуске ракеты в этом случае является главной. Часть агрегатов обслуживания может быть отнесена к полустационарному типу. АО полустационарного типа частично отводятся от ПС на ограниченное расстояние. Характерной особенностью таких агрегатов является наличие некоторого неподвижного основания, с которым шарнирно соединена подвижная часть конструкции. Данная схема обеспечивает вывод из зоны действия газовой струи основной части высотного строения агрегата, где расположены площадки с оборудо- 241 ванием, за счет его поворота вокруг неподвижного шарнира. Эти агрегаты часто еще называют поворотными. При такой компоновке упрощается подвод заправочных коммуникаций и кабелей. Они монтируются в поворотном устройстве и при отводе агрегата обслуживания от ракеты остаются присоединенными к наземным коммуникациям. В настоящее время известны полустационарные агрегаты двух типов, показанные на рис. 3.18, а и б. 1 2 3 а) 5г) 4 6 8 7 б) Рис. 3.18. Схемы полустационарных агрегатов обслуживания На рис. 3.18 цифрами обозначены следующие элементы: 1, 6 – площадки; 2, 5 – фермы; 3 – домкрат; 4 – вертикальный шарнир; 7 – тележка; 8 – рельсовый путь. В агрегатах первого типа на поворотном основании ПС с противоположных сторон крепятся две фермы 2. Подведенные к ракете с помощью домкратов 242 3 фермы занимают вертикальное положение, при этом площадки 1 смыкаются, образуя кольцевые балконы, охватывающие ракету и космический аппарат. Внутри ферм размещены подъемные лифты, доставляющие обслуживающий персонал и космонавтов на площадки. Перед пуском ракеты теми же силовыми гидродомкратами фермы отводятся от ракеты и переводятся в горизонтальное положение. Малые габариты и простота узла крепления ферм к основанию обеспечивают хорошую компоновку таких агрегатов в совмещенной стартовой системе. Основание фермы при пуске остается и зоне действия газовой струи и требует тепловой защиты. В агрегатах второго типа (рис. 3.18, б) фермы 5 с площадками 6 опираются на отдельную платформу, которая при отводе агрегата от ПС перемещается в горизонтальной плоскости за счет поворота вокруг вертикального шарнира 4. Свободная сторона платформы опирается на ходовые тележки 7, которые при этом двигаются по криволинейному рельсовому пути 8. Энергетически этот вариант отвода более выгоден, ибо центр тяжести агрегата перемещается по горизонтальной траектории, но шарнирное поворотное устройство при этом оказывается достаточно сложным по конструкции. На рис. 3.19 показана схема агрегата обслуживания для РКН сверхтяжелого класса «Н-1». Рис. 3.19. Схема агрегата обслуживания для РКН сверхтяжелого класса «Н-1» 243 Все АО по конструкции можно разделить на четыре типа (см. рис. 3.15): башни обслуживания; фермы обслуживания; колонны обслуживания; кабины обслуживания. Деление АО на башни и фермы связано с тем, что для создания необходимых условий работы обслуживающего персонала у ферм оборудуются ветрозащитой лишь площадки обслуживания, а у башен – все верхнее строение, поэтому внешне такой агрегат выглядит в виде башни с закрытым пространством внутри, где размещается РКН и обслуживающий персонал. В конструкции башен и ферм имеются вертикальные элементы типа колонн, образующие силовой каркас верхнего строения, но колонны обслуживания (как отдельный АО) не имеют постоянной жесткой связи между собой. Кабина обслуживания отличается от других типов АО низкой высотой верхнего строения. Стационарные и полустационарные (поворотные) АО обладают высокой устойчивостью по опрокидыванию и скольжению. В подвижных агрегатах с целью повышения устойчивости иногда приходится умышленно утяжелять платформу, а для предупреждения самопроизвольного перемещения по рельсовому пути под действием ветра – фиксировать агрегат относительно рельс. Некоторые АО, особенно для ракет тяжелого класса, могут являться автономными, имеющими собственные электропитание, отопление, водоснабжение, систему кондиционирования воздуха, осветительную сеть, вентиляцию, связь и т.п. 3.2.2. Конструкция и состав технологического оборудования агрегатов обслуживания Агрегаты обслуживания состоят из силовой металлоконструкции, технологических систем подготовки РКН и технического оборудования, обеспечивающего создание благоприятных условий работы обслуживающего персонала, а также выполнения монтажных, регламентных и ремонтных работ на самом агрегате. 244 Конструкция основных силовых элементов К основным силовым элементам АО относятся (см. рис. 3.17): платформа 1, высотная конструкция 2 и площадки обслуживания. Платформа, как правило, представляет собой прямоугольную в плане сварную площадку (рис. 3.20, а), состоящую из продольных 1 и поперечных 2 составных сварных балок. Сечение составной балки показано на рис. 3.20, б. Платформа агрегата (см. рис. 3.19) имеет в плане форму треугольника. Такая форма диктуется способом отвода агрегата, а именно, наличием вертикального шарнира. С целью экономии металла при больших размерах платформ они могут выполняться в виде ферм. 2 1 а) б) Рис. 3.20. Схема платформы АО Высотная конструкция образуется одной, двумя или четырьмя пространственными вертикальными колоннами, связанными между собой несколькими поперечными элементами – ригелями. На рис. 3.21, а из четырех вертикальных колонн 1 с ригелями 2.На рисунке цифрами обозначены следующие элементы: 1, 7 – колонны; 2, 5, 9 – ригели; 3 – ворота; 4, 6 – площадки обслуживания; 8 – подкосы. На рис. 3.21, б – показан агрегат с высотной конструкцией из двух вертикальных колонн 7 с ригелями 9. Первый вариант силовой схемы образует жесткую пространственную раму, внутри которой при наличии внешней обшивки (ветрозащиты) и ворот 5 создается замкнутое пространство, в котором устанавливаются кольцевые площадки обслуживания 4. Компоновка позволяет организовать отопление и вентиляцию во всем внутреннем пространстве АО и создать нормальный температурный режим для ракеты и обслуживающего персонала, что особенно важно при размещении в районах с холодной и ветреной зимой. Внешне эта конструкция выглядит как башня, поэтому АО данного типа называют башнями обслуживания. Такие агрегаты обслуживания входят в состав наземного оборудования РКН легкого класса типа «Рокот». Для ракет среднего и тяжелого класса подобная конструкция оказалась бы неоправданно тяжелой. 245 Во втором варианте жесткость конструкции в плоскости колонн и ригелей вполне достаточна, а для увеличения жесткости в направлении, перпендикулярном этой плоскости, устанавливаются подкосы 8. Площадки обслуживания на агрегатах второго варианта крепятся между колоннами и имеют консольные части с откидными или раздвижными фартуками. Ветрозащита устанавливается только на площадках обслуживания. Конструкция АО в этом случае оказывается более легкой и менее металлоемкой. Агрегат такого типа входит, например, в состав наземного оборудования РКН тяжелого класса «Протон». 6 1 2 8 3 5 7 9 4 а) Рис. 3.21. Схемы высотных конструкций АО Площадки обслуживания монтируются на высотной конструкции и на платформах в зоне обслуживания РКН. Кроме площадок, на АО могут размещаться специальные балконы, на которых устанавливаются агрегаты различных технологических или вспомогательных систем. Конструктивные схемы и особенности крепления площадок к силовым элементам зависят от конструкции ракеты, типа АО и способа его отвода от ПС. Если доступ к ракете необходимо обеспечить только с одной стороны, то на подвижном (рис. 3.22, а) или полустационарном агрегате обслуживания площадки можно сделать неподвижными, при этом конструкция площадок получается предельно простой. 246 При наличии двух ферм с площадками (рис. 3.22, б) обеспечивается круговой доступ к РКН. Агрегаты обслуживания всех типов могут оборудоваться подвижными площадками, которые могут отводиться в горизонтальной (рис. 3.22, в) или в вертикальной (рис. 3.22, г) плоскостях. б) а) г) в) Рис. 3.22. Варианты размещения на АО и подвода к РКН площадок обслуживания В большинстве конструкций площадки имеют стационарную, т.е. неподвижную часть и откидные или разводные фартуки, которые в совокупности образуют либо кольцевую площадку, либо площадку, обеспечивающую односторонний подход к люкам ракеты. Возможные схемы площадок показаны на рис. 3.23. Разведение или подъем фартуков производится силовыми гидроцилиндрами. На рисунке цифрами обозначены следующие элементы: 1, 5 – колонны; 2, 7 – неподвижные части площадок; 3, 6 – силовые гидроцилиндры; 4, 8 – фартуки; 9 – дополнительные элементы; 10 – подвижная часть площадки. В конструкции, показанной на рис. 3.23, а, разведение фартуков 4, прикрепленных шарнирно к неподвижным частям площадки 2, осуществляется силовыми цилиндрами 3 в горизонтальной плоскости. Эта схема разведения удобна при консольном расположении фартуков относительно рамы, образованной колоннами 1, однако крепление фартука в одной точке (шарнире) по нагрузочной схеме нельзя считать нормальным. 247 В конструкции, показанной на рис. 3.23, б, фартуки 8 перемещаются гидроцилиндрами 6 горизонтально по направляющим, смонтированным на неподвижных частях площадок 7 между фермами 5. Для обслуживания ракет, ступени которых состоят из нескольких блоков, собранных по схеме «пакет», для доступа к отдельным зонам может потребоваться применение площадок сложной конфигурации (рис. 3.23, в). В таких случаях подвижная часть площадки 10 может содержать дополнительный элемент 9, выдвигаемый в сторону труднодоступной зоны. 1 3 2 5 4 6 7 а) 9 10 8 б) в) Рис. 3.23. Варианты схем площадок обслуживания с подвижными частями конструкции Если АО относится к числу стационарных, то площадки обслуживания размещаются на поворотных мостках и в рабочем положении пристыковываются к ракете. Для компенсации взаимных перемещений ракеты и площадок при колебаниях под действием ветра в их конструкциях предусматриваются специальные устройства. Конструктивное оформление площадок и их оборудование зависит от характера операций по обслуживанию РKH, выполняемых с площадок обслуживания. Так, если с площадок производится заправка ракеты компонентами топлива, то они оборудуются соответствующими наполнительными устройствами, системами смыва пролитых компонентов, сбора промышленных стоков, пожаротушения и т.п. Соответствующее оборудование устанавливается также на площадках, предназначенных для обслуживания КА. 248 Состав технологического оборудования агрегатов обслуживания Состав и техническая реализация как технологических, так и технических систем на АО определяются потребностями РКН при ее подготовке к пуску, выбранной концепции построения всего СК, а также целым рядом эксплуатационных задач, определяющих внутренние, не связанные с РКН свойства АО, как самостоятельного агрегата. В обобщенном виде состав технологических и технических функций агрегата обслуживания можно разделить на «внешние» функции, обусловленные выполнением операций с РКН и другими агрегатами стартового комплекса, и «внутренние» функции, обеспечивающие эксплуатацию агрегата. «Внешние» функции: обеспечение доступа обслуживающего персонала к РКН и оборудованию АО; обеспечение механических, электрических, пневматических и гидравлических связей с агрегатами технологического оборудования СК; установка РКН в требуемое положение; сборка РКН; ветровое крепление РКН; взведение кабель-мачты; обеспечение механических, электрических, пневматических и гидравлических связей с РКН; термостатирование КА; подача КРТ для заправки РКН; замена КА. «Внутренние» функции: передвижение агрегата; освещение; обеспечение температурно-влажностного режима; газовый контроль; нейтрализация паров КРТ; пожаротушение; эвакуация экипажа и обслуживающего персонала; подъем и перемещение грузов. 249 Данные функции реализуются оборудованием, в числе которого: механизм передвижения; устройства ветрового крепления АО; механизмы взведения кабель-мачты и связи с агрегатами технологического оборудования СК; устройства ветрового крепления РКН; оборудование стыковки и отвода коммуникаций; система освещения; система вентиляции; системы управления площадками обслуживания; лифты; подъемно-перегрузочное оборудование АО; система обеспечения температурно-влажностного режима АО; система термостатирования КА; система заправки РКН компонентами ракетного топлива; система нейтрализации проливов КРТ; система промстоков; система газового контроля; система пожаротушения; система экстренной эвакуации экипажа и обслуживающего персонала; системы контроля и управления. 3.2.3. Механизмы передвижения агрегатов обслуживания Механизм передвижения обеспечивает перемещение АО по рельсовому пути стартовой площадки при подводе его к ПС и отводе на безопасное расстояние перед пуском ракеты. Он состоит из ходовой части и привода с системой управления. Согласованно с механизмом передвижения работают противоугонные захваты. Рельсовый путь подвижных агрегатов обслуживания имеет широкую (сравнимую с шириной платформы АО) колею между двумя рельсами, или две пары рельсов. На существующих агрегатах обслуживания отечественных РКК механизмы передвижения, в основном, однотипны. В них используется так называемая балансирная подвеска колес с независимым электромеханическим приводом. Ходовая часть конструктивно состоит из четырех ходовых тележек, на которые опирается платформа. 250 На рис. 3.24 цифрами обозначены следующие элементы: 1 – тележка; 2 – малый балансир; 3 – большой балансир; 4 – шарнир; 5 – привод тележки. Каждая ходовая тележка включает в себя набор тележек 1, объединенных между собой многокаскадной балансирной подвеской, обеспечивающей равномерное распределение нагрузки между всеми колесами. Каждая приводная тележка оборудуется самостоятельным приводом 5. Часть приводных тележек может заменяться неприводными тележками, если требуемые характеристики механизма передвижения будут достигаться при выбранном соотношении приводных и неприводных тележек. Балансирная система содержит малые 2 и большие балансирные рычаги 3, соединенные между собой и с платформой шарнирами 4. Рис. 3.24. Схема ходовой тележки Количество приводных и неприводных тележек определяется допустимой нагрузкой на колесо и рельсовый путь. Если таких тележек четыре (а в общем случае это число кратное четырем), то балансирная система оказывается составленной из симметричных рычагов, как это показано на рис. 3.25, а. а) б) Рис. 3.25. Варианты схем балансирых систем 251 Если таких тележек, например, шесть (рис. 3.25, б), то приходится, для выравнивания нагрузки на всех тележках, кроме симметричных рычагов, использовать и несимметричные рычаги. Привод механизма передвижения выполняется, как правило, в виде механического устройства с электродвигателем. Для передвижения по рельсовому пути с широкой колеей между двумя отдельными рельсами в связи с большим весом АО все колеса приводных тележек делаются ведущими. Кроме того, многокаскадная балансирная подвеска обуславливает установку привода непосредственно на каждую пару колес, объединенных в приводную тележку.На рис. 3.26 показан один из вариантов схемы привода. Привод (рис. 3.26) состоит из электродвигателя 1 со встроенным тормозом, редуктора 2, ведущей шестерни 3 и двух ведомых шестерен 4, закрепленных на ступицах ходовых колес 5. Для снижения сопротивления ходовые колеса снабжены подшипниками качения 6. Поскольку путевая скорость агрегатов обслуживания невелика (10 – 12 м/мин), то редуктор должен иметь большое передаточное число, а для удобства компоновки на ходовой тележке он должен иметь к тому же небольшие габариты. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют червячные редукторы, хотя они дороже цилиндрических из-за использования в червячной паре цветных металлов и более сложной технологии изготовления. Червячные редукторы являются, как правило, самотормозящимися, что облегчает выполнение задачи точной остановки агрегата обслуживания при подводе его к ракете. 1 2 3 4 5 6 Рис. 3.26. Схема привода 252 тележки Эта задача непростая, если учесть, что агрегаты имеют большую инерционную массу и подвержены действию больших ветровых нагрузок. Однако наличие самотормозящихся червячных редукторов в механизме передвижения агрегата делает невозможным его аварийный отвод от ракеты с помощью внешних средств тяги при отсутствии питания приводных электродвигателей. Учитывая это, в механизмах передвижения на последних моделях агрегатов обслуживания предпочтение отдается редукторам с цилиндрическими колесами. Для передвижения по рельсовому пути с двумя парами рельсов приводные тележки объединяются в ходовую тележку с параллельным расположением колес. Для обеспечения требуемого положения агрегата на рельсах в механизме передвижения, как правило, применяют двухребордные колеса. Расчет числа колес Подвижность агрегата обслуживания обеспечивается использованием специальной ходовой части. При общем весе АО порядка 1000÷2000 т использование железнодорожного полотна невозможно из-за ограничений по габаритам и допустимой нагрузке на ось (для железных дорог допустимая нагрузка ограничена значением 30 т). Поэтому для подъездных путей для АО применяют специальные крановые рельсы, допускающие нагрузку на ось порядка 50 т. Крановые рельсыотличает более широкая шейка, а так же увеличенная площадь подошвы и головки. Связано это с необходимостью оптимального распределения немалой нагрузки, которую оказывают АО. Рассмотрим расчет требуемого числа колес на примере двухребордного колеса (рис. 3.27) с цилиндрической поверхностью качения. Такое колесо обеспечивает требуемые условия передачи эксплуатационных нагрузок при отсутствии значительной криволинейности пути. b Dхк Рис. 3.27. Двухребордное колесо 253 Общее число ходовых колес АО определяется по методике для конструкций, работающих с точечными нагрузками: где kf =1,0 ÷1,1 – коэффициент, учитывающий силы трения в создании напряжений в месте контакта; E– модуль упругости материала рельса; [] – предельное напряжение сжатия; b– ширина опорной части колеса; Dхк– диаметр колеса. Для специальных сталей = 430÷650 МПа. Задача равномерного распределения нагрузки на каждое колесо решается через введение в ходовую часть системы балансиров (см. рис. 3.25). В дальнейшем необходимо оценить, сколько колес из общего числа должны быть приводными (например, в железнодорожных составах приводными являются только колеса локомотива, которых гораздо меньше, чем во всем составе). Для агрегата обслуживания число m приводных колес может быть меньше или равно общему числу ходовых колес: Выбор количества приводных колес осуществляется на основе расчета силы сцепления, необходимой для движения агрегата, при этом предполагается, что сопротивление движению агрегата оказывают сила ветра Fв, сила инерции Fин, сила трения в колесах Fтр и составляющая силы веса агрегата при наличии уклона рельсовых путей Fукл. Сила сцепления приводных колес должна быть больше суммы сил сопротивления: (3.2) Силу трения в колесах обычно рассчитывают через суммарный момент трения в колесах: (3.3) при этом необходимо учитывать, что момент трения в приводных и неприводных колесах разный: . (3.4) Момент трения для неприводных колес состоит из момента трения в цапфе колеса и момента трения колеса о рельс при качении: а для приводных колес он обусловлен только трением качения: . 254 Для определения моментов трения рассмотрим схему на рис. 3.28. Fт Fт n n Dхк d R R а) б) Рис. 3.28. Схема для определения моментов трения Будем полагать, что нагрузка от веса агрегата равномерно распределена на каждое из неприводных (рис. 3.28, а) и приводных (рис. 3.28, б) колес. Равнодействующая сил реакции опоры на нагрузку , равная , при движении колеса смещается от оси цапфы на величину м. Для неприводного колеса в подшипнике качения трение определяется через коэффициент трения f. Тогда для каждого неприводного колеса: (3.5) где d – диаметр цапфы, а для каждого приводного колеса: (3.6) Подставляя (3.5) и (3.6) в (3.4), получим: 255 или d m d M F ( f 2 ) n F f 2 . тр т т (3.7) Подставляя (3.7) в формулу (3.3), получаем: 2 2 d m d d m Fтр Fт F f f f 1 . т 2 n Dхк Dхк n Dхк Dхк Сила сцепления определяется через сцепной вес и коэффициент сцепления ( = 0,12 – 0,2): Fсц m Fт . n Таким образом, общее условие передвижения (3.2) примет вид: F 2 m d m Fт т a Fт f 1 Fв Fт . (3.8) n Dхк n Dхк g tном Для обеспечения необходимого превышения движущих сил над силами сопротивления движению в неравенство (3.8) вводят коэффициент запаса по сцеплению kсц = 1,1–1,2 и коэффициент трения реборд о рельсы kр = 1,3–2,5, тогда F 2 m d m Fт kсц т a k р Fт f 1 Fв Fт . n Dхк n Dхк g tном Очевидно, что наилучшие результаты по сцеплению могут быть получены при условии, что все колеса приводные, т.е. m = n. 3.2.4. Противоугонные захваты агрегатов обслуживания Противоугонные захваты обеспечивают необходимую устойчивость агрегата обслуживания по скольжению и вместе со встроенными тормозами приводных электродвигателей предотвращают самопроизвольное его перемещение под действием ветра. Эти задачи решаются за счет надежной фиксации агрегата относительно рельс при любой его остановке. Противоугонные захваты (рис. 3.29) устанавливаются посередине базы на продольных балках платформ. На рисункецифрами обозначены следующие элементы: 1 – корпус; 2 – траверса; 3 – клин; 4 – ролик; 5 – пружина; 6 – рычаг; 7 – каток; 8 – губка; 9 – рельс; 10 – каретка; 11 – домкрат. 256 Фиксация агрегата относительно рельсового пути достигается за счет сил трения между специальными губками 8 с насечкой на рабочих поверхностях и головками рельс 9. Губки являются частью рычагов 6, служащих рабочими органами захватов. Рычаги крепятся на осях к каретке 10. Усилие поджатия губок к рельсу создается клиньями 3. 1 2 3 4 5 6 7 11 9 10 8 Рис. 3.29. Противоугонные захваты При подъеме клиньев пружина 5 обеспечивает стягивание верхних концов рычагов, что позволяет отвести губки от рельса. Подъем клиньев осуществляется гидравлическим домкратом 11 через траверсу 2, а опускание – под действием собственного веса. Каретка имеет свободу вертикальных перемещений относительно корпуса 1 и опирается на рельс через катки 7. За счет этого губки рычагов всегда размещаются напротив головки рельса. 257 Возникающая сила трения между губками и рельсом направлена вдоль рельса и передается с рычагов на раму каретки, а далее от нее на корпус противоугонных захватов и на платформу АО. Противоугонные захваты предотвращают потерю устойчивости агрегата по скольжению, но никак не влияют на его устойчивость по опрокидыванию, так как рычаги 6 в вертикальном направлении не имеют захвата, а корпус 1 – связи. Система управления противоугонными захватами обеспечивает их немедленное срабатывание при любой остановке АО. Приведенная выше конструктивная схема противоугонных захватов является типичной для большинства отечественных АО. Расчет силы противоугонных захватов Противоугонные захваты должны обеспечивать неподвижное положение агрегата при действии угонной силы, которая определяется выражением Fуг Fв Fсопр Fукл , при этом учитывается ветровая нагрузка предельного состояния. Принимая во внимание, что неподвижное положение агрегата обслуживания необходимо обеспечивать и в нештатных ситуациях, конструкция привода противоугонных захватов должна обеспечить включение захватов в работу даже при неработающей системе энергоснабжения агрегата обслуживания и выходе из строя гидравлического оборудования. Кинематическая схема механизмов противоугонных захватов показана на рис. 3.30, где цифрами обозначены следующие элементы: 1 – накладка; 2 – пружина; 3 – клещи; 4 – каток; 5 – клин; 6 – гидродомкрат. В состав противоугонных захватов входят (рис. 3.30) клещи 3, один конец рычага которых имеет специальные накладки 1 с насечкой для повышения сцепления с головкой рельсов. Другой конец клещей оснащен катками 4, обкатывающими массивный клин 5, поднимаемый для передвижения агрегата гидродомкратом 6. Пружина 2 обеспечивает поджатие верхних частей рычагов к клину. Дополнительная сила сопротивления Rпз, удерживающая агрегат обслуживания от угона или движения юзом по рельсам, должна быть больше угонной силы: Rпз Fуг . 258 Рис. 3.30. Кинематическая схема механизмов противоугонных захватов Дополнительная сила сопротивления определяется силой Fпз прижатия рычага к рельсу, коэффициентом fпз трения накладок о рельс (fпз = 0,15 ÷0,3) и числом nпз противоугонных захватов: Rпз 2Fпз f пзnпз . (3.9) Для расчета геометрических и массовых характеристик противоугонных захватов рассмотрим схему на рис. 3.31. 259 В точке контакта клина и катка при движении клина действуют сила реакции клина на каток N, соответствующая нормальной к поверхности клина составляющей силы тяжести: N Fт кл sin , 2 и сила трения Fткл. Равнодействующая сила R определяется на основе геометрических построений как R N F sin т . cos 2 cos S Fт кл 2 N R Fтркл a b А c Fпз Рис. 3.31. Схема для определения силы прижатия рычага к рельсу Сила трения клина намного меньше силы реакции, поэтому их равнодействующая R незначительно отклоняется от нормали к поверхности клина (ρ≈3º), вследствие этого в приближенных расчетах можно пренебречь силой трения между клином и катком и полагать, что R ≈ N. Для определения силы давления Fпз накладки на рельс составим уравнение равновесия: S (a b) Fпрb Fпзc , где S – проекция равнодействующей силы R на горизонтальную ось. 260 Если силой трения в явном виде пренебрегаем, то S Fт кл 1 2 tg ( ) Fпз и S (a b) Fпрb c . Сила пружины Fпр выбирается из условия обеспечения гарантированного поджатия ролика рычага к клину и определяется из выражения где Mрыч – момент от силы тяжести рычага относительно оси шарнира при зажатом рельсе, равный Fт рычe ; kрыч – коэффициент запаса для рычага, kрыч = 1,5÷2; e – плечо действия силы тяжести. На рис. 3.32 показаны примерная форма и параметры рычага, которые учитываются при выборе пружины. Высота подъема (ход) клина h назначается исходя из необходимой величины ε отхода рабочей поверхности клещей от головки рельса (ε = 6÷8 мм): ab h kкл , c tg где kкл – коэффициент запаса хода клина, kкл = 1,5. a Fтрыч Fп р b c e Рис. 3.32. Параметры рычага, которые учитываются при выборе пружины Угол клина выбирается, как правило, в диапазоне от 4 до 6º. При уменьшении угла клина прижимающее усилие будет возрастать, но также будет расти и необходимая высота подъема клина. 261 3.2.5. Системы доставки и эвакуации персонала Одной из важнейших задач, которые решаются при создании ракетнокосмических комплексов, является задача спасения людей в случае аварии на стартовой позиции. На пилотируемых РКН имеются свои системы аварийного спасения, но их применение на стадии подготовки РКН к пуску может оказаться невозможным. Поэтому агрегаты стартового комплекса, обеспечивающие посадку экипажей пилотируемых космических аппаратов, должны также обеспечивать и их эвакуацию. Значительное количество людей выполняет работы по подготовке РКН к пуску, находясь на агрегате обслуживания. Авария на стартовом комплексе может возникнуть в любой момент подготовки РКН (или даже в межпусковой период), поэтому средства эвакуации рассчитаны не только на спасение экипажей космических аппаратов, но и обслуживающего персонала. Доставка персонала и экипажа к космическому кораблю производится в штатном порядке, поэтому для выполнения этой задачи могут использоваться лифты агрегатов обслуживания или специальные агрегаты. Для организации посадки в орбитальный корабль может потребоваться создание шлюзовых камер (или камер чистоты). При разработке средств эвакуации учитывают множество факторов. Так, авария на стартовом комплексе, помимо мощной взрывной волны, опасна высокой токсичностью компонентов ракетного топлива и значительными температурами возможных пожаров (в среде кислорода горит даже металл). При аварии на стартовом комплексе взрыва может и не быть, но возможен пожар и загазованность помещений башни обслуживания. Пожар на средних ярусах башни приводит к тому, что горит все, что находится выше очага пожара. Задача эвакуации экипажа на завершающих этапах подготовки РКН к пуску осложняется еще тем, что члены экипажа герметично закрыты в космическом аппарате под головным обтекателем РКН, а, кроме этого, они одеты в скафандры, не предназначенные для бега по сооружениям. К средствам эвакуации предъявляют следующий набор требований: 1. Эвакуация должна быть проведена до наступления катастрофы (это требование может реализовываться введением в систему эвакуации средств диагностики). 262 2. Процесс эвакуации должен быть организован так, чтобы обеспечить заданную степень защиты всем эвакуируемым людям от паров компонентов ракетного топлива, газов, образующихся при горении, и от значительных тепловых потоков. 3. Производительность и доступность систем эвакуации должны обеспечить возможность покинуть опасные зоны всем, кто находится в них. 4. В процессе эвакуации спасаемые люди не должны испытывать болевых ощущений и получать психических травм, то есть перегрузкидолжны быть ограничены, и не должно быть страха при использовании средств эвакуации. 5. Система эвакуации должна быть надежной, автономной и постоянно готовой к применению при любых условиях (как правило, это требование приводит к использованию в качестве источника энергии для систем эвакуации сил тяжести). 6. Учитывая психологическое состояние людей и возможность получения ими травм к моменту эвакуации, следует исключать необходимость управления средством эвакуации эвакуируемыми людьми. Обеспечить выполнение всех этих требований достаточно сложно, так как в процессе эвакуации необходимо преодолеть значительные расстояния при ограничениях по времени и перегрузкам. На стартовом комплексе для ракет семейства «Союз» в настоящее время задача доставки как экипажей космических аппаратов, так и обслуживающего персонала на площадки ферм обслуживания и эвакуации с них возложена на лифты колонн обслуживания 11Т11. Для выполнения требований, предъявляемых к системам эвакуации, в систему управления лифтами введен режим экстренного спуска, позволяющий произвести спуск кабины лифта в обход всех блокировок (перегрузка, незакрытые двери и др.). Для эвакуации экипажа, при его нахождении в космическом корабле, во время завершения подготовки к пуску может использоваться система аварийного спасения, установленная на РКН. Приведенные выше технические решения по доставке и эвакуации фактически не обеспечивают выполнения основных требований к средствам эвакуации. При создании технологического оборудования для подготовки и пуска РКН «Зенит» на стартовом комплексе в состав агрегата обслуживания была включена система эвакуации персонала (а при необходимости и экипажа), отличающаяся простотой и эффективностью[17]. 263 Система эвакуации (рис. 3.33) представляет собой теплоизолированную шахту 5, которая после перевода башни обслуживания в рабочее положение герметично стыкуется своим фланцем 2 с фланцем бункера 1. Внутри шахты 5 размещен эластичный рукав 9, упругость которого при попадании в него людей обеспечивает регулирование скорости падения до 1 м/с. Для обеспечения возможности эвакуации людей с любого яруса верхняя часть эластичного рукава выполнена из раздельных элементов 8, последовательно переходящих один в другой и затем в основной рукав 9. Подъем экипажа космического аппарата и обслуживающего персонала на площадки башни обслуживания осуществляется с помощью лифта. Обслуживающий персонал также может воспользоваться лестничными маршами. В случае аварийной ситуации экипаж (обслуживающий персонал) по площадкам 6 проходит в тамбуры 7 и оттуда спрыгивает в эластичный рукав и, скользя в рукаве, спускается в бункер 3. Бункер связан потерной с выходом на поверхность, расположенным на безопасном расстоянии. Рис. 3.33. Система эвакуации в составе агрегата обслуживания для РКН «Зенит» 264 Подобное решение для системы эвакуации персонала (экипажа) в настоящее время реализовано на кабель-заправочной башне стартового комплекса для РКН «Ангара» (космодром «Плесецк») и на мобильной башне обслуживания стартового комплекса для РКН «Союз» (космодром «Восточный). Создание средства доставки и эвакуации экипажа (персонала), как отдельного вида оборудования из состава средств обслуживания, возможно для комплексов ракет тяжелого или сверхтяжелого классов. Тогда размеры стартовой позиции позволяют ещЕ на этапе проектирования не только обеспечить компоновку оборудования на СП, но и, при необходимости, передать часть функций агрегата обслуживания на агрегат, служащий основой для СДЭЭ. Для ракетно-космического комплекса «Энергия» был создан специальный агрегат посадки и экстренной эвакуации (АПЭЭЭ, индекс 17Т54), обеспечивающий доставку и посадку в орбитальный корабль космонавтов, а также экстренную эвакуацию членов экипажа и обслуживающего персонала. Агрегат предназначен для выполнения следующих функций: доставки космонавтов из специального защищенного сооружения наклонным подъемником на площадку, расположенную на высоте входного люка орбитального корабля «Буран»; посадки космонавтов через кабину агрегата в орбитальный корабль; экстренной эвакуации космонавтов в случае аварийной ситуации в защищенное сооружение; защиты космонавтов, находящихся в защитном сооружении; размещения на нем коммуникаций и технологических систем; отвода коммуникаций от РКН с орбитальным кораблем «Буран». Агрегат посадки и экстренной эвакуации (рис. 3.34) представляет собой стационарную башню 9, смонтированную на фундаменте стартового сооружения 1. Несущая конструкция башни состоит из основной высотной конструкции, подкоса и двух стационаров 5, 7. На верхнем стационаре 7 установлена поворотная площадка 6, на которой размещены технологическое оборудование, коммуникации и устройство отвода. На нижнем стационаре 5 установлена поворотная кабина 4, обеспечивающая посадку космонавтов в орбитальный корабль «Буран». Отвод-подвод кабины и площадки осуществляется гидропневмоприводами 2, 8. Доставка обслуживающего персонала на необходимые уровни башнибашни осуществляется двумя грузопассажирскими лифтами, шахты которых проходят внутри высотной конструкции. Для перехода персонала с площадки на площадку внутри башни имеются лестничные марши. 265 Рис. 3.34. Агрегат посадки и экстренной эвакуации экипажа для РКК «Энергия» 266 Башня соединена с защитным сооружением 15 галереями доставки 11 и эвакуации 3, 13. Галереи поддерживаются опорами17. По галерее доставки 11 проходит трасса 21 наклонного подъемника. Внутри галереи эвакуации 3, 13 находятся металлический эвакуационный склиз 18 и лестница 19. В верхней зоне поворотной части 3 галереи эвакуации, на стыке с кабиной 4 размещается смачивающее устройство. В защитном сооружении 15 размещены: оборудование защитного сооружения, защитные двери, оборудование наддува, часть наклонного подъемника. Оборудование наддува предназначено для создания избыточного давления в галереях в любое время года и поддержания температуры внутри галерей не ниже +5°С в самое холодное время. Измерение температуры внутри галерей производится термодатчиками. В защитном сооружении смонтировано оборудование для торможения спускающихся по эвакуационному склизу космонавтов. Оборудование состоит из горок, площадок, барьеров, стенок и дорожки. Эти устройства выполнены в виде рамных конструкций с мягким наполнителем, обтянутым тканевой оболочкой. На стенках наполнитель нанесен на плоские сплошные поверхности. Горки и площадки закрыты дорожкой, которая заземлена для обеспечения отвода статического электричества. При съезде людей с эвакуационного склиза на дорожку торможение происходит за счет трения. Галерея доставки выполнена в виде двух цилиндрических оболочек, соединенных между собой шпангоутами. Внутренняя оболочка имеет в сечении форму незамкнутой окружности и приварена к основанию, на котором закреплены рельсы наклонного подъемника. Галерея доставки опирается на общие с галереей эвакуации опоры 17. Наклонный подъемник предназначен для подъема (спуска) космонавтов из защитного сооружения на площадку посадки. Наклонный подъемник состоит из самоходной тележки 16 с шестнадцатью креслами и трассы 14, идущей из защитного сооружения 15 в галерею доставки 11. Время подъема тележки из защитного сооружения до площадок 20 в горизонтальной части галереи доставки составляет примерно 30 с, а опускания – примерно 25 с. Площадки 20 предназначены для выхода космонавтов с самоходной тележки и соединены дверным проемом с переходным коридором 10, который обеспечивает защиту от внешних воздействий космонавтов, находящихся на переходе от галереи доставки к кабине посадки. 267 Кабина выполнена в виде сварной коробки Г-образной формы, которая через гибкий рукав соединена с переходным коридором. Галерея эвакуации предназначена для эвакуации космонавтов и их защиты от внешних воздействий в аварийных ситуациях. Галерея состоит из поворотной и неподвижной частей. Поворотная часть галереи одним концом закреплена на кабине посадки, а другим через поворотное устройство соединена с неподвижной частью. В положении кабины «у орбитальной ступени» уплотнение поворотного устройства защищает внутреннюю полость галереи от пыли, ветра и атмосферных осадков. Для компенсации изменения длины галереи эвакуации, вызванного изменениями температуры окружающей среды, а также компенсации перемещений, вызванных возможным несовпадением осей поворота кабины и поворотного устройства, в неподвижной части галереи эвакуации предусмотрен сильфон 12. Для перехода из поворотной части в неподвижную при любом положении кабины имеются две вертикальные лестницы. По всей длине галереи эвакуации проходят лестница 19 и эвакуационный склиз 18, предназначенный для экстренной эвакуации космонавтов из кабины в защитное сооружение. Кроме того, в галерееразмещено смачивающее устройство, служащее для подачи жидкости на склиз в целях снижения коэффициента трения. Склиз выполнен из тонколистовой нержавеющей стали в виде желоба, состоящего из боковых стенок и настилов. В месте установки на галерее эвакуации сильфона 12 склиз имеет разрыв. В этом месте боковые стенки и настил склиза соединены внахлест. В состав агрегата входят гидропневмоприводы кабины и площадки. Исполнительными механизмами гидропневмоприводов 2 и 8, размещенных в стационарах 5 и 7, являются гидропневмоцилиндры, гидроцилиндры и гидротормоза. Гидропневмопривод8 кабины 4 обеспечивает медленный и быстрый отвод кабины с помощью гидропривода, а также экстренный подвод кабины, осуществляемый пневмоприводом за счет энергии сжатого азота. При выполнении медленного подвода кабины рабочая жидкость насосом подается в полость прямого давления гидроцилиндра. Происходит медленное выдвижение штока, и кабина медленно подводится к орбитальной ступени. Аналогично происходит медленный отвод за счет подачи рабочей жидкости в полость противодавления гидроцилиндра. Быстрый отвод кабины осуществляется за счет включения в работу шести насосов. Для предотвращения удара в конце пути отвода скорость движения кабины снижается путем остановки четырех насосов из шести. 268 Для обеспечения экстренного подвода кабины за 20 минут до старта проводится заполнение газом баллона высокого давления пневмопривода. При экстренном подводе кабины подрываются пиропатроны пусковых клапанов пневмопривода, и сжатый газ из баллона поступает в газовую полость гидропневмоцилиндра и в гидрозамок, который соединяет полость противодавления гидропневмоцилиндра с маслобаком. Давлением газа производится быстрое вытеснение жидкости из полости противодавления, в результате скорость выдвижения штока, а следовательно, и скорость движения кабины резко возрастают. Происходит экстренный подвод кабины к орбитальной ступени, и создаются условия для быстрой эвакуации космонавтов с борта орбитальной ступени. Плавность подхода кабины к орбитальной ступени при выполнении экстренного подвода обеспечена за счет подбора плеча рычага подвода и усилия, создаваемого гидропневмоцилиндром. После экстренного подвода кабины включается блокировка, запрещающая включение гидропневмопривода на отвод кабины, так как полость прямого давления гидропневмоцилиндра в этот момент заполнена газом, а не рабочей жидкостью. Для снятия блокировки необходимо произвести дренаж газа из полости прямого давления и заполнить эту полость рабочей жидкостью. Гидропневмопривод8 площадки 7 обеспечивает ее медленный подвод и отвод с помощью гидропривода, а также быстрый отвод площадки, осуществляемый пневмоприводом за счет энергии сжатого азота. Фиксация площадки в подведенном положении осуществляется замковым устройством, блокирующим шток гидропневмоцилиндра. Перед отводом площадки это устройство снимается. После этого возможно включение насосов для подачи жидкости в полость прямого давления гидропневмоцилиндра площадки. Для гашения скорости площадки в конце процесса отвода предусмотрен гидродемпфер, шток которого площадка задвигает, в результате чего скорость движения площадки снижается и к моменту выхода в крайнее положение отвода становится равной нулю. Для подвода площадки жидкость подается в полость противодавления гидропневмоцилиндра, шток которого начинает выдвигаться и подводить площадку к орбитальной ступени. Регулирование скорости подвода площадки производится автоматически. Остановка площадки осуществляется по сигналу датчика путем обесточивания электродвигателя насоса и запиранием канала подачи рабочей жидкости в полость прямого давления гидропневмоцилиндра. 269 После подвода площадки к орбитальной ступени на гидропневмоцилиндр устанавливается разрывное устройство. За 20 минут до старта производится заполнение газом баллона высокого давления гидропневмопривода отвода площадки, а полость противодавления гидропневмоцилиндра соединяется непосредственно с баком рабочей жидкости. Для осуществления быстрого отвода площадки подрываются пироболты замкового устройства, и оно раскрывается. Газ из баллона высокого давления подается в газовую полость гидропневмоцилиндра и выдвигает шток. Начинается отвод площадки. Скорость выдвижения штока определяется подобранным проходным сечением дросселя. Торможение площадки в конце процесса отвода осуществляется гидродемпфером. После выполнения быстрого отвода включается блокировка, запрещающая включение гидропневмопривода на подвод площадки к РН. Для подвода площадки блокировку следует снять. Порядок посадки и эвакуации экипажа следующий. Площадка и кабина подводятся к орбитальной ступени, и кабина стыкуется с орбитальной ступенью. Включается оборудование наддува. Космонавты прибывают в защитное сооружение, из которогонаклонным подъемником доставляются на высоту расположения входных люков орбитальной ступени. По переходному коридору космонавты проходят в кабину, через которую выходят к входным люкам орбитальной ступени для посадки в нее. После завершения посадки кабина и площадка отводятся от орбитальной ступени. При получении космонавтами команды на эвакуацию в процессе доставки наклонный подъемник опускается в защитное сооружение, и космонавты проходят внутрь сооружения через дверь. При получении команды на эвакуацию после выхода из наклонного подъемника на высоте посадки космонавты через кабину проходят в галерею эвакуации и по эвакуационному склизу съезжают в защитное сооружение. После затормаживания космонавты проходят в защищенную часть сооружения, закрывая за собой двери. При получении команды на эвакуацию при нахождении космонавтов внутри орбитальной ступени и отведенной кабине последняя экстренно подводится к ступени гидропневмоприводом, экипаж покидает орбитальную ступень и эвакуируется по эвакуационному склизу описанным выше способом. 270 3.2.6. Устойчивость агрегатов обслуживания Если агрегат обслуживания выполнен в виде подвижного агрегата и поэтому не может иметь постоянной связи со стартовой площадкой, то этот агрегат должен быть проверен на устойчивость по опрокидыванию и скольжению при действии рабочих и предельных нагрузок. К числу нагрузок, способствующих потере устойчивости агрегата, относятся: суммарная (статическая и динамическая) фронтальная и боковая ветровые нагрузки для рабочего и предельного состояний; инерционные силы агрегата при торможении, определяемые выражением Fин Ga а tт , где Gа – масса агрегата; а – скорость передвижения агрегата; t т – время торможения. Проекция силы веса агрегата на линию передвижения при наличии уклона рельсовых путей Fукл Fт sin Fт , где = 0,005 – максимально допустимый уклон рельсового пути. Стабилизирующими нагрузками являются: вес агрегата; сила торможения колес; сила торможения противоугонных захватов. Рассмотрим методику оценки устойчивости при действии рабочих и предельных нагрузок. 271 Устойчивость агрегата по опрокидыванию Устойчивость агрегата по опрокидыванию при действии штатных нагрузок проверяется обычно только в боковом направлении и оценивается коэффициентом устойчивости по опрокидыванию: опр k уст где М стаб опр k уст , М опр Мстаб – стабилизирующий момент; Мопр – опрокидывающий момент; – нормативный коэффициент устойчивости по опрокидыванию. Опрокидывающий момент можно найти по формуле М опр Fв hв , где hв– плечо действия силы ветра (рис. 3.35). Fв Fт hв а Рис. 3.35. Схема для расчета устойчивости по опрокидыванию Стабилизирующий момент создается силой тяжести: М стаб Fт a Gа ga , где а – плечо действия силы веса. 272 Устойчивость агрегата по скольжению Устойчивость агрегата по скольжению при действии штатных нагрузок проверяется для неподвижного положения агрегата и оценивается коэффициентом устойчивости по скольжению: ск Fсопр ск ск , k уст k уст Fв Fукл где ск – сила сопротивления скольжению агрегата; Fсопр – нормативный коэффициент устойчивости по скольжению. Нормативные коэффициенты устойчивости для всех состояний и видов устойчивости определяются так: . Коэффициент неучтенных факторов принимается равным 1,1 при проектировании агрегата или при изменении условий эксплуатации уже изготовленных агрегатов. Коэффициент учитывает состояние нагружения агрегата и вид устойчивости (табл. 3.11). Таблица 3.11 Значения коэффициента, учитывающего состояние нагружения агрегата и вид устойчивости Вид устойчивости Режим по опрокидыванию по скольжению Рабочее состояние 1,1 1,25 Предельное состояние 1,0 1,1 Сила сопротивления Fсопр при расчете устойчивости по скольжению опреск деляется суммой силы торможения колес и силы трения в противоугонных захватах ск Fсопр Fтрск Fзахв . Сила торможения колес в данном расчетном случае зависит от числа колес, связанных с тормозными устройствами, и коэффициента трения F Fтрск m т f трск , n где m – число колес, связанных с тормозными устройствами, n – общее число колес, f трск – коэффициент трения скольжения. 273 3.3. Кабель-мачты 3.3.1. Назначение и классификация кабель-мачт Технологический процесс подготовки к пуску и пуска РКН включает ряд операций, выполнение которых невозможно без связи электрических, пневматических и гидравлических коммуникаций, проложенных на борту ракеты, с соответствующими коммуникациями систем на стартовом комплексе. Устройства связи коммуникаций могут располагаться на пусковых столах, агрегатах обслуживания, транспортно-установочном оборудовании или на специализированных агрегатах. Место расположения устройств связи определяется не только особенностями размещения соответствующих систем на стартовом комплексе, но и технологическими требованиями, задающими время расстыковки устройств по отношению к моменту пуска. Одна часть коммуникаций может разъединяться заблаговременно, после выполнения соответствующего этапа работ по подготовке РКН, например после заправки РН компонентами топлива (такие операции могут выполняться с непосредственным участием обслуживающего персонала). Другую часть коммуникаций необходимо разъединять при пуске. При этом должно осуществляться автоматическое отсоединение устройств связи и их отведение от ракеты в безопасную зону. Конструктивная реализация устройств связи, размыкаемых при пуске, возможна при использовании специализированных агрегатов, называемых кабель-мачтами, заправочно-дренажными мачтами (см. п. 3.1.1). В соответствии с нормативно-технической документацией кабель-мачта (КМ) представляет собой устройство, предназначенное для размещения электрических, пневматических и гидравлических коммуникаций, подвода их к РКН и отвода их после отстыковки от РКН до пуска или при пуске. Если стыковка или отстыковка коммуникаций проводится вручную, мачта может использоваться для доставки обслуживающего персонала на площадки обслуживания, оборудования и приборов к местам их установки. Заправочно-дренажная мачта (ЗДМ) предназначена для размещения заправочных и дренажных коммуникаций, механизмов их стыковки и отвода, подвода этих коммуникаций к РКН и отвода их после отстыковки от РКН до пуска или при пуске. При подготовке к пуску ракет с криогенными компонентами топлива наличие таких мачт позволяет не только выполнять заправку верхних ступеней РКН, но и проводить «захолаживание» магистралей, а также «подпитку» топливных баков до момента отрыва РКН от пускового стола. 274 Заправочно-дренажные мачты могут также использоваться для подвода, стыковки и отвода электрических, пневматических, гидравлических коммуникаций. В литературе и документации для подобных мачт может использоваться общее название кабель-заправочные мачты (КЗМ). В этом разделе учебника при дальнейшем описании общих вопросов устройства и функционирования КМ, ЗДМ и КЗМ будем использовать термин «кабель-мачта». Кабель-мачта не является обязательным агрегатом технологического оборудования стартового комплекса, она используется преимущественно для верхних ступеней РКН, прокладывание коммуникаций к которым через первую ступень ракеты-носителя не предусмотрено. Кабель-мачты выполняются в виде отдельного агрегата ТО СК, как примеры: КМ 11У29 в составе СК 11П865 (рис. 3.36, а) для РКН «Космос-3М», КМ 11У224 в составе СК 11П877 (рис. 3.36, б) для РКН «Зенит», КЗМ СМ 575 в составе СК 17П32 (рис. 3.36, в) для РКН семейства «Союз», или входят в состав других агрегатов, например: верхняя КМ и две нижние КМ в составе стартовой системы 8У0215 СК 17П32 (рис. 3.36, в); КМ в составе транспортно-установочного агрегата 11Т145 (рис. 3.36, г) для РКН «Циклон». СК 11П877 СК 11П865 СК 17П32 СК 11П868 11У224 11У29 11Т145 СМ 575 НКМ а) б) ВКМ в) Рис. 3.36. Кабель-мачты в составе отечественных СК 275 г) На стартовых комплексах иностранных государств применяются как кабель-заправочные мачты, так и кабель-заправочные башни – специальные агрегаты, смонтированные на подвижной стартовой платформе. Последние используются не только для размещения коммуникаций, но и для выполнения операций по обслуживанию РКН, посадки экипажа и аварийного покидания КА. Кабель-мачты должны соответствовать системе общих технических требований к технологическому оборудованию СК и его составным частям, изложенным в нормативных документах. Исходя из общих требований к ТО СК и назначения КМ, сформулируем специфические требования к кабель-мачтам: конструкция кабель-мачты автоматизированного СК должна обеспечивать дистанционное и автоматическое управление стыковкой (при необходимости), отстыковкой и отводом электро-, пневмо- и гидрокоммуникаций «земля – борт» для РКН, находящейся на пусковом столе; требуемую точность совмещения блоков разъемов с платой ракеты при стыковке и создание на них тарированной нагрузки; в конструкции кабель-мачт должны быть предусмотрены устройства для компенсации взаимных перемещений мачты и ракеты при воздействии ветровых нагрузок; при движении ракеты (после расстыковки) должно быть исключено соударение ракеты с кабель-мачтой; – блок-разъемы, кабельная сеть и основные механизмы кабель-мачты должны быть надежно защищены от воздействия газовой струи и атмосферы; при отводе кабель-мачты должен быть обеспечен допустимый уровень перегрузок металлоконструкции; при азимутальном наведении РКН на пусковом столе конструкция кабель-мачты должна обеспечивать отстыковку разъемов при любом положении ракеты. Из истории развития ракетно-космической техники известны различные варианты исполнения кабель-мачт. Первые КМ выполнялись неподвижными, в этом случае осуществлялся только отвод кабельных разъемов (рис. 3.37, а). Другой вариант предусматривал, при наличии неподвижной фермы, использование частично отводимого консольного элемента (рис. 3.37, б). 276 Основной недостаток этих вариантов – попадание всей конструкции мачты в зону воздействия газовой струи на начальном этапе движения ракеты. Кроме того, при боковом сносе ракеты под действием возмущающих факторов а) б) в) Рис. 3.37. Варианты исполнения кабель-мачт (порывов ветра, разнотяговости двигателей) повышается вероятность соударения ракеты с мачтой. В настоящее время конструктивные схемы большинства кабель-мачт предусматривают вывод из зоны действия газовой струи основной части мачты за счет поворота конструкции в вертикальной плоскости относительно неподвижного шарнира (см. рис. 3.36, а, б, в). В зоне действия газовой струи остается только неподвижное основание с поворотным устройством, через которое осуществляется подвод коммуникаций к мачте. На кабель-заправочных башнях конструктивная схема может предусматривать отвод связующего элемента в горизонтальной плоскости (рис. 3.37, в). Таким образом, конструктивные и функциональные особенности кабель-мачт позволяют рассматривать их классификацию по нескольким признакам. По назначению подводимых магистралей: кабель-мачты; заправочно-дренажные мачты; кабель-заправочные мачты. По плоскости отведения: вертикальные; горизонтальные. 277 По направлению стрелы относительно оси поворота (для вертикальных КМ): верхние; нижние. Рассмотрим основные этапы функционирования кабель-мачт и варианты их реализации. Перевод мачты в рабочее положение может осуществляться автономно (при наличии гидросистемы и силовых гидроцилиндров) или принудительно. Принудительно кабель-мачты взводятся за счет усилий, создаваемых при движении агрегата обслуживания или при подъеме транспортно-установочного агрегата. Удержание кабель-мачты в рабочем положении осуществляется с помощью специальных замков или под действием веса РКН. Стыковка устройств связи может происходить посредством механизмов стыковки коммуникаций (например, до подъема ракеты при наезде транспортно-установочного агрегата на ПУ) или вручную. При ручной стыковке доступ к местам расположения стыковочных устройств осуществляется с площадок агрегата обслуживания, кабель-мачты или транспортно-установочного агрегата. Отстыковка устройств связи осуществляется с помощью электромагнитных замков механизмов отстыковки коммуникаций или автоматически (ходом РКН). Безударность отвода разъемов и кабелей обеспечивается системой подтягивания и ловителями. Для защиты элементов, попадающих в зону воздействия газовой струи, применяются щитки и короба, специальные механизмы защиты. Возможна замена одноразовых элементов, но их количество должно быть минимальным. Мачты отводятся от ракеты под действием противовеса или с использованием пневмомеханической системы. Отвод нижних кабель-мачт может происходить под действием силы собственного веса. Торможение и безударная остановка мачты в отведенном положении происходит под действием силы сопротивления гидробуфера или пневмобуфера. 278 Типовой состав агрегата изображен на рис. 3.38. На рисунке цифрами обозначены следующие элементы: 1 – основание; 2 – мачта; 3 – площадка; 4 – ловитель; 5 – замок; 6 – устройство связи; 7 – механизм подтягивания; 8 – замок; 9 – противовес; 10 – гидродемпфер; 11 – гидродомкрат; 12 – гидросистема; 13 – система управления. 6 5 4 7 3 8 2 9 10 11 1 13 12 Рис. 3.38. Типовой состав кабель-мачты Мачта 2 шарнирно закреплена на неподвижном основании 1, внутри которого размещаются гидросистема 12 и система управления 13. В рабочее положение мачта переводится с помощью гидродомкрата 11 и удерживается в этом положении замком 8. Доступ к месту стыковки осуществляется с площадки 3. Замок 5 обеспечивает удержание устройства связи 6 в процессе подготовки РКН к пуску и возможность его отвода от РКН в требуемый момент времени. После отстыковки устройство связи подтягивается механизмом 7 к ловителю 4. Под действием противовеса 9 мачта отводится от РКН и тормозится с помощью гидродемпфера 10. 279 3.3.2. Условия эксплуатации кабель-мачт Силовые элементы, механизмы и системы кабель-мачт в процессе эксплуатации подвергаются различным нагрузкам, действующим как на агрегат в целом, так и на отдельные элементы. Различают нагрузки рабочего и нерабочего состояний кабель-мачты. В рабочем состоянии мачта может совершать движения при действии собственных механизмов и систем. Нерабочим состоянием считается такое, при котором эксплуатация мачты не допускается из-за неблагоприятных условий внешней среды или из-за необходимости проводить ремонтные или монтажные операции. Основными рабочими нагрузками являются: весовые и инерционные нагрузки, возникающие при неравномерном движении агрегата; нагрузки от ветрового потока; газодинамические и тепловые нагрузки, вызванные натеканием газовой струи работающей двигательной установки ракеты; тепловые нагрузки, вызываемые расширением (сжатием) конструкции при изменении температуры окружающей среды. Весовые и инерционные нагрузки Особенность действия на кабель-мачты весовых и инерционных нагрузок (по сравнению с остальными средствами обслуживания) связана с необходимостью вращения КМ при отводе относительно неподвижной оси. Для определения весовых нагрузок подвижные элементы кабель-мачты делят на характерные участки (элементы), для которых определяются массы (сосредоточенные или распределенные), геометрические размеры и координаты центров масс. Начало осей координат, как правило, привязывается к оси поворота мачты. Координаты центра масс подвижной части агрегата находятся из выражений: xцт G x , G i i i где Gi и xi , yцт G y , G i i i yi – вес и координаты центра масс i-го участка. 280 Находим радиус от оси вращения до центра масс и угол между вертикалью и радиусом: х 2 2 R хцт уцт , arctg цт . уцт Для определения инерционных нагрузок необходимо найти моменты инерции участков и суммарный момент инерции кабель-мачты J км J i , где J i – момент инерции i-го элемента. Для элементов, представляемых в виде сосредоточенных масс (рис. 3.39, а), момент инерции определяем из выражения J i mi ri 2 , где mi – масса i-го элемента; ri – радиус от оси вращения до центра масс i-го элемента. y mкм mi li ri ri R x а) б) Рис. 3.39. Варианты представления массовых характеристиккабель-мачты 281 в) Для элементов, представляемых в виде распределенных масс (рис. 3.39, б), момент инерции определяется по теореме Гюйгенса – Штейнера о моментах инерции относительно параллельных осей J i mi ri 2 J с , где J c – момент инерции i-го элемента относительно оси, проходящей через центр масс элемента. Для элемента мачты, представляемого в виде однородного стержня с распределенной массой J i mi ri 2 1 mi li2 , 12 где li – протяженность i-го участка распределенной массы. Ветровые нагрузки Расчет ветровых нагрузок для кабель-мачт аналогичен расчету для агрегатов обслуживания. Методика расчета ветровых нагрузок приведена в п. 3.1.4. Газодинамические нагрузки При пуске РКН кабель-мачта попадает в зону действия газовой струи, истекающей из двигателей (рис. 3.40). Рис. 3.40. Схема этапов воздействия на КМ газодинамических нагрузок 282 Интенсивность силового и теплового нагружения мачты определяется режимными и геометрическими параметрами сверхзвуковой струи, динамикой полета ракеты и отвода мачты, газодинамической схемой старта. Получение пространственно-временной картины силового нагружения является сложной задачей. Основные проблемы связаны с расчетом течения газовой струи. Из-за невозможности учета всех факторов, определяющих процесс, при математическом моделировании вводят допущения и ограничения, упрощающие решение задачи, но снижающие точность результатов. Для получения формул, позволяющих приближенно рассчитать параметры потока, используются данные физического моделирования, проводимого на экспериментальных установках, и результаты замеров, сделанных в натурных условиях. Газодинамическое воздействие на металлоконструкцию начинается по мере подъема РКН с некоторым запаздыванием, обусловленным отдаленностью опоры КМ от трассы полета. Эпюра давлений на кабель-мачту от газодинамического воздействия газовой струи является переменной – как вдоль оси стрелы (рис. 3.41, а), так и вдоль образующей продольной оси (рис. 3.41, б). Если распределение таких параметров потока газовой струи, как плотность г и скорость г (в плоскости отвода мачты) для начального этапа движения ракеты определено, то расчет может быть выполнен по приближенным формулам: г г2 рг f (, , r ) , 2 где г г2 – скоростной напор; 2 – угол наклона поверхности кабель-мачты, на которую падает струя к вертикали, равно (t ) ; β – угол нормали к элементарной площадке с плоскостью движения кабель-мачты; r – протяженность участка воздействия вдоль оси мачты, равная r (t ) ; t – текущее время. 283 1 P(φ2) 2 r1 r2 P(φ1) P() a) б) Рис. 3.41. Распределение давления газовой струи по поверхности КМ Суммарная сила, действующая на кабель-мачту от газовой струи, определяется как Fг (t ) P(, r , )ddr . r Тепловые нагрузки В процессе работы кабель-мачты подвергаются тепловому нагружению от высокотемпературной газовой струи, истекающей из двигателей РКН, которое должно учитываться при расчетах прочности металлоконструкции мачты (методика выполнения расчетов в данной главе не рассматривается). К существенным нагрузкам на отдельные элементы конструкции (прежде всего, основания кабель-мачты) приводит тепловое расширение, вызванное колебаниями температуры окружающей среды в процессе эксплуатации агрегата, что объясняется различными коэффициентами температурного расширения материалов взаимодействующих элементов мачты и поверхности, на которой она закреплена. 284 3.3.3. Динамика отвода кабель-мачты При пуске ракеты кабель-мачта должна отводиться на безопасное расстояние, учитывающее возможные линейные и угловые отклонения ракеты от оси пускового устройства под действием различных возмущающих факторов (разнотяговость двигателей, воздействие ветра и т.д.). Отвод должен осуществляться с определенным ускорением, соответствующим ускорению ракеты при старте и форме элементов ракеты, которые должны быть защищены от соударения с мачтой. Кроме того, устройства связи кабель-мачты должны быть отведены за пределы зоны воздействия газовой струи. Движение кабель-мачты при отводе описывается дифференциальным уравнением вращения твердого тела вокруг неподвижной оси: J км d M0 , dt где М0 – главный момент всех внешних сил, приложенных к твердому телу, относительно оси вращения. В общем случае движение кабель-мачты происходит при действии силы тяжести, силы давления ветрового потока, силы давления потока газовой струи, истекающей из двигателей, и сил сопротивления элементов конструкции, препятствующих свободному движению мачты, поэтому представим главный момент в следующем виде: М 0 М вес М в М г М с , где (3.10) Мвес – момент от весовых нагрузок; Мв – момент от ветровых нагрузок; Мг – момент от газовой струи; Мс – момент сил сопротивления. Момент от весовых нагрузок определяется как М вес GR sin , где G – вес поворотной части агрегата; R – радиус-вектор от оси вращения до центра масс поворотной части агрегата. С целью ускорения движения кабель-мачты на начальном этапе отвода целесообразно увеличить момент Мвес, что может быть достигнуто за счет увеличения массы противовесов, плеча их установки или закрепления гидробуфера на поворотной части. 285 Однако на этапе торможения желательно уменьшить момент. Для этого рычаг, на котором крепятся противовесы, делается шарнирно-подвижным относительно мачты и устанавливается специальная площадка, достигнув которой (после начального этапа отвода), противовесы выключаются из работы. В последнем случае при расчете учитывают, что М вес М мач М пр , где Ммач – момент от веса мачты, действующий на всех этапах отвода; Мпр – момент от веса противовесов, обращающийся в ноль при выключении противовесов из работы. Момент от ветровой нагрузки Мв определяется как М в Fв hв , где hв – расстояние от оси поворота кабель-мачты до центра давления ветрового потока. При движении кабель-мачты момент от ветровой нагрузки изменяется, так как М в М () и hв h() . Возможное изменение коэффициентов аэродинамического сопротивления от угла поворота мачты в расчетах, как правило, не учитывается. В соответствии с указанными допущениями М в М вmax cos 2 , где М вmax – максимальное значение ветрового момента в вертикальном положении мачты. Действующий на агрегат ветровой поток может совпадать с направлением отвода кабель-мачты, а может препятствовать отводу при противоположном направлении ветра, соответственно этому в формуле (3.10) момент от ветровой нагрузки учитывается со знаком «плюс» или со знаком «минус». При пуске ракеты создаются эжекционные потоки воздуха, увлекаемые в проем между корпусом ракеты и пусковым столом потоком газовой струи двигателей. Из-за разности скоростей эжекционных потоков с разных сторон мачты появляется дополнительный момент, который при расчете может добавляться к моменту от ветровой нагрузки. Заметим, что эжекционные потоки оказывают влияние и на ракету, так как сила, возникающая из-за разности давлений, стремится развернуть РКН. Момент от действия газовой струи определяется как М г Fг hг , где hг – расстояние от оси поворота кабель-мачты до центра давления газового потока. 286 Положение центра давления зависит от параметров струи и динамики движения ракеты и мачты. Расчет положения центра давления проводится по приближенным формулам. Примерный характер изменения моментов Мв, Мпр, Ммач, Мг в зависимости от угла поворота мачты представлен на рис. 3.42. Рис.3.42. Примерный характер изменения моментов сил, действующих на КМ Для обеспечения своевременного отвода мачты из опасной зоны и ее безударного останова в крайнем положении необходимо выбрать закон изменения момента сил сопротивления Мс. Момент сил сопротивления складывается из моментов сил сопротивления демпфера Мд и сил трения в шарнирах мачты Мтр. Последние в расчетах динамики отвода, как правило, не учитываются из-за их малости по сравнению с сопротивлением демпфера. Для определения момента сил сопротивления проводится расчет силы сопротивления демпфера и определяется плечо приложения силы. Торможение кабель-мачты при отводе Отвод кабель-мачт, как правило, производится путем их поворота вокруг шарнира под действием силы веса противовесов. К концу процесса разгона при отводе кабель-мачты накапливают большой запас кинетической энергии. 287 Наиболее широкое применение для гашения скорости и амортизации удара движущихся масс в конце отвода нашли автономные гидравлические тормозные устройства, называемые также гидробуферами, гидродемпферами или гидроамортизаторами. Эти устройства (рис. 3.43) обычно состоят их гидроцилиндра 1 (с поршнем и штоком), заполненного какой-либо жидкостью. При перемещении штока под действием внешней силы поршень вытесняет жидкость из рабочей полости гидроцилиндра через дроссельную систему 2 во вспомогательную камеру компенсатора 3 (рис. 3.43, а) или в полость гидроцилиндра за поршнем (рис. 3.43, б). 1 2 4 а) 3 1 2 4 3 б) Рис. 3.43. Схемы гидравлических тормозных устройств Компенсатор 3 и обратный клапан 4 предназначены для восполнения утечек рабочей жидкости из полостей гидроцилиндра. Основным отличием гидравлических устройств от упругих является явно выраженный диссипативный характер их силы торможения, состоящий в поглощении, т.е. необратимом преобразовании механической энергии тормозимых масс в другие виды энергии и прежде всего в тепловую с последующим ее рассеиванием в окружающую среду. 288 Потеря кинетической энергии в гидравлических устройствах обусловлена потерями давления на преодоление гидравлических сопротивлений. Управление гидравлическим сопротивлением обеспечивает требуемое изменение силы торможения и заданный закон торможения. Зависимость силы торможения Fд от перемещения z и скорости z поршня относительно цилиндра называется характеристикой гидравлического тормозного устройства. Учитывая только силу гидравлического сопротивления, эту характеристику можно представить в общем виде как , где – функция рассеивания; n – степень зависимости силы торможения от скорости движения поршня. Функция рассеивания гидравлического устройства может зависеть также от времени, давления жидкости в рабочей полости и других параметров. В зависимости от вида функции рассеивания гидравлические устройства могут быть нерегулируемыми ( b const ), регулируемыми в функциях: пути b b(z ) ), времени ( ( ), давления ( ) и комбинированными ( или ). Наибольшее распространение ввиду простоты реализации и компактности конструкции получили устройства с регулируемой в функции пути силой торможения. Степень зависимости силы торможения от скорости движения поршня определяется режимом течения жидкости в каналах дросселя. При ламинарном течении жидкости в длинных каналах (щелях) n = 1, при турбулентном течении в коротких каналах сложного профиля n = 2. В зависимости от способа регулирования различают: гидравлические устройства, в которых управление осуществляется путем непрерывного или дискретного изменения параметров потока жидкости в каналах дросселя (изменения эффективной площади переменного дросселя); устройства, в которых регулирование силы торможения происходит в результате изменения структуры по определенному алгоритму, например, при помощи клапанов расхода и давления; устройства комбинированного типа. Устройства управления потоком жидкости могут быть либо внутренними, (встроенными), либо внешними (в виде отдельного гидроаппарата). Гидравлические тормозные устройства делятся на устройства действия: одностороннее (см. рис. 3.43, а) и двухстороннее (рис. 3.43, б). 289 В устройствах одностороннего действия возврат поршня в исходное положение происходит под действием сил упругости возвратных пружин, установленных в рабочей полости, на штоке или в компенсаторе, либо под действием давления воздуха, подводимого к компенсационной полости или сжимаемого в ней на рабочем ходу. Выбор гидравлических тормозных устройств объясняется рядом их преимуществ по сравнению с другими устройствами. В частности, в них проще осуществляется регулирование и настройка сил сопротивления; они отличаются компактностью конструкции, высокой энергоемкостью, незначительным накоплением потенциальной энергии и, следовательно, небольшой силой отдачи, малой чувствительностью к изменению масс и скоростей тормозимых объектов, долговечностью. К их недостаткам следует отнести высокие требования к уплотнениям перемещающихся частей, наличие утечек рабочей жидкости и необходимость их восполнения, нестабильность характеристик с изменением температуры рабочей жидкости, высокие требования к чистоте поверхностей и точности изготовления элементов дроссельных пар. Конструктивные схемы гидравлических демпферов, применяемых при торможении кабель-мачт, изображены на рис. 3.44. fдр fдр а) l l б) Рис. 3.44. Конструктивные схемы гидравлических демпферов, применяемых при торможении кабель-мачт 290 Для предотвращения гидравлического удара в начале торможения и плавного разгона движущихся масс в верхнюю часть буфера может быть встроена ускорительная головка (см. рис. 3.44, а). Двигаясь совместно с мачтой, головка сжимает ускорительную пружину и разгоняет плунжер до скорости, равной скорости мачты. При этом жидкость, вытесняемая из внутренней полости корпуса, перетекает через кольцевой зазор между регулирующим кольцом и веретеном. Изменение давления в корпусе буфера зависит от скорости плунжера и величины кольцевого зазора. Профиль веретена должен обеспечивать сначала равномерное повышение давления до заданной величины, а затем – плавное торможение мачты. После снятия нагрузки с буфера возвратная пружина выдвигает плунжер в исходное положение. В другой схеме (см. рис. 3.44, б) площадь проходного сечения дросселя меняется дискретно при перекрытии плунжером радиальных отверстий в гильзе. Плавный разгон движущихся масс буфера происходит за счет зарядки газом полости в верхней части буфера. Жидкости, применяемые для наполнения гидравлических тормозных устройств, характеризуются многими показателями. Некоторые из этих показателей, например: плотность, сжимаемость и вязкость, учитываются в инженерных расчетах, а другие, такие как температурное расширение, парообразование, смазывающая способность, стабильность, токсичность, вспениваемость, совместимость принимаются во внимание при выборе рабочей жидкости. Течение жидкости в гидравлических каналах сопровождается необратимыми потерями энергии, что приводит к нагреванию жидкости и окружающей среды. Потери энергии, выражающиеся в падении давления, получили название гидравлических. Основными уравнениями, описывающими гидродинамические процессы в каналах тормозного устройства для несжимаемой жидкости, являются: уравнение Бернулли для установившегося потока, представляющее собой уравнение баланса энергии жидкости, которое (с учетом гидравлических рг и инерционных ри потерь и без учета гидростатического напора) для некоторого участка гидравлического тракта, ограниченного начальным и конечным сечениями, может быть представлено следующим выражением: и12 и22 р1 р2 рг ри ; 2 2 291 (3.11) уравнение неразрывности потока, выражающее постоянство объемного (массового) расхода вдоль линии тока, т.е. уравнение баланса расходов жидкости: Q u1 f1 u2 f 2 const . (3.12) В уравнениях (3.11) и (3.12): u – скорость потока; f – площадь проходного сечения, индексы 1 и 2 соответствуют начальному и конечному сечениям. Гидравлические потери рг зависят от формы, размеров, качества обработки поверхностей каналов, скорости течения (расхода) и вязкости жидкости, а иногда и от давления. На гидравлические потери влияет также режим течения, который характеризуется числом Рейнольдса. Инерционные потери ри , входящие в уравнение Бернулли (3.11), учитывают нестационарный характер течения. Эти потери представляют собой разность полных давлений (в выбранных сечениях в фиксированный момент времени), обусловленную ускорением или торможением потока жидкости. Инерционные потери определяются по формуле 2 u ри dt , t 1 (3.13) где интеграл берется вдоль оси канала длины l от начального сечения до конечного. Для расчета инерционных потерь по формуле (3.13) должно быть известно поле скоростей и давлений на рассматриваемом участке потока. Однако подобные данные не всегда имеются, и получить их достаточно трудно. Учет в практических расчетах средней по сечению скорости движения несжимаемой жидкости может привести к заниженным результатам расчета. Регулирование расхода и давления в гидравлических тормозных устройствах Качество работы гидравлических тормозных устройств во многом определяется правильным выбором типа и размеров дросселирующих элементов, их расположением и стабильностью характеристик. 292 Гидравлические свойства дросселей обычно оцениваются статической характеристикой, представляющей собой зависимость между расходом через дроссель Q, перепадом давления на нем рд и его геометрическими параметрами. Основным требованием к дросселям, определяющим выбор геометрической формы проходного сечения, является обеспечение наименьшей зависимости статической характеристики дросселя от температуры. Для этого отношение длины дроссельной щели к площади ее сечения выбирается возможно меньшим, чтобы характер потока был близок к турбулентному. Считается, что при турбулентном потоке коэффициент гидравлического сопротивления зависит лишь от геометрической формы канала, т.е. от типа дросселя. Средняя скорость течения жидкости в рабочем окне дросселя в таком случае является функцией лишь перепада давления рдр , следовательно, гидравлические потери в дросселе u 2 рдр . 2 В большинстве расчетов используется аналитическая зависимость статической характеристики от перепада давления на дросселе, выраженная через коэффициент расхода 1 . Эту зависимость можно получить, учитывая, что Q ufдр : Q f др 2pдр . (3.14) Расход жидкости через регулируемый дроссель, по аналогии с выражением (3.14), можно представить в следующем виде: Q uf др ( z ) f др ( z ) 2pдр G( z ) pдр , (3.15) где G(z ) – гидравлическая проводимость дросселя, G( z ) f др ( z ) 2 , площадь проходного сечения дросселя зависит от положения z его подвижного элемента. Для инженерных расчетов, учитывая данные различных авторов, коэффициент гидравлического сопротивления переменных дросселей с турбулентным режимом течения можно принять 2,0 2,2 . При этом коэффициент расхода 0,67 0,71 не зависит от числа Рейнольдса. 293 Динамический расчет гидравлических тормозных устройств Динамический расчет гидравлических тормозных устройств состоит в определении характера изменения проходного сечения дросселя, обеспечивающего заданный закон движения кабель-мачты на участке торможения. Исходными данными при решении задачи расчета гидравлических устройств являются все параметры и характеристики, входящие в уравнение движения мачты, кроме характеристик гидродемпфера. Также должны быть заданы ход и эффективная площадь поршня, параметры жидкости, скорость в начале торможения, требуемый закон торможения. Положение демпфера относительно агрегата и место его крепления к мачте, ход и эффективная площадь поршня демпфера выбираются исходя из конструктивных соображений и по результатам предварительных расчетов динамики отвода. Далее определяют характер изменения площади проходного сечения дросселирующего элемента, который обеспечивает изменение переменной составляющей силы сопротивления так, чтобы торможение происходило по заданному закону. Торможение наиболее эффективно при создании на всем участке торможения силы сопротивления, максимально допустимой по конструктивным признакам. В начальный момент торможения не должно быть отскока мачты. Выход на режим максимальной силы сопротивления должен проходить плавно и быстро. Закон торможения кабель-мачты, как правило, задается в функции перемещения, в этом случае площадь проходного сечения является функцией угла поворота мачты: f др f др () . Для плавной остановки КМ должен быть создан компенсирующий момент от действия демпфера. Значение этого момента можно получить, если рассмотреть расчетную схему, изображенную на рис. 3.45. 294 Fд ЧЕГ Ш R1 l hд д C A О h Рис. 3.45. Расчетная схема для определения момента, создаваемого демпфером Пренебрегая силами упругости ускорительной и возвратной пружин, силой давления газа в компенсационной полости и силами трения в уплотнениях поршня и шарнирах, момент, создаваемый демпфером, определяется как М д Fд hд , где Fд – сила сопротивления, создаваемая демпфером; hд – плечо действия силы сопротивления, hд h sin д . Учитывая, что расстояния R1 и h от оси поворота мачты до точек крепления демпфера к мачте и основанию не меняются при движении, плечо действия силы сопротивления зависит от угла βд наклона демпфера, а соответственно, и от угла наклона мачты: R1 cos BC . Д arctg arctg AC h R1 sin Сила сопротивления, создаваемая демпфером, при выбранной эффективной площади fд поршня определяется перепадом давления на поршне: Fд рf д , следовательно: р Fд Mд . fд f д h sin д 295 Записывая формулу расхода жидкости через дроссель в следующем виде: 2p , Q f др и учитывая, что теоретический расход жидкости в гидроцилиндре прямо пропорционален линейной скорости υ движения поршня: Q f д , определим площадь проходного сечения дросселя из выражения f f др д 3 f д h sin . 2p 2M д (3.16) Для определения функции изменения площади дросселя по формуле (3.16) необходимо знать требуемую зависимость М д М д () . Решение задачи о торможении и безударном останове кабель-мачты с использованием гидродемпфера может быть выполнено на основе предварительного выбора функции изменения площади проходного сечения дросселя. В конечном положении мачты (т.е. при кон ) скорость поршня должна быть равна нулю. С одной стороны: 2 f 2р др 2 , fд с другой стороны: d l. dt Из рис. 3.45 видно, что длина l демпфера в зависимости от угла поворота мачты меняется l l () AC 2 BC 2 (h R1 sin ) 2 ( R1 cos ) 2 h 2 2R1 sin R12 . Так как (t ) , то, задавая при решении временной шаг t, на каждом шаге можно рассчитать скорость по формуле l l ((t t )) l ((t )) . t t Требуемая динамика отвода обеспечивается с учетом расположения и массы противовеса, расположения и начальной длиной демпфера, но главным объектом в расчете является зависимость , от которой зависит значение максимальных перегрузок при отведении КМ. 296 3.4. Оборудование стыковки и отвода коммуникаций 3.4.1. Назначение и классификация оборудования стыковки и отвода коммуникаций Для выполнения технологических операций в процессе подготовки РКН к пуску на стартовом комплексе – ракета, установленная на пусковом столе, соединена с наземными системами через электро-, пневмо- и гидромеханические соединения, образующие так называемые связи «земля – борт». С точки зрения безопасности пуска, желательно иметь такую схему, при которой связи «земля – борт» расстыковывались бы заранее (до запуска двигательной установки первой ступени), потому что отказ или задержка в расстыковке и отводе наземных коммуникаций на безопасное от стартующей ракеты расстояние может вызвать аварийную ситуацию. Использование такой схемы связано с понижением эффективности ракеты, так как заблаговременное прекращение подачи криогенных компонентов и сжатых газов для подпитки баков с баллонами, а также электроэнергии к бортовым потребителям приведет к частичному израсходованию бортовых ресурсов. Поэтому ракета имеет ряд некоторых связей, которые расстыковываются только после запуска двигательной установки первой ступени, что практически совпадает с началом полета ракеты. Связи включают: дозаправочные магистрали криогенных компонентов топлива; магистрали предстартового наддува баков; линии продувок защитных полостей и систем пожаро- и взрывопредупреждения; электрические коммуникации систем управления и измерения, которые используют в пусковых операциях; устройства, удерживающие ракету на пусковой установке до момента выхода двигателей на номинальный режим. Конструкцию разъемных соединений определяют следующие факторы: способ стыковки (расстыковки), количество и габаритные размеры проходящих коммуникаций, назначение и тип коммуникаций. 297 Классификация разъемных соединений «земля – борт» представлена на рис. 3.46. Классификация связей «земля - борт» По типу коммуникаций По автоматизации стыковки и отстыковки По времени отстыковки Электрические Автоматические До запуска ДУ Пневматические Автоматизированные После запуска ДУ Гидравлические Ручные Механические Комбинированные Рис. 3.46. Классификация связей «земля – борт» Разъемные соединения первой ступени ракеты-носителя обычно выводят на нижнюю часть боковой поверхности ступени или на ее торец, при этом их обслуживают с пускового стола. Для обеспечения связей верхних ступеней ракеты-носителя и космического аппарата используются два варианта. При первом варианте все коммуникации или их большую часть выводят на первую ступень, что, хотя и упрощает обслуживание, но значительно усложняет и утяжеляет конструкцию ракеты-носителя за счет размещения на нижних ступенях РН коммуникаций и дополнительного оборудования, необходимого только для предстартовой подготовки верхних ступеней. При втором варианте разъемные соединения располагают на боковой поверхности каждой ступени и соединяют наземными системами через агрегат обслуживания или специальную мачту, что способствует уменьшению длины бортовых коммуникаций и не требует сложных разъемных соединений между ступенями. Подвижные агрегаты обслуживания отводят от РКН за значительное время до пуска, поэтому по ним прокладывают магистрали, которые отстыковываются заблаговременно. Кабель-мачты, заправочно-дренажные и кабельзаправочные мачты отводятся непосредственно перед пуском или во время пуска, поэтому по ним прокладывают магистрали, которые отстыковываются практически в момент запуска двигателей и на начальном этапе старта ракеты. 298 Такие мачты или специальные конструкции могут размещаться на стационарных агрегатах обслуживания. Для повышения производительности и безопасности работ на современных стартовых комплексах разъемы соединяются в несколько групп (блоков), а процессы стыковки и расстыковки разъемных соединений, по возможности, автоматизируются и осуществляются с помощью специального оборудования. В соответствии с нормативными документами в состав оборудования стыковки и отвода коммуникаций (ОСОК) могут входить агрегат стыковки и отвода коммуникаций (АСОК), агрегат стыковки коммуникаций (АСК), агрегат отвода коммуникаций (АОК). Агрегатом стыковки и отвода коммуникаций называется совокупность механизмов пневмо- и гидрооборудования, системы контроля и управления, размещаемых в сооружениях СК или на агрегатах СК, предназначенных для дистанционного подвода, стыковки гидравлических, пневматических или электрических коммуникаций к РН, КА, РБ или средств обслуживания СК, удержания коммуникаций в стыкованном положении, дистанционной отстыковки, отвода и удержания их в отведенном положении. В отличие от АСОК, агрегат стыковки коммуникаций не предназначен для дистанционной отстыковки, и агрегат отстыковки коммуникаций не предназначен для дистанционной стыковки коммуникаций. На автоматизированных стартовых комплексах оборудование стыковки и отвода коммуникаций дополнительно обеспечивает стыковку стационарных коммуникаций с эквивалентами и имитаторами бортовых систем РКН при проведении испытаний комплексов и техническом обслуживании. Например, на стартовом комплексе 11П877для проведения испытаний коммуникаций кабель-мачты 11У224 использовался блок обеспечения функциональных проверок 11У38. Механизмы ОСОК связаны с наземными стационарными коммуникациями. Ответные части (блоки разъемов) закреплены на подвижных агрегатах и РКН, как правило, жестко, а незначительная подвижность разъемов при стыковке обеспечивается использованием в их узлах крепления сферических гаек и колец. К механизмам стыковки коммуникаций предъявляются следующие требования: стыкуемые разъемы должны иметь шесть степеней свободы для компенсации взаимных перемещений подвижных и стационарных агрегатов, возможного несовпадения линейного и углового положения осей стыкуемых разъемов, которое может появиться в результате неточности изготовления и монтажа; 299 оси стыкуемых разъемов должны быть совмещены, а сами разъемы должны надежно удерживаться в состыкованном положении и обеспечивать возможность взаимных перемещений РКН и наземных агрегатов; механизмы стыковки должны содержать упругие элементы, которые возвращают разъемы в исходное положение после исчезновения внешней нагрузки, вызвавшей их перемещение; центрирующие штыри, ловители и разъемы должны быть связаны с силовой конструкцией механизма стыковки через упругие элементы с целью обеспечения тарированного усилия стыковки и исключения повреждения стыкуемых разъемов; стыки гидравлических и пневматических коммуникаций должны быть герметичными; разъемы должны быть защищены от пыли и грязи, механических повреждений, воздействия атмосферных осадков и газовых потоков, возникающих при пуске ракеты. 3.4.2. Конструкция механизмов автоматической стыковки коммуникаций Конструкцию разъемных соединений определяют такие факторы, как способ стыковки (расстыковки), количество и габаритные размеры проходящих коммуникаций, назначение коммуникаций и их тип. Если разъемные соединения находятся в нижней части ракеты-носителя, то автоматическая стыковка с ними обеспечивается механизмами, размещаемыми в пусковом столе или на нем. Так как расстояние между стыкуемыми устройствами невелико, пусковой стол обеспечивает стабильность положения подвижной части автостыка. Передвижение стыковочного устройства может осуществляться по направляющим, и – для точного совмещения разъемов – достаточно небольших штырей с ловителями, простых механизмов совмещения стыкуемых разъемов. Плавный подвод подвижного устройства обеспечивается, например, с помощью гидропривода. Если разъемные соединения находятся в верхней части РКН, и автоматическая стыковка с ними обеспечивается с помощью мачт или других пространственных конструкций с малой жесткостью, то для обеспечения требуемых точности стыковки и тарированных усилий используются более сложные устройства стыковки. Степени свободы, необходимые для совмещения осей блоков стыкуемых разъемов, могут обеспечиваться параллелограммным механизмом, схематично изображенным на рис. 3.47, а. 300 а) Z Z1 Y Y1 X X1 Zi Yi Xi б) Рис. 3.47. Схема конструкции параллелограммного механизма На рисунке (см. рис. 3.47) цифрами обозначены следующие элементы: 1 – панель; 2 – разъем; 3 – ловители; 4 – штыри; 5 – штанги; 6 – кронштейн В этом механизме панель 1, на которой закреплены разъемы 2, связана с силовым кронштейном 6 при помощи пружинных штанг 5. 301 Для обеспечения возможности угловых перемещений панели и ее перемещения в плоскости YOZ (см. рис. 3.47, б) шарнирные соединения штанг с панелью и кронштейном должны быть выполнены на сферических подшипниках. Для совмещения осей стыкуемых разъемов используются центрирующие штыри 4 и ловители 3, закрепленные на панелях механизмов стыковки блоков разъемов и панелях блоков разъемов. При сближении панелей в процессе их стыковки центрирующие штыри входят в ловители и устанавливают панели в положение, обеспечивающее стыковку разъемов. Для компенсации несоосности отдельных разъемов между их корпусами (рис. 3.48), жестко закрепленными на общей панели 2, и собственно разъемами 1, устанавливаются сферические кольца 3, 4, придающие дополнительную подвижность разъемам относительно панели. 2 3 1 Рис. 3.48. Схема конструкции для компенсации несоосности стыкуемых разъемов Для дистанционной безударной стыковки блоки разъемов, закрепленные на агрегатах, имеющих собственный привод для перемещения с малыми скоростями, стыкуются ходом агрегатов. Если передвижение агрегата осуществляется тепловозом или электровозом, то для безударной стыковки агрегат подается на каретку, связанную с гидроцилиндром, и дальнейшее перемещение агрегата осуществляется гидроприводом. Окончание дистанционной стыковки контролируется конечными выключателями, подающими сигнал в систему управления этой операцией и срабатывающими при наезде на них кронштейнов подвижного агрегата. Тарированное усилие поджатия состыкованных разъемов (см. рис. 3.47) обеспечивается пружинными штангами 5 и определяется жесткостью пружин и величиной их сжатия в состыкованном положении. 302 Конструкция уплотнений, герметизирующих стыки труборазъемов, определяется размерами труборазъемов, родом и давлением рабочего тела, допустимостью разгерметизации стыкуемых магистралей в процессе их стыковки и расстыковки. Для газовых магистралей большого диаметра с невысоким давлением газа при допущении разгерметизации в процессе стыковки или расстыковки, уплотнение осуществляется (рис. 3.49) за счет обжатия эластичной прокладки 2 одного разъема кольцевым зубом 1 другого разъема. Причем в процессе стыковки при контакте осей 3 сначала открываются клапаны 4, в результате чего стык разгерметизируется, и лишь при дальнейшем ходе разъема кольцевой зуб 1 обжимает прокладку 2, уплотняя стыкуемое соединение. При расстыковке магистралей сначала разгерметизируется стык в результате отхода зуба от прокладки, и только при дальнейшем перемещении разъемов пружинами 5 закрываются клапаны 4. 1 2 3 4 5 Рис. 3.49. Схема конструкций, обеспечивающих герметичность разъемов при допущении разгерметизации в процессе стыковки или расстыковки Разъемы такого типа сравнительно просты по конструкции и надежны. Вместе с тем, их разгерметизация в процессе стыковки и расстыковки приводит к утечкам рабочего тела, поэтому стыки магистралей, в которых утечка рабочего тела недопустима, имеют иную конструкцию, показанную на рис. 3.50. 303 1 2 3 4 б 5 а Рис. 3.50. Схема конструкций, обеспечивающих герметичность разъемов, не допускающая разгерметизации в процессе стыковки или расстыковки В исходном состоянии полости «а» и «б» уплотнены резиновыми кольцами 1, причем наружные кольца разъемов одновременно защищают их полости от попадания пыли и грязи. При стыковке разъемов хвостовик штока 2 нажимает на поршень 3 и, сжимая пружину 5, перемещает его внутрь корпуса 4. Длина хвостовика подобрана таким образом, что прежде, чем наружное резиновое кольцо поршня 3 откроет полость «а», шток 2 войдет в корпус 4, предотвращая вытекание рабочего тела из разъема. При дальнейшем перемещении штока 2 полость «б» одного разъема сообщается с полостью «а» другого разъема – стык уплотняется резиновыми кольцами 1, установленными на штоке 2. При расстыковке разъемов вначале полость «а» уплотняется кольцами поршня 3, и только после этого происходит расстыковка разъемов. Разъемы такого типа позволяют практически исключить утечки рабочего тела при стыковке и расстыковке. Надежное удержание разъемов в состыкованном положении осуществляется специальными замками электромагнитного типа с дистанционным приводом. Если требуется стыковка разъемов, размещаемых на подвижном агрегате технологического оборудования со стационарными агрегатами стартового комплекса, для дистанционной безударной стыковки блоки разъемов, закрепленные на агрегатах, имеющих собственный привод для перемещения с малыми скоростями, стыкуются ходом агрегатов в режиме движения с минимальной скоростью. Если передвижение агрегата осуществляется тепловозом или электровозом, то для безударной стыковки агрегат подается на каретку, связанную с гидроцилиндром, и его дальнейшее перемещение осуществляется гидроприводом. 304 Окончание дистанционной стыковки контролируется конечными выключателями, подающими сигнал в систему управления этой операцией и срабатывающими при наезде на них кронштейнов подвижного агрегата. В системах, где перемещение агрегатов на стыковку осуществляется гидроцилиндрами, надежное удержание разъемов в состыкованном положении осуществляется переводом гидропривода стыковки в режим «поджатия», при котором обеспечивается подача рабочей жидкости в полость цилиндра в случае несанкционированного размыкания конечных выключателей, сигнализирующих о состыкованном положении разъемов. При нахождении ракеты на пусковом устройстве в вертикальном положении удержание разъемов кабель-мачты, состыкованных в горизонтальной плоскости, обеспечивается весом ракеты. Для фиксации гидравлических и пневматических разъемов в нижней части ракеты могут использоваться устройства с замками поворотного типа, также приводимыми в движение гидро- или пневмоцилиндрами. Конструкция устройств для дистанционной расстыковки наземных и бортовых коммуникаций существенно зависит от того, в какой момент времени производится расстыковка. В стыковочных устройствах, которые расстыковываются до подъема ракеты с пускового устройства, для расстыковки необходимы специальные приводы (как правило, гидравлические или пневматические0029. Если отвод разъемов осуществляется заблаговременно, то для этого используется гидравлический привод. Для отвода разъема непосредственно в момент пуска необходим привод с высокой скоростью срабатывания, например, пневмопривод. С целью исключения повреждения разъемов, предотвращения их ударов о борт ракеты на начальном этапе расстыковки разъеы, после срабатывания замков, могут отталкиваться от борта пружинами или пневмозамками и после отводится на безопасное расстояние механизмами. В стыковочных устройствах, которые расстыковываются ходом РКН, могут использоваться специальные демпферы, отслеживающие движение ракеты на начальном этапе пуска и обеспечивающие плавную расстыковку разъемов. После расстыковки коммуникаций стыковочные устройства отводятся на безопасное расстояние за счет поворота кабель-мачты на некоторый угол либо за счет отведения конструкции в нишу, створки которой после отведения устройства закрываются и защищают от воздействия высокотемпературной сверхзвуковой струи ракетных двигателей. 305 3.4.3. Особенности функционирования оборудования стыковки и отвода коммуникаций Условия эксплуатации, в которых происходит функционирование оборудование стыковки и отвода коммуникаций, включает почти полный перечень внешних и внутренних воздействующих факторов, приведенный в пп. 1.4 и 3.1. Функционирование ОСОК происходит во всем диапазоне параметров воздействия природных факторов (температуры, влажности, запыленности), в условиях воздействия газодинамических и тепловых нагрузок струи двигательной установки, химических воздействий компонентов ракетного топлива и сжатых газов. При стыковке и отстыковке коммуникаций происходит механическое воздействие взаимодействующих конструкций. При отводе быстро отводимые стыковочные устройства испытывают значительные инерционные нагрузки при разгоне и торможении. Особенности функционирования ОСОК проявляются в их конструкции, как описано в п. 3.4.2. На рис. 3.51 и 3.52 показаны стыковочные устройства системы 14И995 стартового комплекса для РКН «Ангара». Механизмы комплекта агрегатов автоматической стыковки коммуникаций 14И995, обеспечивающие стыковку заправочных и газовых коммуникаций к ракете, размещаютсяв средних секциях и пилонах рамы пускового стола 14И030. Стыковочные устройства коммуникаций окислителя, холодного гелия и сжатых газов (СУ «О») размещены на крышках, закрывающих проемы в лобовых стенках секций и пилона. В открытом положении крышки обеспечивается подвод СУ «О» и стыковка с бортовыми платами РКН, в закрытом положении – защита стыковочного устройства от воздействия газового потока ДУ-1 (рис. 3.51). 306 ДУ-1 СУ «О» Крышка Рис. 3.51. Стыковочное устройство магистралей окислителя системы 14И995 Стыковочные устройства коммуникаций горючего, сжатых газов и термостатирования системы пожаровзрывопредупреждения (СУ «Г») также установлены в средних секциях» и пилоне пускового стола (рис. 3.52). Подвод этих коммуникаций к бортовым разъемным соединениям на ракете производится через фланцевые проемы секций и пилона. В межпусковой период и при пуске РКН проемы закрываются защитными устройствами, входящими в состав комплекта 14И995. 307 СУ «Г» ДУ-1 Кожух защитного устройства Рис. 3.52. Стыковочное устройство магистралей горючего системы 14И995 Особенности конструкции СУ «Г» и блоков пускового стола, в которых они размещаются, определяются необходимостью отстыковки СУ на начальном участке подъема РКН и отвода отделяемой части бортовых разъемных соединений с коммуникациями в помещение ПС. Защита узлов СУ «Г» от газодинамического воздействия струи ДУ-1, возникающей при пуске РКН, обеспечивается собственными элементами комплекта 14И995. Время отстыковки, отвода коммуникаций в помещение ПС, закрытия кожуха защитного устройства с момента начала подъема РКН – не более 2 с. 308 Контрольные вопросы к главе 3 1. Для чего предназначены средства обслуживания стартового комплекса? 2. Назовите типовой состав средств обслуживания стартового комплекса. 3. Для чего предназначены средства обслуживания технического комплекса? 4. Назовите типовой состав средств обслуживания технического комплекса. 5. Какие факторы определяют условия эксплуатации средств обслуживания? 6. Как классифицируются нагрузки, действующие на средства обслуживания, в соответствии со строительными нормами и правилами? 7. Назовите особенности расчета ветровой нагрузки для агрегатов обслуживания, выполненных в виде высотных строений. 8. Для чего предназначен агрегат обслуживания? 9. Как классифицируются агрегаты обслуживания? 10. Назовите технологические системы и механизмы, которые могут входить в состав агрегата обслуживания. 11. На какие виды устойчивости рассчитываются агрегаты обслуживания? Напишите соотношения для оценивания устойчивости. 12. Для чего предназначена кабель-мачта? Чем отличается назначение кабель-мачты и заправочной дренажной мачты? 13. Как классифицируются кабель-мачты? 14. Какие параметры влияют на динамику отвода кабель-мачт при пуске РКН? 15. Как классифицируются связи «земля – борт», соединяющие РКН и оборудование стартового комплекса при подготовке к пуску? 16. Назовите состав оборудования стыковки и отвода коммуникаций. В чем заключается отличие агрегатов стыковки от агрегатов отвода коммуникаций? 309 4. ТРАНСПОРТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 4.1. Общие сведения о транспортном оборудовании 4.1.1. Назначение и состав транспортного оборудования Транспортное оборудование РКК предназначено для доставки специальных грузов (ступеней ракет, ракет-носителей, космических головных частей и их блоков, компонентов ракетного топлива, ЗИП) с заводов-изготовителей и арсеналов на места эксплуатации, перемещения указанных грузов в пределах территории эксплуатирующей организации, а также для придания подвижности другому технологическому оборудованию, используемому в РКК. Кроме того, транспортное оборудование может использоваться для поиска и доставки возвращаемых ступеней изделий с мест приземления к местам их подготовки для повторного пуска. В общем случае транспортное оборудование включает транспортные средства, используемые для доставки изделий; коммуникации или магистрали, по которым двигаются транспортные средства; средства управления их движением. Для перевозки изделий могут использоваться транспортные средства различных видов транспорта: сухопутного (автодорожного и железнодорожного), водного и воздушного (рис. 4.1). Однако, возможности использования транспортных средств ограничены в силу специфичности изделия как объекта транспортировки. Эта специфика изделий заключается в том, что они имеют большие габариты, малую несущую способность в поперечной плоскости и сравнительно высокую чувствительность к перегрузкам. В силу этой специфики для перевозок, как правило, разрабатывают специальные транспортные средства, либо переоборудуют существующие, соответственно сооружают и магистрали, по которым могут курсировать транспортные средства. Выбор вида транспорта, в наибольшей степени соответствующего транспортировке изделий конкретного комплекса, определяется рядом объективных и субъективных факторов [19]. К объективным факторам относятся: критерий ходовых качеств; энерговооруженность; весовая отдача; удельный расход топлива; стоимость транспортного оборудования. 310 Состав транспортного оборудования Средства автодорожного транспорта Средства железнодорожного транспорта Средства воздушного транспорта Самоходные - колесные - гусеничные Буксируемые - прицепные - полуприцепные - Специальные вагоны - Специальные транспортные агрегаты - Самолеты - Вертолеты - Дирижабли Средства водного транспорта - Речные и морские суда - Баржи - Подводные лодки Рис. 4.1. Состав транспортного оборудования РКК Под критерием ходовых качеств К подразумевают отношение веса транспортного средства G к сопротивлению его движения W: . Этот критерий характеризует взаимодействие транспортного средства с окружающей его средой в процессе движения. Чем выше значение критерия К, тем совершеннее транспортное средство, тем меньше окажутся затраты энергии на его движение. Естественно, что с увеличением скорости движения сопротивление движению транспортного средства возрастает. Зависимость критерия К от скорости движения транспортных средств различных видов транспорта представлена на рис. 4.2. Для расширения значения изменения параметров зависимости построены в логарифмических координатах. Общей тенденцией изменения критерия К от скорости движения является уменьшение этого показателя при росте скорости, что связано с ростом сопротивления движению при увеличении скорости. Прямая 8 является пределом произведения скорости и ходового качества при современных технических возможностях и в ближайшей перспективе. Из графика можно выявить целесообразное распределение видов транспорта по скорости движения транспортных средств. 311 При очень низких скоростях движения наиболее высокими ходовыми качествами обладают водоизмещающие суда (кривая 4), с ростом скорости движения более 20 км/ч целесообразно применять автодорожные, а при скорости более 50 км/ч – железнодорожные транспортные средства (кривая 5) и аппараты на воздушной подушке (кривая 2). В диапазоне скоростей 150...500 км/ч предпочтительнее использовать перспективные транспортные средства – экранопланы, а при больших скоростях (более 500 км/ч) – только самолеты. К 1000 4 8 3 5 100 6 3 10 7 2 1 10 100 1000 V, км/ч Рис. 4.2.Зависимость критерия ходовых качеств от скорости движения транспортных средств: 1 – вертолеты; 2 – аппараты на воздушной подушке; 3 – автомобили; 4 – морские суда; 5 – железнодорожный транспорт; 6 – экранопланы; 7 – самолеты; 8 – допустимый предел Следующим оценочным критерием для назначенного (выбранного) вида транспорта, по которому можно оценивать совершенство того или иного транспортного агрегата является энерговооруженность Р, под которой понимается отношение потребной мощности энергоустановки транспорта Nе к весу транспортного средства: . 312 Используя этот критерий, удобно сравнивать различные виды транспортных средств при одинаковой скорости или энерговооруженности. Весовая отдача представляет собой отношение веса перевозимого за к полному весу транспорта: . Этот критерий характеризует как конструктивное и технологическое совершенство транспорта, так и принцип движения, заложенный в него. Наиболее высокое значение весовой отдачи (рис. 4.3) имеют водный и железнодорожный транспорт (0,550,75). Для автомобильного транспорта Km = 0,40,6. Весовая отдача самолетов Km = 0,10,4, а для ракет Km= 0,050,1. Рис. 4.3. Зависимость весовой отдачи от скорости движения транспортных средств 313 Удельный расход топлива qт является одним из основных экономических показателей транспортного средства: , где – вес топлива; – вес груза; S – расстояние, на которое перевозится груз. Здесь преимущество в разной степени принадлежит автомобильному, железнодорожному и водному транспортам. Стоимость создания и эксплуатации транспортного средства со всей инфраструктурой показывает, что постройка 1 км одноколейной железной дороги в 3–6 раз дороже, чем улучшенной автодороги. При низкой интенсивности перевозок на большие расстояния выгодным транспортом может оказаться воздушный, несмотря на более высокую первоначальную стоимость (в 10–15 раз дороже, чем стоимость перевозки автомобилем равной грузоподъемности). К субъективным факторам, позволяющим отдать предпочтение отдельному виду транспортных средств, относятся: характеристики ракетно-космического комплекса (вес и габариты грузов, ограничения по параметрам движения для перевозимых грузов (перегрузки, частоты колебаний и т.д.), особенности технологического процесса подготовки РКН к пуску; расстояния, на которые необходимо осуществлять перевозки, и требования к оперативности доставки; наличие и состояние коммуникаций (шоссейных и железных дорог, водных магистралей, аэродромов и т.д.); уровень развития данного вида транспорта к моменту создания комплекса; наличие транспортных средств определенного класса, пригодных по габаритам и грузоподъемности. 4.1.2. Способы и условия транспортировки ракетно-космической техники Транспортировка изделия на относительно небольшие расстояния (в пределах космодромов и полигонов) может осуществляться автомобильным транспортом по шоссейным дорогам или другими транспортными средствами. 314 Однако для осуществления транспортировки необходимы не только специальные дороги с соответствующим покрытием, но и специальные транспортные средства, не исключающие, однако, воздействия на изделие значительных по величине ускорений (дo 5g), поэтому в отечественных РКК такой вид перевозки изделий практически не используется. При транспортировке на большие расстояния целесообразно использовать другой вид сухопутного транспорта – железнодорожный, условия перевозки которым значительно лучше, чем автодорожным, прежде всего благодаря действию сравнительно низких ускорений (до 2g). Однако, перевозимые вне космодромов грузы должны вписываться в определенные габариты, установленные для подвижного состава железных дорог. В отдельных случаях при соответствующих согласованиях допускается транспортировка военной техники при наличии негабаритности (от 0 до IV степени). Несмотря на отмеченное обстоятельство, железнодорожный вид транспорта является самым распространенным благодаря тому, что переоборудование уже существующих транспортных средств для перевозки изделий не требует значительных изменений их конструкции. На рис. 4.4 показан состав для транспортировки РН «Ангара-А5» железнодорожным транспортом. Рис. 4.4. Состав для транспортировки РН «Ангара-А5» 315 Использование воздушного транспорта предпочтительнее сухопутных транспортных средств вследствие уязвимости из-за длительности нахождения грузов в пути следования. Используя самолеты, вертолеты и дирижабли, обладающие необходимой грузоподъемностью и высокой скоростью полета, можно в краткие сроки доставлять изделия на космодромы. Водный транспорт может использоваться совместно с сухопутными транспортными средствами для доставки крупногабаритных ступеней изделий на станции примыкания и дальнейшей их транспортировки средствами других видов. На рис. 4.5 показано судно для транспортировки элементов РН «Союз-СТ» на космодром Куру. Важным преимуществом доставки изделий по воде является отсутствие ограничений по габаритам и весу, сравнительно низкие ускорения. Однако, перевозимые грузы должны тщательно изолироваться от агрессивной окружающей среды, да к тому же в России рядом с космодромами отсутствуют необходимые водные коммуникации. Рис. 4.5. Судно для транспортировки элементов РН «Союз-СТ» 316 Транспортировка ракетно-космической техники (РКТ) осуществляется при горизонтальном и вертикальном положении продольной оси, причем в первом варианте транспортируется большинство существующих отечественных и зарубежных РКН и их ступеней (блоков), поскольку такое положение изделий традиционно, накоплен опыт и имеются транспортные средства, незначительная доработка которых позволяет использовать их для перевозки специальных грузов. Достоинством горизонтального положения РКН при транспортировке является также удобство обслуживания перевозимого груза и возможность перевозки с большими скоростями. Однако при этом направление основных перегрузок является неблагоприятным, и транспортные средства должны быть оборудованы специальными устройствами, ограничивающими силовое воздействие, и устройствами, изолирующими РКТ от окружающей среды. При вертикальном положении РКН направление нагрузок является благоприятным, сборка ракеты на технической позиции может осуществляться с использованием типового грузоподъемного оборудования монтажноиспытательного корпуса (МИК) в достаточно комфортных условиях. Однако вертикальная транспортировка является достаточно сложной операцией и может осуществляться на малых скоростях с использованием специальных платформ и движителей. Кроме того, для поддержания вертикальности РКН при транспортировке платформа должна оборудоваться системой стабилизации, обеспечивающей высокую точность горизонтального положения стартовой платформы. Условия транспортировки РКТ зависят от вида используемого транспорта. Для сравнения выберем действующие на перевозимый груз нагрузки, максимальные скорости движения и взаимодействие с окружающей средой. При использовании автодорожного транспорта к достоинствам следует отнести развитую сеть шоссейных дорог страны, наличие транспортных средств, близких по характеристикам к необходимым для перевозки спецгрузов, однако транспортировка по дорогам связана с механическими воздействиями, из которых наиболее опасны вибрации и ударные нагрузки. Вибрации могут быть вызваны неровностью дорог и характеризуются величиной ускорений (перегрузок), частотой и амплитудой колебаний. Диапазон частот колебаний при перевозке РКН различными видами транспорта и уровень возникающих перегрузок представлены в табл.4.1. 317 Таблица 4.1 Диапазон частот колебаний при перевозке РКН различными видами транспорта и уровень возникающих перегрузок Вид транспорта Диапазон частот, Гц Коэффициент перегрузки Железнодорожный 0…20 0,15…1,5 Автодорожный 4…80 2…7 Авиационный До 2000 2…3 Морской 0…20 1…2 Наибольшую опасность при вибрации представляют резонансные колебания, когда частота вибрации совпадает с собственной частотой колебаний элемента. Ударные нагрузки могут возникать при маневрировании транспортных средств, резком торможении на крутых поворотах. Удар вызывает резкое и быстрое изменение скорости и направления перемещения груза. Амплитуды колебаний при ударе могут быть значительными, что приводит к образованию трещин и изломов в хрупких и особо напряженных узлах конструкции, ослаблению креплений, нарушению контактов в электрических цепях и др. В этом отношении использование железнодорожных транспортных средств предпочтительнее из-за возможности перевозки на значительные расстояния с большими скоростями при сравнительно низких ускорениях и ударных нагрузках. Впрочем, решение этой задачи существенно усложняется из-за ограничения габаритов перевозимых грузов, что характерно для ступеней РКН тяжелого и сверхтяжелого классов. Использование водного вида транспорта не имеет ограничений по дальности, габаритам, а действующие ускорения сравнительно малы, однако перевозимый груз подвергается воздействию окружающей среды, в виде температуры и влажности воздуха. Отрицательно влияют на элементы РКН суточные колебания и температуры, особенно нежелательны переходы через нулевое значение. Водяные пары, содержащиеся в атмосфере при понижении температуры воздуха, конденсируются в мельчайшие капельки воды. При быстром понижении температуры возможно выпадение росы даже во внутренних объемах ракеты, которая может проникать в трещины, зазоры, капилляры или находится на поверхности деталей ракеты. Наличие в составе атмосферного воздуха солей и кислот, что характерно при использовании водного вида транспорта, ведет к образованию на поверхности металлов пленки электролита и электрохимической коррозии. Насыщенная 318 же солями вода вызывает создание электрического потенциала на границе двух соприкасающихся металлов, появление тока и коррозию металла. Коррозия металлов снижает прочность элементов ракеты, уменьшает точность работы механизмов и приборов, срок их службы. Развитию коррозии активно способствуют суточные колебания температуры, когда при этом имеет место переход от конденсации к испарению и обратно. При интенсивных суточных колебаниях температуры скорость коррозии резко возрастает: в умеренном климате – в 1,5…2 раза, а в тропическом – в 3…4 раза, поэтому РКН при транспортировке должна быть изолирована от окружающей среды. Для быстрой доставки элементов РКТ на космодромы целесообразно использование авиационных транспортных средств, кроме того они могут использоваться и для перевозки крупногабаритных ступеней при наружной их подвеске, но это существенно удорожает операцию, хотя технически и возможно (рис. 4.6). Рис. 4.6. Транспортировка орбитального корабля «Буран» авиационным транспортом В полной мере изолированно ни один вид транспорта не может решить задачу доставки на космодром всей номенклатуры грузов, необходимых для подготовки изделия к пуску. В большей степени этой задаче соответствуют железнодорожные транспортные средства. Но некоторые ступени и блоки, имеющие уникальные размеры, просто не вписываются в принятые на железной дороге габариты, и поэтому для их транспортировки на космодромы используются самолеты, а для перевозки в пределах космодрома (полигона) – специально разработанные транспортные средства на железнодорожном шасси. 319 4.2. Специальные железнодорожные транспортные средства РКК 4.2.1. Назначение и состав железнодорожных транспортных средств Транспортные средства на железнодорожном шасси предназначены для перевозки ракетно-космической техники с заводов-изготовителей и арсеналов на космодромы (полигоны) и внутриполигонных перевозок с технической позиции на стартовую позицию, а также для придания подвижности другому технологическому оборудованию, используемому в РКК. Для перевозки РКТ используются специальные железнодорожные транспортные средства. Для перевозки отдельных элементов РКТ (технологического оборудования, ЗИП) могут использоваться обыкновенные железнодорожные транспортные средства. Все специальные железнодорожные транспортные средства в зависимости от характера их использования при транспортировке ракетно-космической техники и конструктивной схемы можно разделить на специальные вагоны и специальные транспортные агрегаты (рис. 4.7). Специальные железнодорожные транспортные средства Специальные транспортные агрегаты Специальные вагоны - Крытые вагоны - Платформы - Изотермические вагоны - Цистерны - Транспортные агрегаты ракет - Транспортеры технологического оборудования - Транспортно-буферные платформы - Электротягачи Рис. 4.7. Состав специальных железнодорожных транспортных средств РКК 320 Специальные вагоны являются транспортными средствами, используемыми только для перевозки изделий на большие расстояния по железным дорогам страны. В состав специальных вагонов входят крытые вагоны, платформытранспортеры, изотермические вагоны и цистерны. 4.2.2. Требования к транспортировке изделия Изделие (ракета космического назначения или её составные части) как объект военной техники относится к разрядным грузам, т.е. к опасным грузам. Общее требование, предъявляемое к транспортировке изделия, может быть сведено к следующему: транспортируемое изделие, независимо от расстояния его перевозки, должно быть доставлено в целости и сохранности. В силу этого транспортное средство должно удовлетворять общетехническим и специальным требованиям. К общетехническим требованиям, характеризующим транспортное средство как средство передвижения, относятся: простота конструкции, малые габариты и вес, компактность размещения оборудования, простота обслуживания и ремонта и др. Удовлетворение этим требованиям представляет собой сложную задачу, решение которой определяется, прежде всего, уровнем развития вида транспорта. Тем более, что большинство из указанных требований противоречивы. Например, требование малого габарита при больших линейных размерах изделий трудноразрешимо, а требование компактности размещения оборудования противоречит требованию простоты обслуживания, так как при высоком уровне компактности доступ к элементам и механизмам транспортного средства будет существенно затруднен. К специальным – можно отнести требования, обусловленные назначением оборудования (агрегатов для транспортировки грузов) и спецификой РКН и ее составных частей как объекта транспортировки. Железнодорожный подвижной состав и его составные части должны обеспечивать[16]: – соблюдение габарита железнодорожного подвижного состава; – выполнение условий эксплуатации с учетом внешних климатических и механических воздействий; – техническую совместимость с инфраструктурой железнодорожного транспорта и другим железнодорожным подвижным составом, эксплуатирующимся на этой инфраструктуре; 321 – устойчивость к сходу колеса с рельса; – устойчивость к опрокидыванию в криволинейных участках пути; – предотвращение самопроизвольного ухода с места стоянки; – сцепление в поездах для передачи динамических усилий на режимах тяги и торможения; – допускаемый тормозной путь; – непревышение погонных нагрузок, предельно допустимых сил по воздействию на путь, расчетных осевых нагрузок; – выполнение требований пожарной безопасности и другие требования. Специфичность же изделия как объекта транспортировки, особенно связанная с его недостаточной прочностью в поперечной плоскости и чувствительностью к перегрузкам, предъявляет к транспортному средству еще ряд частных специальных требований как конструктивного, так и эксплуатационного характера. К специальным требованиям относятся: обеспечение допустимого (заданного) уровня перегрузок; надежное закрепление изделия и легкость его освобождения от транспортного средства; обеспечение защиты изделия от окружающей среды; устойчивость и безопасность движения; удобство и безопасность эксплуатации. Рассмотрим часть специальных требований, предъявляемых к транспортным средствам, и определим пути их достижения. Допустимый уровень перегрузок В процессе движения транспортного средства на него действуют перегрузки, величина которых не должна превышать допустимых для данного типа изделия величин. Перегрузка в поперечной плоскости определяется выражением где G – сила веса изделия (рис. 4.8); Рj – сила инерции, действующая в вертикальной плоскости; – ускорение вдоль оси Z. Знаки (+) или (–) силы инерции и ускорения определяют направление действия ускорения; – допустимая величина перегрузки. 322 Рис. 4.8. Схема для определения нагрузок на РКН Для существующих изделий с жидкостными ракетными двигателями, транспортировка которых осуществляется в не заправленном состоянии, . Естественно, что наибольшее значение перегрузки вдоль оси z имеет место при совпадении направления действия силы веса и силы инерции. В продольной плоскости допустимая величина перегрузки существенно выше, чем в поперечной и составляет , а действующая перегрузка определяется из выражения где – ускорение в продольной плоскости. При транспортировке изделия на большие расстояния – на его сохранность влияет не только величина наибольших ускорений, но и средний уровень, а также интенсивность ускорений. Для оценки этого производится подсчет среднеквадратичных значений ускорений в процессе перевозки и количество циклов их воздействия на изделие. 323 Для снижения действующих ускорений на изделие при движении транспортное средство не только оснащается упруго-демпферными связями с неподрессоренными частями ходовых тележек, но, как правило, укладывается на опоры с упругими элементами на контактных поверхностях. Надежность закрепления изделия на транспортном средстве Крепление изделия к транспортному средству должно исключить повреждение корпуса и появление в нем недопустимых напряжений. С этой целью изделие укладывается на две основные опоры 1, 4 (рис. 4.8), что гарантирует передачу на корпус от опор расчетных нагрузок. В одном опорном поясе (4) изделие закрепляют для его защиты от продольных и поперечных перемещений, а во втором (1) допускают возможность продольных перемещений совместно с опорой, или по отношению к ней. В местах соприкосновения корпуса с опорой не должны возникать местные деформации, превышающие допустимую величину. С этой целью поверхность контакта должна выбираться из расчета возникновения в местах контакта удельного давления р ≤ 0,4 МПа. Для исключения общей недопустимой деформации корпуса изделия его прогиб f между опорами не должен превышать f 1 L , где L – расстояние 400 между опорами. Для уменьшения общих деформаций при длительном хранении изделия применяют дополнительные разгружающие опоры (3), которые обеспечивают создание постоянного поддерживающего усилия (Рд). Узлы крепления изделия на раме должны исключать передачу на его корпус изгибающих усилий и крутящих моментов. Это требование может быть выполнено как за счет опор и возможности самоустанавливания опорных элементов в изделия (рым-болтов 2, 5) в узлах крепления, так и за счет уменьшения деформации самой рамы путем повышения ее жесткости. Обеспечение защиты изделия от окружающей среды В процессе транспортировки изделия на транспортном средстве должна быть обеспечена его защита от воздействия неблагоприятной окружающей среды и, при необходимости, поддержание в замкнутых объектах определенного температурно-влажностного режима. 324 Для удовлетворения этого требования используются мягкие гермоукупорки, специальные герметичные контейнеры и системы термостатирования. Кроме того, корпус изделия может защищаться кузовом самого транспортного средства и специальными защитными чехлами-тентами или щитами. Устойчивость и безопасность движения При транспортировке изделия по различным дорожным магистралям необходимо обеспечить заданную устойчивость от опрокидывания и высокую степень безопасности движения самого транспортного средства Для выполнения этого требований транспортное средство должно иметь надежную систему торможения с автоматически действующим и ручным тормозами, а также возможность осуществлять движение со среднетехническими скоростями для данного вида транспорта во избежание нарушения общего характера движения. Удобство и безопасность эксплуатации При длительных перевозках или хранении изделия на транспортном средстве оно должно обеспечивать удобство (и безопасность) эксплуатации изделия обслуживающим персоналом и проведение погрузочно-разгрузочных работ. С этой целью на транспортном средстве должны быть сведены к минимуму ручные операции, предусмотрена механизация работ, использованы специальные площадки и трапы с ограждением для размещения обслуживающего персонала в ходе выполнения работ, защитные устройства и блокировки, исключающие отклонения от установленной последовательности выполнения операций, а также выполнение регулярного контроля над состоянием узлов и их замены. 4.2.3. Конструктивно-компоновочные схемы специальных железнодорожных транспортных средств К специальным железнодорожным транспортным средствам относится подвижной состав, имеющий ходовую часть, рассчитанную для передвижения по железной дороге, и обеспечивающий транспортировку ракетно-космической техники. Применение железнодорожных ходовых частей позволяет повысить нагрузку на ось транспортного средства и способствует механизации и автоматизации технологических операций, благодаря возможности осуществления строго направленных перемещений по рельсовому пути. 325 В крытых вагонах перевозятся ступени и блоки изделий, если их размеры вписываются в установленные габариты подвижного состава 1-Т (рис. 4.9), допускаемые к обращению по всем железным дорогам страны. Рис. 4.9.Габариты подвижного состава на железнодорожном шасси Крытые вагоны могут маскироваться под грузовые и почтово-багажные вагоны, с соответствующими знаками и надписями на кузове (рис. 4.10). В конструкцию крытых вагонов входит как общежелезнодорожное, так и специальное оборудование. Общежелезнодорожное оборудование устанавливается без изменений на всех транспортных средствах и включает следующие сборочные единицы: ходовые тележки, раму, ударно-тяговые приборы, тормозное оборудование. В специальное оборудование входят устройства для размещения и закрепления изделия, а также механизмы для облегчения погрузочно-разгрузочных работ. 326 Рис. 4.10. Специальный крытый вагон в монтажно-испытательном корпусе Основные конструктивные элементы специальных крытых вагонов показаны на рис. 4.11. На рисунке цифрами обозначены: 1 – задняя опора; 2 – передняя опора; 3 – кузов; 4 – лебедка; 5 – сцепка-упор; 6 – передвижная рама; 7 – рама вагона; 8 – ресивер тормозного оборудования; 9 – ходовая часть (тележка); 10 – ударно-тяговые приборы (автосцепка); 11 – откидная опора; 12 – подкос; 13 – замок опоры; 14 – винтовой домкрат. 327 Рис. 4.11. Схема специального крытого вагона Кузов вагона предназначен для размещения грузов специального оборудования и их защиты от атмосферного воздействия. Рама вагона служит основанием кузова и воспринимает все нагрузки, действующие на вагон. Вместе с кузовом рама составляет единую несущую конструкцию. На ней размещаются ударно-тяговые приборы и часть тормозной системы. Ходовые части являются наиболее ответственными узлами, обеспечивающими безопасность движения вагона по рельсовому пути с необходимой плавностью хода и наименьшим сопротивлением движения. К ходовым частям относятся колёсные пары, буксы, направляющие букс и элементы подвески (рессоры и демпферы). В специальных вагонах и транспортных агрегатах элементы ходовых частей объединяются в специальные узлы, называемые тележками. Ударно-тяговые приборы (автосцепка) служат для соединения вагонов между собой и локомотивом, удерживая их на определенном расстоянии друг от друга, передачи и амортизации растягивающих и сжимающих усилий, возникающих при движении поезда или в процессе маневров на станциях. Современным ударно-тяговым прибором является автосцепка 10, выполняющая все основные функции ударных и тяговых приборов. 328 Тормозная система предназначена для создания искусственного сопротивления движению поезда или отдельного вагона с целью регулирования скорости движения, а также для остановки и удержания поезда или вагона на месте. В состав специального оборудования обычно входят передвижная рама 6 с узлами крепления ступеней 1 и 2, механизм передвижения рамы (лебедка) 4 и электрооборудование. Передвижная рама опирается катками на рельсы, проложенные по полу кузова, и имеет откидные опоры 11 (рис. 4.11, б). При этом откидные опоры рамы под действием собственного веса опускаются катками на рельсы железнодорожного пути, а подкосы 12 в это время фиксируются специальными запорными механизмами 13. Таким образом обеспечивается горизонтальное положение передвижной рамы в выдвинутом положении. Домкраты 14 опираются на рельсы и предотвращают деформацию рессор тележки в процессе передвижения рамы и соответственно изменения положения центра тяжести груза. Выкатывание и вкатывание передвижной рамы во время погрузочноразгрузочных работ производится с помощью лебедки 4. В транспортном положении передвижная рама фиксируется в кузове вагона от перемещений сцепкой-упором 5 и боковыми упорами, установленными на полу кузова. К специальным крытым вагонам можно отнести и вагоны с разборными кузовами. Такой вагон создается на базе грузовой платформы, оснащенной опорами и узлами крепления груза (рис. 4.12). Рис. 4.12.Вагон с разборным кузовом 329 К платформе болтами крепятся торцевые стенки, на которые устанавливается съемная крыша. Для обеспечения жесткости конструкции крыша подкрепляется боковыми рамами, которые фиксируются на раме платформы. Для обеспечения требуемых условий транспортировки груза на рамы навешиваются панели облицовки. Если груз вписывается в габарит платформы, то боковые рамы и облицовка выполняются вертикально плоскими. Если груз не вписывается, то рамы с облицовкой делаются не плоскими, а выпуклыми (имеющими выгнутый профиль), а в торцевых стенках могут делаться вырезы, закрываемые крышками. Платформы-транспортеры применяются для перевозки негабаритных грузов, размеры которых выходят за габариты 1-Т, но еще допускаются к транспортировке по железным дорогам с определенной степенью негабаритности. Платформа-транспортер представляет собой вагон без кузова (рис. 4.13). Основной несущей конструкцией агрегата является рама, непосредственно на которой монтируется специальное оборудование для размещения и крепления изделия. 2 3 1 6 4 5 Рис. 4.13. Схема платформы-транспортера Для защиты от атмосферного воздействия во время транспортировки изделие закрывается листами защитного ограждения, которые образуют нежесткий кузов. С целью снижения общей высоты платформы с грузом хребтовая балка 6 рамы 1 может быть выгнута вниз. Тележки, автосцепки и тормозное оборудование имеют такую же конструкцию, как и у крытых вагонов. Перевозимое изделие 2 укладывается на две опоры с ложементами 5. На одном ложементе изделие укладывается свободно, относительно другого оно фиксируется специальными узлами крепления. 330 Продольная фиксация ступени относительно рамы платформы осуществляется стяжкой 3, которая, с одной стороны, соединяется с кронштейном 4, установленным на раме платформы, с другой стороны, соединяется или непосредственно с изделием, или со специальной траверсой, которая присоединяется к нему. Если изделие имеет монтажные фермы с торцов, то последние являются силовыми элементами, которыми ступень (блок) опирается на свои опоры. Изотермический вагон имеет такую же общую компоновку, как и крытый вагон, отличие заключается лишь в специальном оборудовании, которое включает холодильно-нагревательные установки, дизель-генератор и помещения для обслуживающего персонала. Холодильно-нагревательная установка обеспечивает поддержание заданного теплового режима в вагонах, предназначенных для перевозки космических объектов. Для этой цели изотермический вагон соединяется специальными воздуховодами с вагоном, в котором находится термостатируемый объект. Цистерны представляют собой вагоны, кузовом у которых является специальный резервуар цилиндрической формы, служащий емкостью для перевозки компонентов ракетных топлив. Специальные транспортные агрегаты являются не только транспортными средствами, но и участвуют в выполнении других технологических операций. В отличие от специальных вагонов транспортные агрегаты не имеют ограничений в габаритах, так как курсируют в пределах полигонов по специально построенным железнодорожным веткам. Специальные транспортные агрегаты включают в себя транспортные агрегаты ракет, транспортеры технологического оборудования и транспортнобуферные платформы. Транспортные агрегаты ракет предназначены для перевозки собранных и незаправленных РН и РКН с технической позиции на стартовую для установки изделий на пусковые столы с помощью установщиков. Транспортеры технологического оборудования используются для создания подвижных агрегатов или для перемещения технологического оборудования между позициями. Транспортно-буферные платформы являются платформами прикрытия в случае транспортировки собранных изделий на транспортных или транспортноустановочных агрегатах, а также служат для перевозки космических аппаратов с технической позиции на стартовую в случае необходимости его замены на уже установленной на пусковой стол РКН. 331 4.2.4. Общежелезнодорожное оборудование специального транспортного средства Подавляющая часть специального транспортного оборудования РКК проектируется и создается на базе стандартных железнодорожных агрегатов, дополнительно оборудуемых (переоборудуемых) под разрядные грузы. Основными элементами стандартного железнодорожного транспорта являются: рама, нижняя несущая часть конструкции вагона (цистерны и т.п.), на которую опирается кузов или иное оборудование для размещения и крепления груза; ходовые тележки, используемые в качестве ходовой чаcти транспортных средств и предназначенные для обеспечения движения по рельсовым путям, а также для восприятия и передачи всех нагрузок, возникающих при взаимодействии колес с рельсами во время движения. На ходовые тележки опирается рама вагона. ударно-тяговое устройство, установленное на раме и предназначенное для восприятия и смягчения продольных толчков, а также для передачи тягового усилия от локомотива и осуществления автоматической сцепки вагонов. тормозное оборудование, размещенное на раме и ходовых тележках, предназначенное для затормаживания вагонов и других агрегатов при их движении в составе поезда или стоянке. С учетом общего веса большинства вагонов (платформ, цистерн и т.п.) и допустимой нагрузки на одну колесную ось, которая составляет 21 тонну, в вагонах, как правило, необходимо установить более двух колесных пар. Вписывание же длинных вагонов с числом осей более двух в кривые участки железнодорожного пути без специальных ходовых тележек затруднено. Тележки, имея короткую базу, могут свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости относительно рамы вагона. Это позволяет тележечным вагонам при небольшом числе колесных пар проходить кривые участки малого радиуса с малым сопротивлением. Основная несущая часть рамы воспринимает все внешние сосредоточенные силы, к которым относятся продольные нагрузки, передаваемые ударнотяговыми прибором, и реакции опор кузова на тележках. Кроме того, на раму действует и полезная нагрузка (от перевозимого груза). 332 Чтобы обеспечить достаточную местную прочность, правильно распределить и передать на конструкцию кузова большие сосредоточенные силы, в конструкции рамы предусмотрено наличие усиленных балок. Обычно конструкция рамы вагона включает (рис. 4.14): хребтовую балку 2, воспринимающую продольные силы; шкворневые балки 1, на которые опираются ходовые тележки через прикрепленные к балкам подпятники. В центральное отверстие подпятников входят шкворни тележек. поперечные балки 3; боковые балки 4; торцевые балки 5. Рис. 4.14. Конструкция рамы вагона Концевые (торцевые) поперечные балки воспринимают часть продольных нагрузок при сильных ударах и передают их на боковые балки. Боковые балки являются продольными элементами боковых стен кузова вагона. Хребтовая балка, на которой крепится ударно-тяговый прибор, может быть выгнута в средней части вниз, что снижает высоту вагона. Для специального транспорта (например, транспортно-установочной тележки) рама может и не иметь хребтовой балки, а ее функцию выполняют две мощные боковые балки. Автосцепка для этого случая размещается на усиленных концевых поперечных балках. Верхняя часть кузова состоит боковых стен, торцевых стенок и крыши. Стены кузова выполнены из тонколистовой гофрированной обшивки, подкреплённой каркасом из продольных и поперечных силовых элементов, которые в совокупности с боковыми балками рамы образуют единую несущую систему, обеспечивающую необходимую жёсткость и прочность кузова при минимальной массе. 333 В современных железнодорожных транспортных средствах все элементы ходовой части объединяются в единое устройство, называемое тележкой. Такое конструктивное решение обусловлено тем, что с учетом общего веса специальных железнодорожных агрегатов и допустимой нагрузки на ось в вагонах, как правило, необходимо устанавливать более двух колесных пар. Вписывание же длинных вагонов в кривые участки пути без тележек затруднено. Тележки, имея короткую базу, могут свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости относительно рамы вагона. Это позволяет тележечным агрегатам при необходимом числе колесных пар проходить кривые участки пути малого радиуса с небольшим сопротивлением движению. Кроме того, благодаря возможности сравнительно удобного размещения в тележках упругих элементов в сочетании с гасителями колебаний и устройствами для обеспечения устойчивого положения кузова, создаются условия для хорошей плавности хода и сохранности перевозимого груза. Повышению плавности хода также способствует то, что при проходе колесной пары через неровность средняя часть тележки, на которую опирается кузов, получает по сравнению с высотой неровности вдвое меньшее вертикальное перемещение. Ходовые тележки различают по числу осей, устройству подвески, способу передачи нагрузки от кузова вагона на раму тележки и от нее к колесным парам. Серийные тележки, используемые в качестве ходовой части специальных вагонов и других транспортных агрегатов РКК имеют индекс ЦНИИ-Х3-0. Эти тележки имеют одинарное центральное рессорное подвешивание и допустимую нагрузку на ось до 210 кН. Транспортные средства с такими тележками допускаются к обращению по всем железным дорогам страны. Примечание. В подвижных транспортно-установочных агрегатах, предназначенных для перевозки тяжелых объектов, нагрузка на ось может достигать 500 кН и больше, поэтому для их передвижения строят специальные железнодорожные пути. Тележки, используемые в указанных агрегатах, отличаются от тележек ЦНИИ-ХЗ-О более высокой прочностью элементов колесных пар и мощными буксовыми узлами. Тележка типа ЦНИИ-ХЗ-О состоит из двух колесных пар 3 (рис. 4.15) c буксами 4, двух цельнолитых боковых рам (боковин) 5, двух комплектов центрального рессорного подвешивания 7 с клиновыми демпферами 6, надрессорной балки 1 и рычагов тормозной передачи 2. 334 1 3 2 4 5 6 7 Рис. 4.15. Конструкция ходовой тележки Надрессорная балка представляет собой силовой элемент, передающий все нагрузки от тележки на раму агрегата и обратно. Колесная пара направляет движение вагона по рельсовому пути и воспринимает все нагрузки от вагона на рельсы и обратно. Она представляет собой стальную ось 1 (рис. 4.16), на которую напрессовывают колеса 2, минимальная разность диаметров поверхности катания которых должна быть не более 1 мм. Для рационального взаимодействия колеса и рельсового пути профиль колеса имеет гребень а и коническую поверхность катания с двумя уклонами 1:20 и 1:7, а также фаску. Гребень предотвращает колесную пару от схода с рельсов. Коническая поверхность катания предотвращает образование неравномерного по ширине колеса износа, облегчает прохождение кривых и центрирует колесную пару на прямых участках пути, и в то же время вызывает извилистое движение колесной пары. Уклон 1:7 и фаска поднимают наружную грань колеса над головкой рельсов, чем облегчают прохождение стрелочных переводов. Диаметр цельнокатанных колес тележки – 950 мм. 335 а 2 1 70 130 6 1:7 1:20 33 R 12,5 6 R15 28 Рис. 4.16. Особенности конструкции колеса Комплект центрального рессорного подвешивания состоит из упругого пакета и клинового демпфера сухого трения. Упругий пакет может состоять из пяти, шести или семи двухрядных витых цилиндрических пружин. Количество пружин зависит от грузоподъемности вагона или агрегата. На верхние концы этих пружин опирается надрессорная балка 1 (см. рис. 4.15), а нижние их концы устанавливаются на горизонтальную площадку боковой рамы 5. Крайние боковые пружины поддерживают клинья гасителей колебаний. Клинья демпфера размещены в особых углублениях надрессорной балки 1 и своими наклонными гранями соприкасаются с наклонными стенками выемок в надрессорной балке и с фрикционными планками, укрепленными на колонках рамы. 336 Под действием горизонтальной составляющей нагрузки от надрессорной балки, передаваемой через наклонную площадь стыка, клинья плотно прижимаются к фрикционным планкам боковой рамы, вызывая силы трения, достаточные для гашения колебаний. Комплекты центрального рессорного подвешивания обеспечивают плавность хода. Так как величины возможных деформаций рессор могут быть определены, то путем подбора жесткости упругих элементов, возможно значительно уменьшить динамические силы, действующие на кузов вагона и следовательно, снизить ускорения и перегрузки, воспринимаемые грузом. Для уменьшения резонансных амплитуд и гашения свободных колебаний в рессорный комплект входят демпферы сухого трения с постоянной (рис. 4.17, а) или изменяемой (рис. 4.17, б) силой трения. а) б) Рис. 4.17. Демпферы сухого трения Для обеспечения необходимой плавности хода вагона сила трения демпферов и жесткость пружин подбирают так, чтобы действующие на груз перегрузки допустимой величины не превышали. Уменьшение динамического воздействия пути на подрессоренную часть транспортного средства обусловлено упругими свойствами подвески. Рассмотрим этот процесс на примере проезда колесной пары железнодорожного транспортного средства, движущегося со скоростью Vг, через стык со ступенькой (рис. 4.18, а). В этом случае имеет место скачкообразное перемещение мгновенного центра вращения колес с одного рельса на другой (точки А1 и А2 соответственно). В результате перемещения центра вращения изменяется направление линейной скорости V движения оси колесной пары, что приводит к возникновению вертикальной составляющей скорости Vв, величину которой можно определить из выражений . 337 С учетом того, что угол мал, указанные выражения примут вид: . Таким образом, вертикальная скорость колесной пары практически мгновенно приобретает значение . Вследствие этого возникает ударный импульс, определяемый мгновенным поглощением кинетической энергии (жесткий удар), который при отсутствии упругого элемента непосредственно передавался бы на кузов транспортного средства и перевозимый груз. а) б) Рис. 4.18. Схема проезда колесной пары через стык (со ступенькой) рельсового пути Наличие упругого элемента (см. рис. 4.18, б), расположенного между колесной парой и кузовом, приводит к тому, что под действием динамической силы (в результате перемещения колесной пары) происходит его деформация, и на кузов дополнительно к весу действует только сила упругости указанного элемента Рупр, определяемая следующими параметрами: величиной его деформации fg ; его жесткостью Ср (Рупр=Ср fg). Путем подбора жесткости упругого элемента можно значительно уменьшить динамические силы, действующие на кузов, и, соответственно, снизить ускорения и перегрузки, воспринимаемые перевозимым объектом. 338 4 3 2 1 Рис. 4.19. Конструкция автосцепки Ударно-тяговые приборы относятся к основным и ответственным частям вагона. Они обеспечивают сцепление вагонов, передачу и амортизацию продольных усилий. Стандартным ударно-тяговым прибором является автосцепка СА-3. Она располагается посередине буферного бруса и имеет следующие основные части (см. рис. 4.19): корпус 2 автосцепки, с расположенными в нем механизмом 1, упряжное устройство 4 с поглощающим аппаратом и ударно-центрирующий прибор 3. Корпус автосцепки с механизмом служит для сцепления вагонов и передачи к ним тянущих и толкающих усилий от локомотива. Для обеспечения автоматического сцепления головная часть корпуса автосцепки выполнена в виде фигурной пустотелой отливки, имеющей головную часть и хвостовик. Головная часть имеет приливы, называемые соответственно большим и малым зубом, и полость (зев) для размещения механизма автосцепки, называемую карманом. Механизм автосцепки обеспечивает автоматическое запирание двух сомкнутых автосцепок, их расцепление посредством расцепного привода и автоматическое восстановление готовности к очередному сцеплению. 339 4.3. Основные эксплуатационные нагрузки, действующие на транспортное оборудование Нагрузки, действующие на транспортное оборудование в процессе эксплуатации, могут быть рабочими, предельными и аварийными (см. п. 1.4). Основными рабочими нагрузками для транспортного оборудования (из общего перечня нагрузок, действующих на технологическое оборудование стартовых и технических комплексов) можно считать весовые, инерционные, ветровые нагрузки. В отличие от средств обслуживания (см. п. 3.1.3)газодинамические и тепловые нагрузки от воздействия газового потока могут не рассматриваться, так как агрегаты транспортного оборудования, как правило, отводятся на безопасное расстояние от стартового комплекса перед пуском РКН. В то же время заметим, что столкновение агрегатов, транспортирующих РКН или ее составные части, может считаться причиной возникновения аварийных расчетных нагрузок[3].А на цистерны, используемые для транспортировки компонентов ракетного топлива, могут действовать аварийные нагрузки от взрыва РКН в процессе заправки. Сами цистерны с КРТ являются источником повышенной пожаро,- взрывоопасности. Весовые нагрузки и расчетные нагрузки от действия осредненного ветрового напора относятся к статическим нагрузкам, а инерционные нагрузки, возникающие при неравномерном движении агрегата и отдельных его элементов – к динамическим нагрузкам. Динамика транспортных средств рассмотрена в п. 4.4. Весовые нагрузки Весовые нагрузки создаются силами веса конструкций агрегата, перевозимого груза (РКН) и специального оборудования. Порядок расчета весовых нагрузок аналогичен приведенному в п. 3.1.3. Весовые нагрузки являются основным видом нагрузок, приводящим к статическому нагружению элементов конструкции. При расчете статической прочности используется допустимое значение коэффициента запаса, которое в соответствии [3] с определяется выражением где – коэффициент неучтенных факторов, принимаемый равным 1,1 при проектировании агрегата или при изменении условий эксплуатации уже изготовленных агрегатов; – коэффициент запаса по статической прочности. 340 Коэффициент учитывает состояние нагружения агрегата и вид устойчивости. Значение при расчетеагрегатов группы II: для рабочего расчетного случая – 1.25; для предельного или аварийного расчетного случая – 1.0. Значение выбирается в зависимости от материала конструкции и отношения напряжений , характеризующих материал. Значение выбирается в соответствии в зависимости от наличия термической обработки и способа определения механических свойств материала Инерционные нагрузки Инерционные нагрузки необходимо учитывать для нескольких ситуаций, возникающих при движении агрегатов транспортного оборудования. Учет инерционных нагрузок важен при расчете механизмов передвижения и их тормозных механизмов. Инерционные силы при прямолинейном движении определяются выражением где – масса агрегата; – ускорение при разгоне или торможении агрегата. При передаче динамических усилий на режимах тяги и торможения должно обеспечиваться сцепление колес. В общем случае сила сцепления приводных колес должна быть больше суммы сил сопротивления: где – сила ветра; – сила трения; – составляющая силы веса агрегата при наличии уклона рельсовых путей. Если скорость движения транспортного средства составляет более 2,5 % от скорости ветра, то скорость движения должна учитываться при расчете действия силы ветра. Транспортные средства должны сохранять устойчивость от опрокидывания в криволинейных участках пути. Инерционная нагрузка в боковой плоскости определяется выражением где – масса транспортного средства; – угловая скорость прохождения поворота (рис. 4.20); – радиус поворота. 341 Vдв ωпов цб Fин rпов Рис. 4.20. Схема для определения инерционной нагрузки в боковой плоскости Угловая скорость прохождения поворота определяется отношением скорости прохождения поворота к радиусу: Ветровые нагрузки Ветровые нагрузки, действующие на транспортные средства, должны учитываться при расчете сил сопротивления движению и при расчете опрокидывающих моментов. Ветровые нагрузки могут быть определены по методике, описанной в п. 3.1.3. Устойчивость транспортного средства Устойчивость транспортного средства по опрокидыванию при действии эксплуатационных нагрузок проверяется в боковом направлении и оценивается коэффициентом устойчивости по опрокидыванию: опр k уст где М стаб опр k уст , М опр Мстаб – стабилизирующий момент; Мопр – опрокидывающий момент; – нормативный коэффициент устойчивости по опрокидыванию. 342 Для транспортного средства основной опрокидывающий момент создается силой ветра и центробежной составляющей силы инерции : , где – плечо действия силы ветра (рис. 4.21); – плечо действия центробежной составляющей силы инерции. Fв hв цб Fин hцт Fт хцт Рис. 4.21. Схема для определения устойчивости от опрокидывания где Стабилизирующий момент создается силой тяжести: , – плечо действия силы тяжести. Дополнительные опрокидывающие силы могут возникать при колебаниях транспортного средства из-за неровностей пути и особенностей работы упругих и демпфирующих элементов ходовых тележек (подвески) [см. п. 4.4]. Устойчивость транспортного средства по скольжению при действии эксплуатационных нагрузок проверяется для неподвижного положения агрегата и оценивается коэффициентом устойчивости по скольжению: k где ск уст ск Fсопр Fв Fукл ск k уст , – сила сопротивления скольжению транспортного средства; – сила ветра; – составляющая силы веса транспортного средства при наличии уклона рельсовых путей; – нормативный коэффициент устойчивости по скольжению. 343 Сила сопротивления Fсопр при расчете устойчивости по скольжению опск ределяется силой торможения колес . Сила торможения колес зависит от числа колес, связанных с тормозными устройствами, и коэффициента трения Fтрск m Fт ск f тр , n где m – число колес, связанных с тормозными устройствами, n – общее число колес, f трск – коэффициент трения скольжения. Нормативные коэффициенты устойчивости для всех состояний и видов устойчивости определяются так: . Коэффициент неучтенных факторов принимается равным 1,1 при проектировании агрегата или при изменении условий эксплуатации уже изготовленных агрегатов. Для агрегатов, транспортирующих грузы, частный коэффициент запаса устойчивости назначается (для предельных нагрузок): – от опрокидывания ; – от скольжения (при доле сдвигающих весовых нагрузок, составляющих 100%) . Специальные железнодорожные транспортные средства в процессе эксплуатации передвигаются по железнодорожным путям общего назначения или специальным рельсовым путям. Нагрузки на рельсовый путь не должны превышать заданных нормативными документами. Расчет контактной прочности ходовых колес должен проводиться по специальным методикам, учитывающим специфику их нагружения. Расчет транспортных агрегатов проводится на устойчивость, прочность, деформативность и воздействие агрегата на РКН или ее составные части [3]. Допустимость воздействий агрегата на РКН или ее составные части обеспечивается проверкой и выполнением следующих условий: по непревышению ускорений – ; по непревышению нагрузок (усилий, моментов) – ; по непревышению удельных давлений – ; по непревышению перемещений (деформаций) – . 344 Для дифференцированного назначения коэффициента запаса по критериям прочности и деформативности: составные части транспортных агрегатов относят к группе II, так как их поломка может вызвать повреждение РКН или ее составных частей и/или остановку в работе при выполнении рабочей операции; элементы крепления агрегатов и их составных частей относят к группе III, так как их поломка не вызывает повреждение РКН или ее составных частей и не отражается на выполнении рабочей операции. 4.4. Динамика транспортных средств 4.4.1. Виды колебаний транспортных средств При движении транспортных средств из-за взаимодействия с окружающей средой могут возникнуть колебания как самого транспортного средства, так и перевозимого груза. Для автодорожных и железнодорожных транспортных средств это в основном связано с взаимодействием колес (гусениц) с неровной поверхностью дороги или железнодорожного полотна, для водного транспорта – с наличием волн на поверхности водной акватории. Для воздушного транспорта колебания могут быть связаны с неоднородными свойствами и течением воздушных масс по трассе полета. В отдельных случаях к вибрациям перевозимого груза может привести специфика конструкции и процессов работы элементов транспортного средства (например, двигателя). Транспортное средство и груз представляют собой упругую систему, обладающую определенной жесткостью и прочностью. При исследовании колебаний такой системы различают собственные и вынужденные колебания. Под собственными колебаниями подразумевается [15] движение, которое совершает система, освобожденная от внешнего активного силового воздействия и предоставленная сама себе. Особенности такого движения системы определяются наличием и параметрами восстанавливающих сил и сил сопротивления. Собственные колебания начинаются в результате некоторого начального импульса и продолжаются до тех пор, пока сообщенная в начале колебательного процесса энергия не будет полностью израсходована на работу против сил сопротивления. 345 Под вынужденными колебаниями подразумевается движение упругой системы, происходящее под действием изменяющихся внешних сил, называемых «возмущающими». Возмущающая сила может быть произвольной функцией времени. При рассмотрении колебаний упругие системы различают по числу степеней свободы, под которым понимается число независимых координат, определяющих положение системы. Число степеней свободы для сложных упругих систем фактически определяется выбором расчетной схемы, то есть той степенью приближения, с которой мы считаем необходимым (или возможным) исследовать реальные транспортное средство с грузом. В общем случае возможно рассмотрение колебаний реальной системы, при котором восстанавливающие силы пропорциональны отклонению выбранных точек от положения равновесия(например, в проекции на произвольную осьz, , где – коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью), а силы сопротивления пропорциональны скорости отклонения точек(например, , где – коэффициент пропорциональности, характеризующий сопротивление). Для сил сопротивления демпфирующего характера коэффициент называют коэффициентом заглушения. Промежуток времени между двумя последовательными отклонениями упругой системы от положения равновесия, как известно, носит название периода собственных (или вынужденных) колебаний и обозначается . Величина, обратная периоду, называется частотой колебаний, и представляет собой число колебаний в секунду. При составлении уравнений колебательного движения во многих случаях рассматривают гармонические колебания с круговой частотой , представляющей собой число колебаний за секунд: Рассмотрим, как определяются свободные и вынужденные колебания на примере железнодорожных транспортных средств. 4.4.2. Свободные колебания железнодорожных транспортных средств При движении железнодорожного транспорта вследствие взаимодействия колесных пар и железнодорожного полотна неизбежно возникают колебания и вибрации подрессоренных и неподрессоренных частей вагона. Уровень колебаний элементов вагона определяет плавность хода и устойчивость вагона при его 346 движении по железнодорожному пути и, в конечном счете, сохранность перевозимого груза. Плавность хода в общем случае оценивается перегрузками, действующими на кузов и перевозимый груз и частотами колебаний кузова и груза, при совпадении которых наблюдается резонанс колебаний груза. Для оценки возможных перегрузок необходимо знать максимальные ускорения подрессоренных масс, которые определяются частотными характеристиками подвесок и амплитудно-частотными характеристиками возбуждающих сил и моментов, возникающих в результате взаимодействия колесных пар и железнодорожного пути. Железнодорожный вагон с одинарным рессорным подвешиванием представляет собой сложную колебательную систему (рис. 4.22, а). Он состоит из подрессоренных частей с общей массой m1 и двух неподрессоренных масс m2передней и задней вагонных тележек, упругих элементов передней и задней подвески с жесткостью c1. Упругость пути и тележек может быть обозначена c2. Демпфирование колебаний осуществляется гасителями колебаний с коэффициентом заглушения 1 и силами трения в элементах рельсового пути, для которых коэффициент заглушения 2. m1 а) 2Cn 2ξn 2ξj 2ξn 2C2 а b m2n 2C2 б) 2Cj m2j 2ξ2 m1 2Cn m2n 2ξn 2Cωn 2ξωn 2ξj 2Cj m2j 2Cωj 2ξωj Рис. 4.22. Железнодорожный вагон: сложная (а) и упрощенная (б) колебательная система 347 Для конструкций вагонов и железнодорожного пути всегда , что позволяет исследовать более простую систему (рис. во 4.22, б). Для дальнейшего рассмотрения выделим одну тележку вагона. На рис. 4.23 показаны схемы взаимодействия неподрессоренных частей с рельсовым путем: а – сложная (с массой m2, двумя рессорами с жесткостью c1 каждая и c отнесенной к тележке массой mк кузова вагона), б – упрощенная (без учета массы неподрессоренных частей), в – без учета массы груза. Силами сопротивления демпферов пренебрегаем, так как при малых их влияние на частоты свободных колебаний незначительно. При рассмотрении полученной системы остановимся лишь на вертикальном перемещении масс mк и m2. Z Z mк Z z1 mк z1 2С1 2С1 m2 z2 m2 2С1 2С2 2С2 а) б) в) Рис. 4.23. Схема взаимодействия неподрессоренных частей с рельсовым путем: а – сложная; б – упрощенная без учета массы неподрессоренных частей; в – без учета массы груза 348 z2 В соответствии с принципом Даламбера для свободных колебаний исходной системы справедливо: (4.1) где – смещение подрессоренной массы тележки и вагона относительно статического равновесия. Решение системы (4.1) имеет вид (4.2) где A, B – амплитуды колебаний; – круговая частота свободных колебаний; – фаза колебаний. Подставим решение (4.2) в систему (4.1) и получим систему алгебраических уравнений относительно A и B: (4.3) Эта система имеет решение, отличное от нуля, если определитель ее равен нулю, что позволяет определить частоты свободных колебаний : Тогда (4.4) Уравнение (4.4) имеет два действительных положительных корня относительно . Свободный член уравнения положителен, следовательно и являются низкой и высокой частотами свободных колебаний системы. Зафиксировав тележку вагона, получим первую частную систему, с массой на рессорах, опирающихся на жесткое основание (см. рис. 4.23, б). Для этой частной системы свободные колебания описываются уравнением имеющим следующее решение, где – круговая частота свободных колебаний первой частной системы. 349 После подстановки решения в уравнение, получим: 0 Вторая частная система – тележка вагона с массой m2, находящаяся между упругими элементами с жесткостью c1 и c2 (см. рис. 4.23, в). Для нее уравнение движения при свободных колебаниях имеет вид Это уравнение приводит к соотношению для частот свободных колебаний: Полученные круговые частоты и ми) частотами исходной упругой системы. являются парциальными (частны- Анализ свободных колебаний рассматриваемой системы показывает, что при колебаниях с низкой частотой , а при колебаниях с высокой частотой , поэтому для приближенных расчетов можно принять или, с учетом того, что причем , . Погрешности таких допущений для вагонов не превышают 3÷6%, однако позволяют: – при определении частот пренебречь упругостью рельсового пути и тележки вагона; – при определении рассматривать колебания только тележки вагона на упругом рельсовом пути. 350 Определение высокой частоты ( ) свободных колебаний вагона необходимо для оценивания возможности резонансных колебаний груза как упругой системы. Таким образом, сложную колебательную систему (рис. 4.22) вагона при анализе низкочастотных колебаний можно заменить простой системой (рис. 4.24), которая в общем виде имеет шесть степеней свободы. m14 2Cn 2Cj 2ξj 2ξn b а Рис. 4.24. Схема транспортного средства как одномассовой системы Для рассматриваемой системы имеют место следующие виды колебаний (рис. 4.25): а – подпрыгивание, б – галопирование, в – подергивание, г – раскачивание, д –поперечный относ, е – виляние. 351 Рис. 4.25. Виды колебаний вагона Дадим краткое описание этих видов колебаний: а) подпрыгивание (рис. 4.25, а) – центр тяжести подрессоренных масс движется только по оси z, а поворот масс отсутствует. Такие колебания возможны, если центр тяжести подрессоренных частей и центр жесткости подвесок совпадают по координате x; 352 б) галопирование (рис. 4.25, б) – подрессоренные массы поворачиваются вокруг оси y’, проходящей через центр жесткости подвесок O1. Такие колебания возможны только при совпадении центра тяжести с центром жесткости по осям x и z. В противном случае имеют место сложные совместные колебания подпрыгивания и галопирования; в) подергивание (рис. 4.25, в) – подрессоренные массы поворачиваются вдоль оси x', а поворот кузова отсутствует; г) раскачивание (рис. 4.25, г) – подрессоренные массы поворачиваются вокруг оси x', проходящей через центр жесткости подвесок O1 . Колебания раскачивания могут сопровождаться колебаниями подпрыгивания и галопирования, но последние не могут стать причиной возникновения раскачивания; д) поперечный относ (рис. 4.25, д) – кузов вагона перемещается вдоль оси y, а поворот кузова отсутствует; е) колебания виляния (рис. 4.25, е) – подрессоренные массы поворачиваются вокруг оси z' , проходящей через центр жесткости подвесок O1. В реальных условиях центр тяжести подрессоренных масс не совпадает с центром жесткости подвески и по координате x и по координате z, поэтому имеют место совместные колебания в продольной вертикальной плоскости (подпрыгивания, галопирования и подергивания) и в горизонтальной плоскости колебания виляния и поперечного относа. Рассмотрим и исследуем в качестве примера совместные колебания галопирования и подпрыгивания (как наиболее опасные с точки зрения перегрузок, действующих на перевозимый объект). Пусть в процессе колебаний в некоторый момент подрессоренные массы вагона повернулись относительно положения статического равновесия на угол (рис. 4.26), а центр тяжести подрессоренных масс сместился на величину z, вызвав деформацию подвесок и . Если учесть, что угол поворота мал, и пренебречь силами сопротивления в элементах подвески, влияние которых на частоту свободных колебаний мало, то справедливы уравнения равновесия: для подрессоренных масс, в направлении z: в направлении вращения против часовой стрелки: где – подрессоренная масса вагона; – момент инерции подрессоренных масс вагона относительно оси y, перпендикулярной плоскости рисунка; a, b – расстояния от центра тяжести до передней и задней подвесок вагона; – жесткость рессор передней и задней подвесок. 353 z m1 галопирование x zз z zп β 2с1 2с1 а подпрыгивание b Рис. 4.26. Расчетная схема при учете совместных колебаний галопирования и подпрыгивания В приведенных уравнениях четыре неизвестных координаты п з, число которых можно сократить, если, с учетом малости угла , записать: , , п з что позволит получить из исходных уравнений систему линейных однородных дифференциальных уравнений: (4.5) для которой решениями являются следующие уравнения: (4.6) где Z, B – амплитуды колебаний; р – частота свободных колебаний; – фаза колебаний. Совместное решение систем (4.5) и (4.6) относительно неизвестных амплитуд Z и B дает систему уравнений (4.7): (4.7) 354 которая имеет решение при следующем условии: Это приводит к уравнению частот: (4.8) Приведенные рассуждения аналогичны рассуждениям об уравнении (4.4), что приводит к выводу о наличии двух частот свободных колебанийр1 и р2. Таким образом, движение любой точки кузова вагона представляет собой сложное негармоническое колебание, вызванное наложением двух гармонических колебаний с частотами р1 и р2. Каждому значению круговых частот свободных колебаний соответствует своя форма главных колебаний вагона. Поскольку определитель системы (4.7) равен нулю, уравнения системы линейно зависимы и, следовательно, не представляется возможным определить величины амплитуд Z и B , которые зависят от начальных условий свободных колебаний. Но отношение этих амплитуд в каждом виде совместных колебаний имеет вполне определенное значение. Совместные колебания галопирования и подпрыгивания характеризуются двумя формами главных колебаний: одна соответствует частоте р1, другая − частоте р2; Z Z 1 ; 2 . B p1 B p 2 Например, в случае с 1, центр тяжести вагона имеет незначительные перемещения при сравнительно большом угле поворота подрессорных масс. В случае2,относительно большие перемещения центра тяжести сопровождаются незначительным углом поворота. Таким образом, свободные колебания вагона с любой из частот р1 (р2) носят характер совместных колебаний подпрыгивания и галопирования, однако при определенной частоте один из видов колебаний выражен более заметно. Задавая произвольное значение одной из амплитуд, например Z, можно рассмотреть их влияние на колебания при одной частоте (рис. 4.27, а). 355 a≠b a=b Рис. 4.27. Влияние параметров вагона на колебания Решение системы (4.5) при известных частотах для всех форм свободных колебаний примут вид: Абсолютная величина амплитуд колебаний и фаз может быть найдена лишь при использовании начальных условий системы в момент t=0. Так как при возбуждении свободных колебаний вагона наблюдается одновременно две формы колебаний, то суммарное движение системы может быть определено: При симметрии конструкции вагона и симметричном расположении груза (a=b) дифференциальные уравнения системы (4.5) примут вид: Как следует из этих уравнений, при таких условиях перемещения z и не зависят друг от друга (рис. 4.27, б), поэтому возбуждение одного вида колебаний, например подпрыгивания, не может привести к возникновению колебаний галопирования. В этом случае круговая частота свободных колебаний вагона составит для подпрыгивания для галопирования 356 4.4.3. Вынужденные колебания железнодорожных транспортных средств 4.4.3.1. Источники возмущений, действующие на транспортное средство Причинами сложных вынужденных движений вагона могут оказаться: – единичные неровности пути; – криволинейные участки дороги; – стыки рельс; – износ рельсового пути; – неуравновешенность колесных пар; – износ колесных пар; – конусность поверхности катания колесных пар и др. Как правило, всякое возмущение, воспринимаемое вагоном (и грузом, находящимся в нем), носит периодический характер, а следовательно, является источником возможных резонансных процессов, вызывающих опасные перегрузки для груза. Движение по волнистому железнодорожному пути (рис. 4.28,а), который он приобретает в результате износа и остаточных деформаций в рельсах, можно, в первом приближении изобразить в виде синусоиды (рис. 4,28,б), которая имеет следующие параметры: длину волны, равную длине рельса, амплитуду, равную половине разности уровней середины звена и стыков рельса. В результате вертикальное перемещение точки контакта колеса с рельсом для любого момента времени составляет: zk h sin(kt) , где h – половина разности уровней середин зева и стыков (h 4÷5 мм); k – круговая частота колебаний точки контакта, 2 2v k1 ; k1 . T Lp Здесь v – поступательная скорость движения колеса по рельсу длиной Lp. 357 а) А1 В А 2h А2 В2 Lp б) z h zk в) В1 Lp S1(t) x=vt Lp v S2(t) Рис. 4.28. Схема для описания движения колеса по волнистому пути График зависимости круговой частоты вынужденных колебаний от скорости движения при различной длине рельса показан на рис. 4.29. Движение вагона по стыкам рельсового пути сопровождается мгновенным импульсным ударом S(t) [см. рис. 4.28, в], повторяющимся периодически с 2v частотой k2 . Lp Рис. 4.29. Зависимость круговой частоты вынужденных колебаний от скорости движения при различной длине рельса 358 На рис. 4.30 показано, что при движении колесной пары по стыку происходит скачкообразное перемещение мгновенного центра вращения колеса с одного рельса на другой. Это сопровождается появлением вертикальной составляющей скорости vв. Р r θCT vв V θCT ap1 ap2 lp lp1 lp1 Рис. 4.30. Схема движения колеса по стыку Учитывая малую величину угла ст , можно записать: ст vв vст , a1a2 , r где ст – угол, имеющий дугу (a1,a2), примерно равную расстоянию между точками касания колеса двух рельсов; r – радиус круга катания колеса. Как видно из рис 4.30, ст зависит от величины зазора между концами рельсов lp , степени износа конца рельса (горизонтальной проекции изношенной части рельса), а также упругого проседания стыкового соединения от веса конструкции, передаваемого на рельсы при движении колеса. При определении ударного импульса обычно пользуются гипотезой профессора А.М. Годыцкого-Цвирко, согласно которой количество движения, приобретенное колесной парой за время удара, равно импульсу сил, сообщенному телу за то же время: m2 vв m2 v0 S (t ) , 359 (4.9) где m2 – масса колесной пары с учетом неподрессоренной части тележки, v0 – вертикальная скорость центра тяжести колесной пары до удара (можно принять, что в начале дуги на нулю v0 0 ). вертикальная скорость рав- Тогда, в соответствии с (4.9), S (t ) m2vст . Извилистое движение железнодорожного вагона с колесной парой, имеющей конические поверхности катания, обусловлено действием возмущающих сил, причина появления которых в разности диаметров опирания для колес одной пары. у 2b ye R х Lu/2 Рис. 4.31. Параметры извилистого пути Поэтому траектория движения геометрического центра оси представляет собой волнообразную линию(рис. 4.31), что вызывает извилистое движение тележки и всего вагона. Движение колесной пары можно рассматривать как ее вращение около некоторого мгновенного центра O1 (рис. 4.32). Радиус вращения геометрического центра оси R вокруг мгновенного центра можно определить из соотношения R S r ny , R S r ny где r – радиус среднего круга катания колеса (r = 450÷520 мм); n – конусность поверхности катания, n r 1 . H к 20 360 где r – разность кругов катания; Hк – ширина колеса без учета толщины реборды; S – половина расстояния между кругами катания колес; y – поперечное перемещение колесной пары. Δr r O Нк R r+n·y r-n·y O1 S S Рис. 4.32. Схема для расчета извилистого движения колесной пары Тогда R S r . n y При определении R, смещение геометрического центра оси можно не учитывать, так как S>>y. Если поперечное перемещение колесной пары представить функцией y = y(x), то с достаточной точностью можно приравнять вторую производную поперечного перемещения колесной пары кривизне (1/R) траектории геометрического центра оси: d2y 1 , 2 dx R где знак « – » учитывает то, что при положительной кривизне вторая производная имеет отрицательное значение (выпуклость в сторону положительного направления оси y). Обозначив n/(S∙r) = b2, можно записать уравнение: d2y b2 y 0 , 2 dx для которого решением является y A sin bx B cos bx . Очевидное граничное условие x = 0; y = 0 дает B = 0, тогда y A sin bx . 361 Поскольку x vt , то y A sin bvt или, обозначив за частоту колебаний k u bv v n , S r получим y A sin ku t . Тогда период колебаний определяется как 2 S r T , v n а длина извилистого движения за один период lu vT 2 Sr . n При извилистом движении колесной пары происходит периодическое вертикальное перемещение нижних опорных поверхностей рессорных комплектов, также описываемое гармонической функцией: z * h0 sin ku t . Эксцентриситет оси шейки колеса относительно колесной пары и выбоины на поверхности катания колес, возникающие при заклинивании колес во время торможения, также оказывают значительное влияние на динамику перевозимого груза. Но эти дефекты являются источниками высокочастотных вибраций. Таким образом, частота возмущающих сил, обусловленных неровностями профиля железнодорожного пути, наличием стыков, конической поверхностью катания колес и другими факторами, зависит от скорости движения вагона. Все остальные параметры, входящие в формулы для определения частоты вынужденных колебаний, являются (для рассматриваемого вагона и участка дороги) постоянными. Поэтому частоты возмущающих сил графически представляются пучком прямых, выходящих из начало координат (k,v) под углом, определяемым длиной рельсов и геометрическими размерами колесной оси. При совпадении частот вынужденных колебаний (k = p) наступает резонанс, скорость движения для которого можно определить по условию L v рез p p . 2 362 4.4.3.2. Расчет амплитуд вынужденных колебаний вагона Проиллюстрируем вынужденные колебания вагона. Для этого выделим одну колесную пару с отнесенной к ней массой mk, связанную с осью через рессоры и демпферы (рис. 4.33). Пусть процесс колебаний массы mk описывается величиной zk, а смещение колесной пары – z , тогда уравнение движения для массы mk можно записать в виде mk z k ( z zk ) ck ( z z k ) 0 , где ck – суммарная жесткость рессор колесной пары; k – суммарный коэффициент демпферов подвески. Это уравнение перепишем к виду mk z k z ck z k zk ck zk . z ck ξk zk h Рис. 4.33. Схема для расчета параметров вынужденных колебаний Вводя обозначение 2n k ; nk p2 363 ck , mk получим z 2nz p 2 z 2nzk p 2 z k , где n – коэффициент сопротивления; p – круговая частота свободных колебаний. При движении по жесткому волнообразному пути z k h sin kt . Тогда z 2nz p 2 z 2nkh cos kt p 2 h sin kt . Сведем две периодические функции в правой части этого выражения в одну, положив: p2h H cos ; 2nkh H sin . (4.10) Тогда z 2nz p 2 z H sin(kt ) , (4.11) где H – амплитуда возмущающего воздействия; – сдвиг по фазе возмущающего воздействия относительно перемещения колесной пары. Из соотношений (4.10) получим: Решение уравнения (4.11), как известно, состоит из общего (z1) и частного (z2) решений. Для уравнения (4.11) запишем: где – сдвиг по фазе перемещения подрессоренной массы относительно суммарного возмущающего воздействия. При установившемся движении свободные колебания быстро затухают, а динамические нагрузки определяются только вынужденными колебаниями. Поэтому для определения амплитуды и фазы вынужденных колебаний подставим частное решение (z2) в уравнение (4.11), преобразовав его правую часть следующим образом: H sin(kt ) H sin[(kt ) ] H sin[(kt ) ]cos H cos[(kt ) ]sin . 364 После подстановки и преобразования получим: Z 2 ( p 2 k 2 ) sin[(kt ) ] 2nkZ2 cos[(kt ) ] H sin[(kt ) ] cos H cos[(kt ) ] sin . Прировняв коэффициенты при функциях sin[(kt ) ] и cos[(kt ) ] , в обеих частях равенства, получим: Тогда Z2 H ( p 2 k 2 ) 2 4n 2 k 2 , (4.12) Рассмотрение вынужденных колебаний становится наглядным, если ввести понятие коэффициента (), показывающего во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний подрессоренной массы выше (меньше) неровности пути (h) при данных частоте k и коэффициенте сопротивления n: Z 2 . h Подставляя в значение Z2 из (4.12) и введенное H h , p 4 4n 2 k 2 получим: 2 2 n k 1 4 4 2 2 p 2n k p p 2 2 2 . ( p 2 k 2 ) 2 4n 2 k 2 k 2 n k 1 4 p p p Возможный характер изменения коэффициента в зависимости от отношения k/p при разных значениях n/p показан на рис. 4.34, из чего следуют следующие выводы: 365 1. При движении на дорезонансной скорости (k/p<1) значения коэффициента >1. Подрессорная масса имеет амплитуды колебаний, примерно равные неровности пути. 2. При движении на резонансной скорости (k/p=1) резко растет амплитуда колебаний. Это опасно тем, что: – при нисходящем движении возможны пробивание подвески и удар на перевозимый груз; – при восходящем движении может произойти полная разгрузка колес, а также возможен сход с рельсов; Применение демпферов снижает величину резонансных амплитуд, хотя амплитуды вынужденных колебаний становятся выше. n1 p n1 n n3 2 p p p n2 p 3 n3 p 1 0 1 1,41 2 k p Рис. 4.34. Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от соотношения частот k/p 3. На зарезонансном режиме (k/p > 1,4) вынужденные колебания имеют очень малые амплитуды, причем увеличение коэффициента сопротивления демпферов приводит к некоторому росту амплитуды вынужденных колебаний, т.е. на этом режиме демпферы дают отрицательный эффект. Однако их включение обязательно, так как они гасят свободные колебания, вызванные единичными неровностями 366 4.4.3.3. Расчет перегрузок и фазово-частотных характеристик вынужденных колебаний вагона Расчет максимальных перегрузок, действующих на подрессоренные массы при вынужденных колебаниях вагонов, можно проиллюстрировать, если выразить статическую нагрузку через статическую деформацию рессор (рис. 4.35): Pст Gт czст , где zст – статический прогиб рессор, а динамическую нагрузку – через ускорение подрессоренной массы Ускорение подрессоренной массы определяется выражением Pдин G z2 max , g соответствующей максимальному приращению силы упругости рессоры в процессе колебаний. Тогда перегрузка будет определяться выражением P Pст P П ст 1 дин . G G А поскольку z2 max Z 2 k 2 Тогда Z2k 2 hk 2 П 1 1 . g g z Gк zст Py с Рис. 4.35. Расчетная схема для определения перегрузок 367 Из графика зависимости перегрузки от скорости движения (рис. 4.36) следует, что при оценивании Пmax выделяют два режима движения: – движение на дорезонансной скорости; – движение с весьма большими скоростями. При этом на дорезонансном режиме перегрузка возрастает со снижением коэффициента сопротивления демпферов, в то время как на больших скоростях имеет место обратная картина. Опыт эксплуатации и многочисленные исследования показали, что вагоны в целом обладают хорошей плавностью хода, если частота вертикальных свободных колебаний кузова не превышает 3 Гц. Частота свободных колебаний кузова с массой в вертикальном направлении определяется как Преобразуем это выражение с учетом того, что рессоры подвески вагона имеют статический прогиб , величина которого для вагонас равномерно распределенной нагрузкой, имеющего четыре рессорных элемента, определяется из условия : Для грузовых вагонов 45÷50 мм, для специальных вагонов = 90÷100 мм. где fст – статический прогиб рессор подвески вагона (с учетом mg = c1fст) [для грузовых вагонов fст 45÷50 мм, для специальных вагонов fст = 90÷100 мм]. Рис. 4.36. Зависимость перегрузки от соотношения частот 368 Фазово-частотные характеристики вагона при вынужденных колебаниях позволяют судить о взаимном положении рамы транспортного средства и колесных пар в процессе движения. Для получения аналитической зависимости используем ранее полученные выражения для фаз βи ε: а их разность позволяет построить графики в зависимости от отношения скоростях движения, т.е. n k f ( . ). p p при различных Рис. 4.37. Зависимость сдвига по фазе от соотношения частот k/p Из графика на рис. 4.37 видно, что с ростом коэффициента демпфирования сдвиг по фазе снижается, а при рабочих значениях = 0,15…0,25 возможно противоположное движение подрессоренной массы по отношению к колесной паре, что может привести к нежелательному соударению (пробою) рамы транспортного средства и элементов подвески. 369 Контрольные вопросы к главе 4 1. Для чего предназначено транспортное оборудование РКК? 2. Назовите виды и состав транспортного оборудования РКК. 3. Какие факторы определяют выбор вида транспортного оборудования? 4. Как классифицируются железнодорожные транспортные средства, используемые в транспортном оборудовании РКК? 5. Назовите требования, предъявляемые к транспортировке изделий ракетно-космической техники. 6. Что входит в состав специального железнодорожного вагона для перевозки ступеней РКН или КА? 7. Назовите основные виды и особенности нагрузок, действующих на транспортное оборудование. 8. Какие виды колебаний могут возникать при движении транспортных средств? Кратко опишите эти виды колебаний. 9. Что может вызвать сложные вынужденные колебания специального вагона? 10. Как можно снизить амплитуду возникающих колебаний специального вагона? 370 5. ТРАНСПОРТНО-УСТАНОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 5.1. Общие сведения о транспортно-установочном оборудовании 5.1.1. Назначение, состав и требования к транспортно-установочному оборудованию Транспортно-установочное оборудование (ТУО) является составной частью технологического оборудования стартового комплекса. Оно предназначено для приема на технической позиции ракеты космического назначения (или ее составных частей), транспортирования на стартовую позицию, установки РКН или ее составных частей на пусковое устройство и снятия ракеты с ПУ при несостоявшемся пуске. Транспортно-установочное оборудование выполняет две основных функции – транспортировку РКН с технического комплекса на стартовый комплекс и установку РКН на пусковое устройство. Кроме того, транспортноустановочное оборудование может частично выполнять функции монтажно-стыковочного оборудования (например, при сборке РКН «Союз» в монтажно-испытательном корпусе), средств обслуживания на стартовом комплексе (обеспечение доступа обслуживающего персонала к зонам обслуживания РКН), оборудования стыковки и отвода коммуникаций (транзит коммуникаций и их отстыковка при пуске), пускового оборудования (ветровое крепление незаправленной РКН). На существующих стартовых комплексах часть функций транспортноустановочного оборудования может выполняться другим оборудованием (например, установка РКН или ее составных частей в вертикальное положение с помощью агрегатов обслуживания). Транспортная функция ТУО состоит в перемещении РКН на СК и придании подвижности агрегатам, обеспечивающим установку ракеты на пусковое устройство. Особенности транспортировки ракет были рассмотрены в главе 4. В состав транспортно-установочного оборудования входят: – транспортно-установочные агрегаты (подвижные установщики); – стационарные установщики; – транспортно-установочные тележки; – транспортно-пусковые платформы. 371 В общем случае операция установки включает следующие основные этапы (рис. 5.1): – перевод (а) из горизонтального положения в вертикальное; – ориентирование (б) изделия или его частей в пространстве для совмещения опорных элементов изделия с опорами пускового стола (ПС); – передача веса (в) изделия с узлов крепления его на подъемном устройстве на опоры пускового стола. РКН в Пусковое устройство а б Рис. 5.1. Этапы установки изделия на пусковой стол Если установка осуществляется полностью собранной РКН, то, как правило, используются специальные агрегаты – установщики. При установке изделия поблочно можно использовать грузоподъемное оборудование (в том числе мостовые краны), размещенное в монтажно-испытательном корпусе (МИК) или входящее в состав агрегатов на стартовом комплексе. РКН является крупногабаритным грузом со сравнительно невысокой прочностью и жесткостью в поперечной плоскости, поэтому операция установки является трудоемкой и сопряжена с необходимостью удовлетворения целому ряду специальных требований[19], соблюдение которых обеспечивает безаварийную эксплуатацию ракетно-космического комплекса (РКК): 1. Установка РКН на ПС должна выполняться быстро и плавно, чтобы возникающие ускорения не привели к перегрузкам (П), превышающим допустимые для данного типа изделия: П ≤ [П]. Уровень допустимых перегрузок, действующих в поперечном направлении, для существующих РКН составляет [П]=1,5…2,0. 372 Так как перегрузка в поперечном направлении, действующая на РКН при переводе в вертикальное положение, определяется величиной углового ускорения и расстоянием от центра вращения до центра масс (см. п. 5.2.3), а космический аппарат наиболее удален от центра вращения, то ограничения на ускорение, как правило, оказывается в 2…3 раза ниже допустимых для ракетыносителя. 2. Конструкция узлов крепления РКН на установщике должна исключить местное повреждение корпуса, обеспечить надежное закрепление и быстрое освобождение ракеты. Для этой цели РКН должна размещаться на жестком основании и закрепляться узлами, обеспечивающими надежное удержание РКН при изменении положения основания, и приводом с дистанционным или автоматическим управлением. 3. Транспортно-установочное оборудование должно обеспечивать удобство обслуживания РКН и самого агрегата при малом числе обслуживающего персонала и сравнительно невысоком уровне его технической подготовки. Выполнение последнего требования достигается обеспечением удобства подхода к механизмам и узлам крепления РКН за счет установки площадок, а также обеспечением визуального контроля за происходящими процессами, автоматизации управления и более полным отображением информации на пультах управления и мониторах автоматизированных систем управления технологическим оборудованием (АСУ ТО). 4. Транспортно-установочное оборудование должно обеспечивать высокий уровень безопасности выполнения операций с РКН. Для удовлетворения этого требования механизмы агрегатов должны оснащаться ограничителями хода, тормозными устройствами, блокировками, выключающими механизмы при достижении ими конечных положений, а также удерживающими поднимаемую РКН в промежуточных положениях при отключении механизмов. 5. Транспортно-установочное оборудование должно обеспечивать заданный уровень запаса устойчивости, как при транспортировке РКН, так и при выполнении операций установки. Подвижные агрегаты должны обладать высокими тягово-динамическими качествами, позволяющими транспортировать РКН при различных погодных и дорожных условиях. Исходя из вышеизложенного, можно определить состав основных элементов агрегата транспортно-установочного оборудования: силовые элементы для размещения РКН (или ее элементов) при транспортировке и установке; опоры и узлы крепления для фиксации РКН в силовых элементах; системы для изменения положения РКН в пространстве. 373 К таким системам относятся: – система передвижения агрегата с РКН внутри позиционного района РКК (космодрома); – система подъема (поворота) РКН из горизонтального положения в вертикальное; – система обеспечения устойчивости агрегата при изменении положения РКН в пространстве и разгрузки системы передвижения (система вывешивания); – система ориентирования РКН относительно опор пускового стола; – система передачи веса РКН с силовых элементов на опоры пускового стола; система уравновешивания РКН на заключительном этапе перевода ракеты в вертикальное положение. Система ориентирования РКН относительно опор ПС и система передачи веса РКН с силовых элементов на опоры ПС при объединении образуют систему совмещения опор. 5.1.2. Классификация и анализ конструктивно-компоновочных схем транспортно-установочного оборудования Транспортно-установочное оборудование По степени подвижности Стационарные агрегаты Подвижные агрегаты По способу перевода РКН в вертикальное положение «Вывешивание» РКН «Опрокидывание» РКН Мостовые краны Портальный установщик Стреловые краны Лафетный установщик Установщик с подъемновращающейся стрелой С подъемной стрелой С подъемнонаправляющей стрелой Рис. 5.2. Классификация транспортно-установочного оборудования 374 Существующие агрегаты транспортно-установочного оборудования можно классифицировать по двум основным признакам (см. рис. 5.2): – по степени подвижности; – по способу перевода ракеты из горизонтального в вертикальное положение. По степени подвижности установочные агрегаты подразделяются на стационарные и подвижные. Стационарный агрегат располагается возле пускового стола. Он подвергается воздействию газовой струи ракетных двигателей при пуске и обслуживает только одну пусковую установку. В конструктивном отношении такой установщик может быть простым, достаточно дешевым и его легче сделать автоматизированным, т.е. управление им может быть включено в общую систему управления пусковой установкой. К подвижным агрегатам ТУО относятся транспортно-установочные агрегаты (подвижные установщики), транспортно-установочные тележки и транспортно-пусковые платформы. Транспортно-установочный агрегат (ТУА) совмещает функции подъемного и транспортного агрегатов, т.е. с его помощью изделие доставляется с технической позиции на стартовую и устанавливается на ПС. Такое совмещение функций приводит к усложнению конструкции агрегата, повышению его веса, габаритов и стоимости, при этом появляется возможность доставлять изделие на несколько пусковых установок и после завершения операций по подготовке изделия к пуску удалять агрегат на безопасное расстояние от пускового стола. По способу перевода ракеты из горизонтального в вертикальное положение установочные агрегаты подразделяются на агрегаты, реализующие способ «вывешивание», и агрегаты, реализующие способ «опрокидывание». ЦТ в б 1 ЦТ 2 3 а 4 г ЦТ Рис. 5.3. Установка изделия способом «опрокидывание» 375 Суть перевода способом «вывешивание» заключается в том, что ракета 1 (см. рис. 5.3) [или ее составная часть] предварительно размещается возле пускового стола 4, закрепляется к траверсам 2 и 3, поднимается вверх (а) на высоту, требуемую для свободного прохода, над оборудованием пусковой установки; при необходимости перемещается по горизонтали (б), под действием собственного веса разворачивается (в) в вертикальное положение, ориентируется по опорам пускового стола и опускается (г) на них. При этом механизмы установочного оборудования совершают полезную работу в основном лишь при подъеме ракеты, а разворот и передача веса совершаются под действием собственной силы тяжести, что, естественно, способствует уменьшению затрат энергии на установку. В настоящее время такой способ перевода используется при установке ракеты на ПС поблочно с помощью мостовых и стреловых кранов на ТК или СК. Несмотря на очевидные преимущества, этот способ широкого распространения в нашей стране не получил, прежде всего, потому что его реализация требует больших временных затрат на подготовку изделия к пуску с участием установочного оборудования. К агрегатам, реализующим способ «вывешивание», можно отнести и установщик с подъемно-вращающейся стрелой [17]. Такой установщик оснащается дополнительными механизмами и грузозахватными средствами, что позволяет поднять ракету над транспортным агрегатом и перенести ее к пусковой установке с помощью основного грузозахватного средства, перевести в вертикальное положение с помощью дополнительных грузозахватных устройств и опустить на пусковую установку с помощью основного грузозахватного устройства. Установка ракеты на пусковой стол способом «опрокидывание» из-за сравнительно невысокой поперечной прочности и жесткости корпуса ракеты требует наличия жесткого основания, на котором она совершает разворот из горизонтального положения в вертикальное. В зависимости от характера передачи усилия на поворот основания установочные агрегаты подразделяются на установщики портального и установщики лафетного типов. К особому виду ТУО могут быть отнесены транспортно-пусковые платформы, используемые в настоящее время на стартовых комплексах иностранных космодромов. Эти агрегаты совмещают функции транспортноустановочного и пускового оборудования, кроме того, на платформах могут размещаться кабель-заправочные мачты (стойки). В монтажно-испытательном корпусе ракета устанавливается на транспортно-пусковую платформу вертикально. 376 С помощью специальных транспортеров платформа перемещается на стартовый комплекс и занимает требуемое положение относительно ТО СК и газоходов, после чего транспортеры отводятся в безопасные места, а платформа обеспечивает подготовку и пуск ракеты. Лафетные установщики Лафетные установщики широко используются в ракетно-космических комплексах, они могут быть подвижными и стационарными. Подвижные установщики могут быть самоходными или буксируемыми, при этом передвижение обеспечивается на железнодорожном, колесном или гусеничном ходу. Стационарный установщик (рис. 5.40) служит для установки изделия тяжелого класса на пусковой стол с помощью транспортного агрегата (транспортно-установочной тележки), на который изделие укладывается в МИК для транспортировки на стартовую площадку. Установщик размещается в нише стартового сооружения на подрамнике 11. Установщик состоит из рамы 4, стрелы 5 и механизмов, с помощью которых осуществляется поворот стрелы (гидродомкрата 6), ориентирование опорных элементов РКН по спорам пускового стола (гидродомкрата) и передача ее веса на пусковой стол (гидродомкрата 8). Раскрытие защитной крыши 1 производится гидродомкратом 12, а фиксация тележки на стреле – механизмами кареток 3 и 9. 1 12 2 3 4 5 6 11 1 11 4 8 7 5 7 Рис. 5.4. Схема стационарного лафетного установщика 377 9 10 Стационарный установщик задействован в технологическом процессе подготовки изделия к пуску следующим образом. Транспортный агрегат с ракетой прибывает на стартовую площадку по рельсовому пути с помощью тягача и останавливается за несколько метров от стрелы 5 установщика, по которой также проложены рельсы 7. Дальнейшее движение агрегата на стрелу производится с помощью привода передней ходовой тележки. На заключительном этапе движения бугели транспортного агрегата входят в направляющие нижней каретки 3, а кронштейн – в зев крюка верхней каретки 9. После фиксации кронштейна в крюке 10 производится перевод стрелы гидродомкратом 6 в вертикальное положение, ориентирование в боковой и поперечной плоскостях гидродомкратами нижней каретки 3 и опускание ракеты гидродомкратом 8 на опоры пускового стопа. Прием ракеты на опоры ПС завершается закрытием ветровых захватов на опорах изделия, освобождением корпуса ракеты от узлов крепления на транспортном агрегате. После чего стрела с транспортным агрегатом переводится в горизонтальное положение, агрегат удаляется со стартовой площадки, а наиболее подверженные воздействию газовой струи части установщика закрываются крышей 1 с помощью гидродомкрата 12. Применение стационарных установщиков возможно лишь при наличии транспортных агрегатов (транспортно-установочных тележек), а в целом механическое технологическое оборудование комплекса включает два сравнительно простых по устройству и конструкции агрегата, но тесная увязка одного из них с пусковой установкой не гарантирует его сохранность при аварийном пуске. Для устранения отмеченного недостатка разработаны подвижные установщики, которые нашли широкое применение в РКК. Подвижный лафетный установщик, изображенный на рис. 5.5, служит для транспортировки РКН с технического комплекса на стартовый комплекс и установки ее на пусковой стол. Установщик состоит из рамы 7 с гидроопорами 9, стрелы 3, передней опоры 5, задних опор 2 и дополнительной опоры. Рама 7 выполнена из двух продoльных балок, жестко связанных поперечными балками, опирающимися на железнодорожные ходовые тележки 6. Для обеспечения устойчивости агрегата в рабочем положении и разгрузки задней ходовой тележки используются гидравлические опоры 9, для предотвращения опрокидывания ТУА предусмотрен конструктивный узел, состоящий из подхватов, закрепленных на продольных балках рамы в передней части агрегата, и направляющих, стационарно смонтированных на закладных элементах фундамента по обе стороны рельсов железнодорожного пути. Стрела 3 выполнена из двух продольных балок, жестко связанных поперечными балками, и закреплена шарнирно на раме агрегата. 378 Нижняя и верхняя опоры обеспечивают закрепление и удержание РКН при выполнении технологических операций. Дополнительная тарированная опора обеспечивает создание расчетного усилия подпора РКН. Конструктивное исполнение опоры обеспечивает изменение этого усилия в зависимости от угла подъема стрелы ТУА. Перевод стрелы в вертикальное положение производится гидродомкратами 8. При вертикальном положении вся масса РКН воспринимается цапфами нижней опоры. Сведенные захваты верхней опоры фиксируют верхнюю часть РКН, что обеспечивает необходимое положение ракеты на опорном устройстве стрелы в процессе подъема и удержания ее в вертикальном положении. 1 2 3 4 5 9 8 7 6 Рис. 5.5. Схема подвижного лафетного установщика Опускание РКН на опоры пускового стола происходит за счет перемещения цапф нижней опоры вниз с помощью гидродомкратов нижней опоры. Лафетные установщики с подъемно-направляющей стрелой предназначены для установки ракет на заглубленные пусковые устройства (например, шахтного типа) [17]. Стрела такого установщика оснащается дополнительными механизмами и служит направляющим элементом для опускания ракеты в шахту. Портальные установщики Установщики портального типа обеспечивают перевод ракеты 3, размещенной на транспортной тележке 2, в вертикальное положение с помощью специальной рамы 1 (стрелы) и канатно-полиспастной системы. 379 Принципиальная схема портального установщика показана на рис. 5.6. К установщикам портального типа может быть отнесено установочное оборудование изделия легкого класса, включающее башню обслуживания 1 (рис. 5.7) и транспортно-установочную тележку (ТУТ) 4. Башня обслуживания используется в качестве портала (основания) для размещения механизма подъема, а ТУТ служит для доставки изделия из МИК технического комплекса на стартовый и используется в качестве жесткого основания, к которому прикладываются усилия на подъем изделия с помощью канатов 2. 1 3 2 Рис. 5.6. Принципиальная схема портального установщика На стартовом комплексе транспортно-установочная тележка 4 шарнирно подсоединяется к кронштейнам пускового стола, а поворот ракеты производится с помощью механизма подъема (лебедки), стальные канаты 2 которого соединяются с канатами транспортного агрегата. При намотке канатов на барабан механизма подъема происходит поворот транспортного агрегата вокруг шарнира его крепления на пусковом столе. Однако, из-за того, что в исходном состоянии изделие при обслуживании располагается внутри башни обслуживания, а узел крепления механизма подъема на башне вынесен вперед по отношению к шарниру поворота транспортного агрегата, для обеспечения доводки ракеты к вертикали канаты механизма подъема башни приходится крепить не к раме транспортного агрегата, а к специальной рычажной системе, которая позволяет создать необходимое плечо усилиям, действующим от каната по отношению к шарниру поворота. 380 Достоинством установочного оборудования рассмотренного типа является то, что для установки ракеты используются агрегаты, уже имеющиеся в технологическом оборудовании комплекса, следовательно, нет необходимости создавать специальный агрегат, выполняющий указанную операцию, однако используемые для этой цели агрегаты претерпевают определенные изменения. В частности, на башне обслуживания кроме механизма подъема установлен еще и механизм уравновешивания, канаты которого заблаговременно, до потери устойчивости поднимаемой системы, входят в блоки транспортного агрегата и создают уравновешивающие нагрузки, превышающие возможные опрокидывающие нагрузки с требуемым запасом. 1 2 3 Рис. 5.7. Портальный установщик 381 4 Транспортный агрегат для участия в установке ракеты на пусковой стол оснащается своим механизмом подъема, включающим канаты с рычажной системой, обеспечивающей вынос узлов их крепления за пределы тележки при подходе последней к линии, которая соединяет шарнир поворота с барабаном. На этот барабан наматываются канаты, создавая, таким образом, усилия в канатах, а также плечи относительно шарнира поворота, К недостаткам следует также отнести большое число ручных операций, требующих непосредственного участия личного состава как в подготовительный период, так и в процессе подъема, передачи веса ракеты на ПСи удаления транспортного агрегата от пускового стола. 5.2. Условия эксплуатации транспортно-установочного оборудования 5.2.1. Эксплуатационные нагрузки, действующие на транспортно-установочное оборудование Нагрузки, действующие на транспортно-установочное оборудование в процессе эксплуатации, могут быть рабочими, предельными и аварийными (см. п. 1.4). Основными рабочими нагрузками для транспортно-установочного оборудования (из общего перечня нагрузок, действующих на технологическое оборудование стартовых и технических комплексов) можно считать весовые, инерционные и ветровые [газодинамические и тепловые нагрузки от воздействия газового потока для ТУА и ТУТ могут не рассматриваться, так как подобные агрегаты, как правило, отводятся на безопасное расстояние от стартового комплекса перед пуском РКН]. Однако воздействие газодинамических и тепловых нагрузок целесообразно оценивать для стационарных установщиков, транспортнопусковых платформ и для транспортно-установочных тележек, отводимых от ракеты перед пуском только на некоторый угол (например, на СК для РН «Циклон» или СК для РН «Antares»). На эти же агрегаты могут действовать аварийные нагрузки от взрыва РКН. Отметим также, что столкновение агрегатов, транспортирующих РКН или ее составные части, может считаться причиной возникновения аварийных расчетных нагрузок [3]. Из всех операций, выполняемых при установке ракеты на пусковой стол, наиболее трудоемкой и продолжительной является операция перевода ракеты из горизонтального положения в вертикальное. 382 При этом на механизмах подъема стрелы (рис. 5.8) со стороны поднимаемой системы, под которой будем подразумевать «стрелу с ракетой» или «стрелу с транспортно-установочной тележкой и ракетой», действует момент сопротивления, создаваемый весовыми, инерционными и ветровыми нагрузками. Уравнение моментов при вращательном движении поднимаемой системы под действием механизма подъема имеет вид: , где – массовый момент инерции поднимаемой системы относительно оси поворота стрелы; – угловое ускорение поднимаемой системы, ; – момент от i-й силы, действующей на поднимаемую систему. Для системы, представленной на рис. 5.7, уравнение моментов имеет следующий вид: . (5.1) Здесь – момент, развиваемый механизмом подъема, относительно оси поворота стрелы, ; – сила, прикладываемая со стороны домкрата; – плечо действия силы домкрата, ; – момент от сил веса (грузовой момент); – момент от силы ветра (ветровой момент); – момент от сил трения в шарнирах механизмов. Наличие знаков « » в (5.1) указывает на то, что в зависимости от направления ветра или углового положения поднимаемой системы моменты этих сил могут не только противодействовать подъему системы, но и способствовать подъему. Для расчета нагрузок, действующих на поднимаемую систему, перепишем выражение (5.1) относительно момента, развиваемого механизмом подъема. При этом будем считать момент сопротивления максимальным: , (5.2) где – момент инерции поднимаемой системы, . Все моменты, входящие в правую часть выражения (5.2), изменяются в ходе движения стрелы. Выражения, описывающие изменение моментов, могут быть представлены в виде функций от угла подъема φ: , , , , где φ – текущее значение угла подъема стрелы, . 383 ω Рв Рд hв G Мтр3 hд φ Мтр2 Мтр1 hG Рис. 5.8. Схема поднимаемой системы и эксплуатационных нагрузок При определении этих функций важно учитывать, что – в зависимости от угла – могут меняться как сила, так и плечо ее действия: , , , , где G – суммарный вес поднимаемой системы (стрелы, расположенных на ней элементов и ракеты); – плечо действия силы тяжести поднимаемой системы; – сила ветра; – плечо действия силы ветра. Соответственно, момент домкрата может быть представлен в виде функции от угла подъема: . Рассмотрим последовательно методики определения указанных зависимостей. 384 5.2.2. Грузовой момент Момент от сил веса (или грузовой момент) в функции угла подъема определяется из выражения , (5.3) где (рис. 5.9 и 5.10); R – расстояние от центра вращения стрелы до центра тяжести поднимаемой системы; γ – начальный угол наклона условной линии, соединяющей центр вращения и центр тяжести, к горизонту. Учитывая, что и , после преобразования (5.3) получим , – координаты центра тяжести поднимаемой системы. у R G2 уцт γ xцт х G G1 Рис. 5.9. Расчетная схема поднимаемой системы к определению грузового момента при горизонтальном положении изделия у G·sin φ G·cos(γ+φ) G·cos(γ+φ) G·cos φ уцт где φ γ G х xцт Рис. 5.10. Расчетная схема поднимаемой системы к определению грузового момента в процессе подъема изделия 385 В расчетах величину определяют для нескольких значений угла φ в пределах от φ = 0 до φ = φмах (90°), принимая обычно Δφ = 10° (или 15°), и строят кривую . Однако из выражения (5.3) можно установить, что кривая МG представляет собой косинусоиду, следовательно, она может быть построена графически без ее расчета по точкам. Схема графического определения и построения кривой приведена на рис. 5.11. Для построения кривой принимаются масштабы φ и произведения G∙R, проводятся оси координат φ и МG. На продолжении оси φ на расстоянии несколько большем G∙R в принятом масштабе выбирается точка С, и из нее – как из центра радиусом r = G∙R – описывается дуга DАВ. От вертикали СD откладываются угол γ и угол АСВ, равный углу подъема стрелы 90°. Дуга АВ делится на несколько равных частей (обычно на 6 или 9), и через точки деления проводятся горизонтальные линии. На оси φ и принятом масштабе от начала координат откладываются соответствующие точки деления дуги АВ значения угла φ. Через полученные точки проводятся вертикальные линии. Пересечения соответствующих горизонтальных и вертикальных линий дают точки, через которые проходит кривая . GR M А D γ 1 2 1 2 3 r= G ·R 3 MG 4 4 5 5 6 C 6 0 15 7 30 45 60 75 φ, 90 град 7 B Рис. 5.11. Графическое построение кривой грузового момента Анализ формулы (5.3) и кривой показывает, что грузовой момент имеет максимальное значение в начале подъема системы (φ = 0). При φ = 90° – γ линия действия силы веса поднимаемой системы проходит через ось поворота стрелы, а грузовой момент равен нулю. При дальнейшем движении стрелы МG меняет свой знак и из момента, препятствующего подъему системы, превращается в момент, способствующий ее дальнейшему движению. Под действием этого момента система стремится опрокинуться в сторону подъема и, для исключения этого, к поднимаемой системе прикладывается момент сопротивления, уравновешивающий грузовой момент, который обеспечивает плавную доводку системы до вертикального положения. 386 5.2.3. Инерционный момент Момент от сил инерции определяется по формуле: или инерционный момент . Массовый момент инерции поднимаемой системы относительно оси поворота стрелы определяется по выражению , где – массовый момент инерции стрелы относительно оси поворота стрелы; – массовый момент инерции ракеты относительно оси поворота стрелы. Массовый момент инерции стрелы определяется как сумма моментов инерции элементов конструкции относительно оси поворота стрелы: . При этом для элементов, представляемых в виде сосредоточенных масс, момент инерции определяем из выражения , где – масса i-го элемента; – радиус от оси вращения до центра масс i-го элемента. Для элементов, представляемых в виде распределенных масс, момент инерции определяется по теореме Гюйгенса – Штейнера о моментах инерции относительно параллельных осей: , где – момент инерции i-го элемента относительно оси, проходящей через центр масс элемента. Если сделать допущение, что отдельные элементы стрелы можно представить в виде однородных стержней (а ракету – в виде однородного цилиндра), то момент инерции поднимаемой системы будет определяться выражением , где – длина i-го элемента; – масса ракеты; – радиус от оси вращения до центра масс ракеты; – длина ракеты; – радиус ракеты. 387 При проектировании тихоходных механизмов с полным временем подъема стрелы t ≥ 3 мин угловое ускорение можно принимать равным . Предельное допускаемое угловое ускорение [ε] задается в ТТЗ на проектирование установщика (механизма) или определяется на основании данных о допускаемой поперечной перегрузке ракеты. При этом расчет ведется относительно элемента конструкции ракеты, лимитирующего ее поперечную перегрузку. Пусть на элемент массой mк (рис. 5.12) действует ускорение j, представляющее сумму тангенциального jт и центростремительного jц. Тогда на узлы крепления элемента массой mк действуют инерционные силы Rjт и Rjц , а на сам элемент – реакции связей Rт и Rц. Последние равны по величине соответствующим силам Рjт и Рjц , но противоположны им по знаку. Рис. 5.12. Расчетная схема поднимаемой системы к определению нагрузки на элемент массой 388 Если предположить, что стрела и ракета абсолютно жестки, то , . Суммарная нагрузка на массу mк, вызванная ее инерционностью, равна . Из-за [ небречь. Тогда сравнительно малых величин угловых скоростей ] величина силы Рjц незначительна, ею можно пре. Как правило, угловое ускорение при установке ракеты в вертикальное положение возникает при пуске и остановке приводных механизмов. Кроме того, ускорения могут появляться при срабатывании аварийных устройств механизма подъема при переходе ступеней телескопических гидродомкратов и в некоторых других случаях. Так как упругость элементов привода, стрелы и рамы установщика уменьшает величину этих ускорений, реальные их значения обычно не превышают 0,04 1/с2 и лишь в редких случаях достигают величины 0,06 1/с2. Примерный график момента инерционных сил Мε в предположении, что угловое ускорение возникает лишь в начале и в конце подъема (разгоне и торможении системы), показан на рис. 5.15. Величина момента Мε в современных установщиках при нормальных (штатных) условиях эксплуатации намного меньше величины начального весового момента МG. Наиболее полно интенсивность нагружения элементов поднимаемой системы характеризуется относительной величиной перегрузки. Под перегрузкой элемента подразумевается отношение суммы сил, действующих на поверхность элемента в данном направлении, к весу элемента. Различают перегрузки продольные nx (идущие параллельно продольной оси ракеты) и поперечные ny (идущие параллельно поперечной оси ракеты). Продольные перегрузки при установке ракеты, как правило, пренебрежимо малы. Величина поперечных перегрузок в некоторых случаях может быть существенной. Без учета ветровой нагрузки силами, действующими на головную часть, являются сила веса Gк (рис. 5.13) и сила инерции Рjт (считается существенной только тангенциальная составляющая). 389 Данные силы стремятся сместить головную часть относительно корпуса ракеты. Активными силами, удерживающими ее от смещения, являются реакции указанных сил Gк и Rjт. Так как реакции равны по величине самим силам, то удобнее при подсчете перегрузок оперировать самими силами. Рис. 5.13. Расчетная схема поднимаемой системы к определению перегрузки, действующей на элемент массой Для оценки перегрузки nу спроецируем названные силы на продольную х и поперечную у оси и отнесем их сумму к весу головной части, учитывая, что . Тогда получим: . При малых значениях угла , что в основном применимо для поднимаемых систем, и выражение для перегрузки примет вид: (5.4) где − тангенциальное ускорение головной части, . Если лимитирующей при подъеме ракеты является допускаемая перегрузка на головную часть ,то допускаемое линейное ускорение определяется по формуле . 390 Допускаемое угловое ускорение определяется выражением . Максимальные перегрузки, действующие на элементы ракеты, не должны превышать величины [nу]= 1,15…2,0. 5.2.4. Ветровой момент В процессе перевода поднимаемой системы из горизонтального положения в вертикальное на нее воздействует приземный ветровой поток, создающий ветровую нагрузку. Расчетная ветровая нагрузка в общем случае определяется как сумма и динамической нагрузок: статической . Методика расчета ветровой нагрузки аналогична методике, изложенной в п. 3.1.3. Момент от силы ветра или ветровой момент определяется по формуле: . При расчете полагают, что РКН находится на стреле транспортноустановочного агрегата (установщика). Поднимаемая система разбивается на участки, отличающиеся площадью поверхности, ориентацией относительно ветрового потока и коэффициентом аэродинамического сопротивления (рис. 5.14, а). При выборе упрощенной схемы расчета (рис. 5.14, б) количество участков минимизируется. Расчетная наветренная площадь участка или элемента конструкции представляет собой проекцию обдуваемой поверхности на плоскость, нормальную к направлению ветра: , где – коэффициент заполнения; – площадь, ограниченная контуром тела или формы; – площадь отверстия; – воспринимающая площадь тела, ферма или суммарная элементов фермы на ее наветренную плоскость; φ – угол между направлением ветра и наветренной плоскостью Расчет проводится с учетом изменения скоростного напора ветра по высоте. В расчете динамической составляющей скорости ветра при выборе значений следует руководствоваться тем, что у существующих установщиков период собственных колебаний стрелы лежит в пределах Т = 0,5…1,5 сек. 391 Рис. 5.14. Расчетная схема поднимаемой системы к определению ветровых нагрузок Таким образом, в предварительных расчетах можно принимать равной 1,38…2,00. Действительное же значение собственных колебаний стрелы можно определить только экспериментальным путем. 392 При определении ветрового момента важно учитывать, что, в зависимости от угла, могут меняться как сила, так и плечо ее действия: . Если положение центра давления поднимаемой системы неизвестно, то можно представить ветровой момент как сумму моментов на отдельных участках: . Положение центра ветрового давления на каждом участке с достаточной для практики точностью может быть принято совпадающим с центром тяжести наветренной поверхности. 5.2.5. Момент сопротивления от сил трения в шарнирах механизма При подъеме стрелы суммарный момент сопротивления подъему от сил трения препятствует повороту стрелы, догружая механизм, а при опускании стрелы этот момент, препятствуя движению, разгружает гидродомкраты механизма: . Здесь l– индекс, максимальной значение которого соответствует количеству рассматриваемых узлов трения. При работе механизма подъема стрелы в шарнирах крепления стрелы и домкратов (см. рис. 5.8) возникают моменты сопротивления повороту, обусловленные действием сил трения. В общем случае момент сопротивления повороту в шарнире может быть определен по формуле: , где – коэффициент трения парыцапфа-втулка; – реакция, действующая в шарнире; – радиус цапфы. Ввиду малого значения момента сопротивления от сил трения в процессе проектного расчета механизма подъема его не учитывают, а при необходимости учета влияния этого момента на нагруженность гидродомкрата механизма вводится коэффициент , тогда сила, развиваемая гидродомкратом, определяется следующим образом: , где – число гидродомкратов; – плечо силы гидродомкрата; – коэффициент трения, = 0,085…0,087. 393 5.2.6. Суммарный момент На основании проведенных расчетов строятся графики действующих на стрелу моментов и график суммарного момента (рис. 5.15). При упрощенных расчетах и малых ускорениях разгона (торможения) стрелы суммарный момент сопротивления можно рассматривать без учета инерционного момента. Ветровой момент может как увеличивать силу сопротивления подъему стрелы ( ), так и уменьшать эту силу ( ). φ0' 0 60 30 φ0 φ, 90 град Рис. 5.15. Графики моментов сопротивления подъему и суммарного момента Графики суммарного момента являются исходными для определения усилия гидродомкрата, а также угла включения и величины уравновешивающей нагрузки. 394 5.3. Устройство и функционирование транспортно-установочного оборудования 5.3.1. Системы подъема РКН 5.3.1.1. Назначение, состав и требования к системам подъема стрелы Системы подъема стрелы лафетных установщиков служат для перевода стрелы из горизонтального положения в вертикальное, ее удержания в этом положении для ориентирования РКН по опорам пускового стола и передачи веса на них, а также опускания стрелы с РКН или без нее. Система подъема лафетного установщика включает механизм подъема, обеспечивающий кинематическую связь рамы, стрелы и гидродомкрата, гидравлический привод механизма и систему или аппаратуру управления для разгона, движения в установившемся режиме и торможения в вертикальном положении стрелы. К системам подъема стрелы предъявляются следующие требования: 1. Движение стрелы должно осуществляться плавно, чтобы возникающие ускорения на любом элементе РКН не превысили допустимой для данного изделия величины. 2. Механизм подъема стрелы должен длительное время обеспечивать ее удержание в любом промежуточном положении. 3. При наличии в системе нескольких гидродомкратов должна быть обеспечена синхронность их работы и заданная последовательность выхода ступеней. 4. Система подъема должна исключить работу механизма при нарушении условий безопасной эксплуатации, например, фиксацию рамы, вывешивание рамы и т.д. 5. Система должна обеспечивать управление как в автоматическом режиме, так и с местных пультов с возможностью визуального наблюдения за положением стрелы в пространстве. В современных лафетных установщиках широкое распространение получил гидравлический привод с электрическими источниками энергии. С его помощью можно развивать большие усилия при сравнительно малых габаритах самого привода, легко регулировать скорость подъема и опускания стрелы. Привод достаточно надежен в работе, экономичен, его элементы хорошо компонуются на агрегате и имеют высокую степень стандартизации. 395 Гидропривод стрелы включает насосную установку (станцию), исполнительный силовой орган, гидродомкраты и вспомогательные устройства. Совокупность гидропривода стрелы, всех приданных ему агрегатов, устройств и приборов совместно с коммуникациями составляет гидравлическую систему механизма подъема стрелы. Конкретный состав гидросистемы и ее сложность зависят от комплекса выполняемых задач и системы автоматизации ее действия, однако, на примере одной из схем можно рассмотреть назначение основных элементов механизма подъема стрелы. Типовая схема гидросистемы механизма подъема стрелы показана на рис. 5.16. На рисунке обозначены: 1 – насосная установка; 2 – вентиль; 3 – бак; 4 – фильтр; 5 – тормозной клапан; 6 – гидродомкрат; 7 – шток; 8 – электрогидроклапан; 9 – предохранительный клапан; 10 – манометр; 11 – блок гидроаппаратуры; а, б – полости гидродомкрата прямого и обратного действия. Насосная станция предназначена для преобразования энергии приводного электродвигателя в энергию рабочей жидкости, а также хранения запаса рабочей жидкости и обеспечения ее кондиционного состояния по чистоте. Насосная станция включает бак 3, одну или несколько насосных установок 1, фильтры 4, предохранительный клапан 9, вентиль 2. 4 5 6 7 б 3 2 9 10 1 М 8 а 11Т Рис. 5.16. Типовая схема гидросистемы механизма подъема стрелы 396 Насосная установка состоит из электродвигателя и одного или несколько гидронасосов, причем во втором случае используются насосы правого и левого вращения. Чаще всего в качестве насосов применяются аксиально-поршневые насосы с постоянным углом наклона цилиндрового блока, обладающие наилучшими весовыми и габаритными характеристиками. Рабочее давление этих насосов достигает 30÷40 МПа, подача – несколько сот литров в минуту. В системах малой подачи чаще всего используются радиальные насосы с эксцентриковыми приводом и клапанным распределением, отличающиеся простотой конструкции, меньшей стоимостью, однако подача их не превышает нескольких десятков литров и по удельному весу они в 2÷3 раза тяжелее аксиальных насосов. Привод насосов осуществляется, как правило, от трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В качестве резервных насосных установок, используемых для выполнения вспомогательных операций в случае выхода из строя основных насосов, а также для опрессовки гидросистемы и подачи жидкости к исполнительным органам при выполнении регламентных и ремонтных работ применяются ручные насосы поршневого типа. Кроме насосной станции и гидродомкратов, гидросистема подъема стрелы включает большую группу гидравлических аппаратов, с помощью которых осуществляются включение, выключение и реверсирование привода, регулирование скорости подъема и опускания стрелы, надежная герметизация полостей гидродомкрата в любом положении штока, автоматическое управление и сигнализация о работе механизма, контроль давления рабочей жидкости в напорной и сливной магистрали и т.д. Элементы гидросистемы располагаются как на стреле, так и на раме, а на стационарных установщиках – в пристартовых помещениях. Гидроаппаратура, как правило, в целях ее защиты от воздействия окружающей среды и механических повреждений монтируется в специальных блоках гидроаппаратуры, которые устанавливаются на раме или стреле в местах, наиболее удобных для обслуживания агрегата. Соединение элементов всех групп между собой осуществляется с помощью трубопроводов различного диаметра, в местах перехода труб с неподвижной конструкцией агрегата к подвижным частям установлены гибкие шланги или шарнирные соединения. 397 5.3.1.2. Программы и способы регулирования скорости Подъем стрелы из-за сравнительно невысокой поперечной прочности груза должен производиться со скоростью, которая определяется допустимой перегрузкой, действующей на поднимаемую систему, мощностью привода и безопасностью выполнения операции. При расчете инерционной нагрузки(см. рис. 5.13) было установлено, что перегрузка, действующая на любой элемент конструкции, определяется в основном совокупностью двух сил: составляющей силы веса , и силы инерции , а допустимая ее величина определяется из уже рас- сматриваемого ранее выражения . Из этого выражения видно, что максимальная оперативность подъема стрелы достигается при сохранении на всем угле поворота перегрузки постоянной по величине, например, . Тогда линейное ускорение элемента конструкции должно постоянно возрастать, так как и, соответственно, первый член правой части выражения уменьшается. Но для плавной и безопасной остановки стрелы с ракетой в конце подъема при приближении к вертикальному положению движение стрелы должно замедляться. Из графика на рис. 5.17, а видно, что при разгоне (кривая 1) ускорение нарастает до момента начала торможения ( = T). При замедлении перегрузка будет определяться из выражения: , где знак минус означает изменение направления действия перегрузки и ускорения. Допуская, что происходит мгновенное изменение ускорения по величине и знаку, получаем на графике кривую 1’. Заметим, что ускорение замедления з по абсолютной величине – больше на величину значения, определяемого допустимой перегрузкой; т.е. . В процессе подъема по программе с постоянной перегрузкой ускорение (замедление) должно непрерывно меняться, что сложно реализовать технически. Например, для систем подъема с гидравлическим приводом это требует непрерывного изменения давления в рабочих полостях гидродомкратов. 398 a) j/g [n] m 1 2 φт 90º φ 90º φ -[n] -j/g б) 1' 2' v 1 2 3 4 φт Рис. 5.17. Графики ускорений и скоростей подъема стрелы График изменения скорости подъема при реализации программы с постоянной перегрузкой показан в виде кривой 1 на рис. 5.17, б. Несколько проще реализация программы регулирования скорости с постоянными ускорениями разгона и торможения (линии 2 и 2’ на рис. 5.17, а), величины которых принимаются равными минимальным значениям ускорений и замедлений первой программы (соответственно точки m и –[n] на рис. 5.17, а). В этом случае скорость поворота стрелы (ломаная 2 на рис. 5.17, б) изменяется по линейному закону, поэтому время выполнения операции несколько увеличивается, однако весь процесс остается таким же быстротечным, и для его реализации механизм подъема необходимо оснащать приводом значительной мощности. Так, при поддержании перегрузки в центре тяжести поднимаемой системы равной двум, время подъема составляет 3…5 секунд, а потребная мощность привода, по сравнению с существующими на реальных агрегатах, больше в 30…40 раз. 399 Учитывая, что в космической технике оперативность подъема ракеты в вертикальное положение не является критичной, важно обеспечить безопасность выполнения операций и целесообразно минимизировать потребную мощность оборудования. В настоящее время нашли применение программа с кратковременными участками разгона и торможения и продолжительным участком движения с постоянной скоростью (ломаная 3 на рис. 5.17, б) и программа, отличающаяся от предыдущей участками с микроскоростью, которая используется для повышения плавности разгона и безопасности доводки до вертикального положения (ломаная 4 на рис. 5.17, б). Максимальные значения ускорений и замедлений при реализации этих программ не превышают соответствующих значений для программы 2. Тем не менее, даже реализация рассмотренных программ регулирования скорости в механизмах подъема стрелы лафетных установщиков связана с определенными трудностями, обусловленными ограниченными возможностями в выборе силовых элементов механизма и различных (стандартных и унифицированных) элементов гидравлических систем, характеристики которых не в полной мере обеспечивают достижение желаемых результатов. Из рассмотрения общего принципа работы гидросистемы известно, что угловая скорость поворота стрелы при ее подъеме и опускании гидродомкратом зависит от скорости поступательного движения штока домкрата и его углового положения относительно стрелы в каждый момент времени. На существующих установщиках взаимное положение домкрата и стрелы полностью определяется их исходной компоновкой, поэтому управление скоростью поворота стрелы возможно лишь путем изменения скорости движения штока за счет изменения количества жидкости, подводимой к домкрату или отводимой от него в единицу времени, т.е. за счет изменения расхода рабочей жидкости: , где – скорость движения штока гидродомкрата; – количество рабочей жидкости, подаваемой в домкрат или сливаемой из него в единицу времени; F – рабочая площадь домкрата. В системах подъема стрелы применяются дроссельный и объемный (насосный) методы регулирования скорости. При объемном способе изменения скорости объем рабочей жидкости , поступающей к домкрату, определяется подачей насосной установки, . 400 Регулируется процесс плавным изменением подачи насосной станции или ступенчатым изменением подачи насосной станции за счет подключения и отключения насосов. Объемный метод регулирования является наиболее экономичным. При его использовании насосом подаётся тот же объем жидкости, который необходим для обеспечения требуемой скорости выходного звена гидродвигателя. Однако применение этого метода требует усложнения конструкции насоса или гидродвигателя и создания устройств, обеспечивающих изменение подачи насоса. При дроссельном методе количество поступающей к домкрату рабочей жидкости определяется разностью: где – объем сливаемой через дроссель жидкости. В этом случае сливаемая в бак жидкость не совершает полезной работы, потому экономичность привода с дроссельным регулированием ниже, чем передачи с объёмным регулированием. В зависимости от места установки дросселя гидроприводы с дроссельным регулированием выполняют по схеме с последовательно и параллельно включенным дросселем. При последовательном включении дроссель может быть установлен как в линии нагнетания, так и в линии слива. При любой установке дросселя в работе привода проявляется весьма существенный недостаток, который состоит в том, что скорость выходного звена гидродомкрата зависит не только от площади проходного сечения дросселя, но и от внешней нагрузки. Поэтому на практике в гидроприводах систем подъема стрелы применяют комбинированные методы регулирования скорости, т.е. различные сочетания объемного и дроссельного регулирования, особенно в тех случаях, когда необходимо обеспечить большую подачу рабочей жидкости в телескопические гидродомкраты двухстороннего действия с камерами противодавления на внутреннем цилиндре. В этом случае до включения камеры противодавления регулирование скорости осуществляют путем последовательного подключения насосов, ступенчато изменяя подачу, а после его включения производят слив жидкости из камеры противодействия через дроссель. При необходимости снижения скорости к напорной гидролинии могут подключаться регуляторы потока, либо отключаться часть насосов. Комбинированный способ регулирования скорости позволяет использовать преимущества объемного и дроссельного способов и снизить влияние их недостатков. 401 5.3.1.3. Система подъема стрелы стационарного установщика Рассмотрим вариант реализации системы подъема стрелы на примере стационарного установщика. Гидросистема (рис. 5.18) состоит из четырех насосных установок, три из которых (Н2, Н3, Н4) имеют большую подачу жидкости (240 л/мин), а одна установка (Н1) – малую подачу (70 л/мин). Малая подача необходима для создания микроскорости в начале и конце подъема стрелы. Каждая насосная установка имеет свой предохранительный клапан (КП1…КП4), связывающий ее с баком Б. Управление поворотом стрелы осуществляется электромагнитными трехпозиционными клапанами ЭМК1 и ЭМК2. Ф Б Р3 ДР Ц КП1 ЭМК2 МН КО2 б Н1 КП2 КТ3 а Н2 Р2 Р1 КП3 Н3 КТ2 КП4 КО1 КТ1 Н4 ЭМК1 Рис. 5.18. Схема гидросистемы подъема стрелы стационарного установщика В начале подъема стрелы включается насос малой подачи Н1, и плавность разгона поднимаемой системы достигается открытием предохранительного клапана, через который осуществляется слив части жидкости из напорной линии в бак, так как в ней устанавливается давление настройки предохранительного клапана КП1, т.е. рк = рпк, превышающее давление, определяемое по статической нагрузке. Это позволяет разогнать стрелу до скорости, обеспечиваемой малой подачей насоса и дальнейшее подъем до угла φ = 3,5°, что необходимо для осуществления визуального контроля начальной стадии подъема с целью повышения безопасности выполнения этой операции. 402 При угле подъема φ1 = 3,5°по сигналу командоаппарата происходит последовательное включение (с помощью реле времени) электродвигателей насосов Н2, Н3, Н4, в результате чего подъем стрелы продолжается на большой скорости, превышающей малую в 12 раз. Однако переход на эту скорость происходит хотя и ступенчато, но достаточно плавно, так как включение каждого насоса сопровождается срабатыванием своего предохранительного клапана, обеспечивающего слив части жидкости в бак. В результате этого констатируется плавное нарастание скорости подъема с последовательным прикрытием клапана при достижении скорости, определяемой величиной суммарной подачи работающих насосов. Процесс перехода на большую скорость подъема достаточно быстротечен, длится несколько секунд и сопровождается работой предохранительных клапанов КП1…КП4, поэтому на графике давление рк (рис. 5.19, а) на этом участке поддерживается равным давлению настройки предохранительного клапана, т.е. рк = рпк, а в линии слива жидкости из полости б гидродомкрата Ц устанавливается давление, определяемое сопротивлением дросселя ДР и скоростью выхода штока. Наличие в сливной линии дросселя ДР связано с необходимостью уменьшения возможности автоколебаний поднимаемой системы из-за малого давления в полости б и ограничения максимальной скорости подъема стрелы. Подъем стрелы М 0 Опускание стрелы М МG-Mв φ, град 30 0 90 60 рк φ, град 30 90 60 V V 0 φ1 МG-Mв φ, град φ2 рпк 90 Δрк 0 90 ркп 78 рт1 φ, град 0 φ, град 0 φ1 рк рт2 ркп φ, град рпк 81 φ, град 0 а) φу 90 90 φ, град 0 90 б) 90 Рис. 5.19. Графики изменения параметров системы подъема стрелы стационарного установщика 403 Некоторое нарастание давления ркп в полости б гидродомкрата при переходе на большую скорость связано с увеличением расхода жидкости через дроссель. После выхода системы на скорость, определяемую суммарной подачей насосов, в полости а гидродомкрата устанавливается давление, соответствующее внешней нагрузке, например а поскольку она уменьшается, то естественно, что уменьшается и давление рк. Для повышения безопасности подъема стрелы доводка до вертикального положения производится на микроскорости. С этой целью, начиная с угла φ = 78°, последовательно с выдержкой, обеспечиваемой реле времени, выключаются насосы большой подачи Н2, Н3, и на угле подъема φ=80° – насос Н4. Дальнейший подъем стрелы продолжается на микроскорости за счет работы насоса малой подачи. Уравновешивание поднимаемой системы начинается с угла φ=80° путем отключения в магистрали слива клапана Р3, благодаря чему жидкость из полости б гидродомкрата сливается в бак через тормозной клапан КТ3, создающий в камере противодействия давление ркп=7,0 МПа, необходимое для создания уравновешивающей нагрузки с заданным коэффициентом запаса устойчивости в вертикальном положении. Возрастание давления в полости б гидродомкрата приводит к одновременному резкому увеличению давления и в полости а на величину . При дальнейшем подъеме стрелы в соответствии с умень- шением внешней нагрузки и поддержанием постоянным давления в полости б гидродомкрата давление в камере прямого действия уменьшается. Движение стрелы прекращается при достижении вертикального положения, а отключение насоса Н1 происходит с некоторой задержкой во времени с целью обеспечения полного выхода и дожатия штока. Надежное удержание стрелы в вертикальном положении достигается путем запирания обеих полостей гидродомкрата при отключении клапанов ЭМК1 и ЭМК2. Опускание стрелы происходит по программе, аналогичной программе подъема, и начинается также с включением насоса малой подачи. При этом рабочая жидкость от насоса Н1 поступает через включенный клапан ЭМК2 и обратный клапан КО2 в полость б гидродомкрата, слив жидкости из полости а в бак происходит через тормозной клапан КТ1 и электроклапаны Р1 и ЭМК1. При включении насоса давление в напорной линии и соответственно в полости б гидродомкрата повышается до срабатывания предохранительного клапана, т.е. ркп = рпк (рис. 5.19,б), и слива части объема жидкости в бак, что обеспечивает разгон стрелы до микроскорости и дальнейшее движение на этой скорости до угла 810. Самопроизвольного движения стрелы не происходит потому, что жидкость из полости а гидродомкрата продавливается через тормозной клапан КТ1 с давлением настройки рт1 = 3,0 МПа. 404 При угле 810 вместо тормозного клапана КТ1 включаются электроклапан Р2 и тормозной клапан КТ2, настроенный на большее давление (рт2 = 9,0 МПа), позволяющее удерживать стрелу с грузом в любом промежуточном положении при выключении насосов. Опускание на малой скорости продолжается до угла 78°, после чего последовательно с задержкой во времени включаются насосы Н2, Н3. Поскольку рабочая площадь камеры противодействия меньше рабочей камеры прямого действия, для выравнивания скоростей подъема и опускания насос Н4 в процессе опускания не включается. При включении насосов в напорной линии давление возрастает до срабатывания предохранительных клапанов, что позволяет выйти достаточно плавно на максимальную скорость опускания, определяемую подачей трех насосов. В дальнейшем в напорной линии давление ркп уменьшается в связи с ростом внешней нагрузки , способствующей опусканию стрелы. Нагрузка, создаваемая давлением ркп, необходима для преодоления сопротивления жидкости из подпоршневой полости, т.е. определяется соотношением , из которого следует, что при постоянной левой части рост первого члена правой части вызывает уменьшение второго члена на такую же величину. По достижении стрелой угла 4° происходит последовательное отключение насосов большой подачи, что приводит к снижению скорости опускания, переходу на микроскорость, определяемую подачей насоса Н1. В горизонтальном положении стрелы срабатывает конечный выключатель, который через реле времени выключает насос Н1 с временной задержкой, необходимой на дожатие стрелы. Рассмотренная система осуществляет подъем стрелы в вертикальное положение за 15 мин. и опускание в горизонтальное положение за 16 мин., при этом достигается плавность движения стрелы и надежное удержание поднимаемой системы в любом промежуточном положении. Однако, экономичность системы уравновешивания крайне низка, так как коэффициент запаса устойчивости достигает максимального значения в момент включения тормозного клапана. И по мере дальнейшего подъема стрелы его величина уменьшается, приближаясь к заданному значению. Наличие в системе подъема нескольких насосов позволяет не только плавно увеличить скорость подъема и опускания стрелы, но и обеспечивать работу гидравлических приводов для других механизмов. 405 5.3.2. Системы уравновешивания РКН 5.3.2.1. Назначение и классификация систем уравновешивания. Требования к системам уравновешивания При подъеме ракеты в вертикальное положение на стационарный установщик (или транспортно-установочный агрегат) действуют весовые, ветровые и инерционные нагрузки. Полагая, что устойчивость агрегата в целом обеспечивается стационарным закреплением рамы в стартовом сооружении (или вывешиванием подвижной рамы на опорах), рассмотрим отдельно действие весовых, ветровых и инерционных нагрузок на поднимаемую систему и их влияние на ее устойчивость. Под устойчивостью поднимаемой системы будем подразумевать способность стрелы с ракетой занимать (сохранять) расчетное положение при рассматриваемом угле подъема. На начальном этапе подъема устойчивость поднимаемой системы обеспечивается ее грузовым моментом (см. рис. 5.15). Направление ветрового момента при этом существенного влияния на устойчивость не оказывает. После прохождения центром масс поднимаемой системы вертикали, соответствующей шарниру поворота стрелы (70÷80°), в наиболее критичном случае действие всех моментов направлено на опрокидывание стрелы вместе с ракетой. Будем оценивать устойчивость по значению коэффициента запаса устойчивости kу. Коэффициент запаса устойчивости от опрокидывания определяется отношением момента, обеспечивающего устойчивость (стабилизирующего положения), к моменту, действующему в сторону опрокидывания системы: . Для установщиков допустимое значение этого коэффициента принимается исходя из условия [3]. Для начального этапа подъема грузовой момент является стабилизирующим ( ), а ветровой момент (если направлен в сторону подъема) является опрокидывающим ( ). Тогда . (5.5) По мере подъема стрелы величина грузового момента снижается и его стабилизирующее влияние на обеспечение устойчивости снижается. При достижении стрелой некоторого предельного угла грузовой момент становится опрокидывающим. 406 Если ветровой момент при этом направлен в сторону подъема, то он является опрокидывающим, если он направлен против подъема, то является стабилизирующим. Угол подъема , соответствующий минимальному допустимому значению коэффициента запаса устойчивости, меньше предельного угла , при котором , на 5÷7 градусов. Определение угла включения системы уравновешивания можно произвести по уравнению (5.5), если в его левую часть подставить минимально допустимое значение коэффициента kу. При этом необходимо иметь в виду, что действительные значения угла , как правило, находятся в пределах 70…800. Для обеспечения устойчивости поднимаемой системы при установщики оснащаются системами или механизмами, создающими дополнительную нагрузку, которая уравновешивает опрокидывающий момент и имеет избыток (запас) нагрузки, необходимый для стабилизации положения поднимаемой системы на заключительном этапе подъема. Такой ситуации можно было избежать, если бы схема ТУА имела стрелу, расположенную над РКН (рис. 5.20). Однако такая компоновка установочного агрегата своего применения не нашла. Системы уравновешивания установщиков основаны на приводах, имеющих такую же природу, что и система подъема, обеспечивающая сохранение той же инфраструктуры поднимаемого агрегата. Так для портальных установщиков используются канатно-полиспастные системы с грузом-противовесом. В лафетных установщиках устойчивость на заключительном этапе подъема обеспечивается гидравлическими устройствами, установленными в магистрали слива рабочей жидкости из камеры противодавления гидродомкрата подъема. Рис. 5.20. Возможная схема закрепления изделия на стреле 407 Классификация систем уравновешивания, используемых на установщиках, приведена на рис. 5.21. Системы уравновешивания Гидравлические Механические Маятниковые С тормозным клапаном Петлевые С клапаном-регулятором С дросселем Комбинированные Рис. 5.21. Классификация систем уравновешивания Разнообразие систем уравновешивания связано с поиском систем, в которых дополнительный стабилизирующий момент не приводил бы поднимаемую систему к следующим ситуациям: – скачкообразному росту суммарного момента[что пагубно сказывается на динамике подъема]; – неоправданно большому росту нагрузки на систему подъема. В связи с этим к системам уравновешивания предъявляются следующие требования: 1. Система уравновешивания должна включаться заблаговременно до наступления равновесного состояния [минимум за 5÷7 градусов], чтобы исключить неопределенность положения груза при действии всех возможных внешних факторов (например, порывов ветра со снегом), которые могут привести к резкому возрастанию опрокидывающей нагрузки. 2. На всем этапе работы системы уравновешивания создаваемый ею стабилизирующий момент должен превышать опрокидывающий момент от нагрузки поднимаемой системы не менее чем на 15%. 3. Для создания оптимальных условий работы механизма подъема целесообразно, чтобы уравновешивающая нагрузка изменялась (нарастала) аналогично изменению опрокидывающей нагрузки, что приведет к сохранению коэффициента запаса устойчивости постоянным по величине на всем этапе работы системы уравновешивания и, соответственно, к минимально возможным энергозатратам. 408 5.3.2.2. Механические системы уравновешивания Маятниковые системы уравновешивания (ранее используемые в установщиках) имеют схему, показанную на рис. 5.22, б. На рисунке буквами и цифрами обозначены: а – график изменения силы; б – работа систем подъема и уравновешивания; 1 – тележка; 2 – ракета; 3 – мачта; 4 – стальные канаты; 5 – барабан; 6 – рама установщика; 7 – пусковой стол; 8 – канат механизма уравновешивания; 9 – направляющие блоки; 10 – сектор противовеса. На схеме ракета 2 доставлена на стартовую позицию на транспортной тележке 1, которая пристыковывается к пусковому столу 7. Соосно с тележкой с противоположной стороны к пусковому столу крепится установщик 6, мачта 3 которого после перевода в вертикальное положение служит порталом для пропуска канатов 4 механизма подъема тележки, расположенного на раме установщика. 2 1 3 Т Rу 4 h ρ 5 φ0 r0 rc α 7 8 6 9 Rу 10 Gc Рис. 5.22. Маятниковая система уравновешивания Механизм подъема включает барабан 5, на который наматываются канаты 4, обеспечивая поворот тележки 1 с ракетой 2. При этом происходит выбор слабины гибкой тяги, соединяющей противовес 10 с рамой тележки. 409 Противовес выполнен в виде сектора и расположен в углублении на стартовой площадке, поэтому гибкая тяга подводится к нему через систему отводных блоков 9, и после натяжения тяги начинается уже поворот самого противовеса, находившегося в равновесном положении. В результате отклонения сектора от исходного положения в канате 8 возникает усилие Rу, величина которого определяется моментом от нормальной составляющей силы веса противовеса на плече центра тяжести r0: , где – вес противовеса, выполненного в виде сектора; rc ,r0 – радиус центра тяжести и образующей сектора; α – угол отклонения сектора, α = φ – φу. Маятниковая система уравновешивания позволяет за счет незначительных конструктивных изменений противовеса добиться желаемого изменения уравновешивающей нагрузки (рис. 5.23, б), при которой сохраняется примерно постоянной величина коэффициента запаса устойчивости поднимаемой системы. Параметры маятника-противовеса (Gc, r0, rc) должны выбираться исходя из потребности создания заданного момента уравновешивающей нагрузки: , – плечо усилия гибкой связи. Этот момент должен создаваться заблаговременно и превышать на всем этапе подъема опрокидывающий момент, создаваемый весовой и ветровой нагрузками, , где – текущее значение опрокидывающей нагрузки, МGMВ=Мопр. где Тогда α ρφ с у с в φ При этом система уравновешивания создает запас стабилизирующей нагрузки, которая и преодолевается механизмом подъема . В этом случае усилие в канатах 4 лебедки 5 (см. рис. 5.22, б) определяется следующим образом: где n – количество канатов лебедки; hφ – плечо усилия Т. 410 б) a) Rу М МG - Мв Му φу φ0 90º φу φ0 φ 90º φ Рис. 5.23. Графики изменения уравновешивающих силы и момента при работе системы уравновешивания Максимальное значение усилий в канате актуально в вертикальном положении ракеты, когда противовес отклонится на максимальный угол: , где . Маятниковая система уравновешивания не лишена недостатков, к которым можно отнести следующие: 1) Загромождение стартовой площадки гибкой связью и приямком для размещения противовеса с направляющими блоками. 2) Наличие ручных операций, связанных с необходимостью соединения гибкой связью противовеса с поднимаемой системой. 5.3.2.3. Расчет параметров петлевой системы уравновешивания Петлевая система (используемая, например, в РКК «Рокот») установлена на башне обслуживания и состоит (рис. 5.24) из двух канатов5, симметрично закрепленных на верхнем строении башни, и двух блоков 3, закрепленных на наружных боковых стенках продольных балок транспортно-установленной тележки 1. Канат 5 одним концом закреплен шарнирно на кронштейне 2, а к другому концу, переброшенному через блоки 4 и 6, подвешен груз 7, создающий растягивающее усилие в канате, и движущийся по направляющей 8. 411 Рис.5.24. Петлевая система уравновешивания При подъеме ракеты тележка 1 поворачивается вокруг шарниров на пусковом столе 9. При достижении угла подъема φ = φу блоки 3 тележки входят в контакт с канатами 5, которые при дальнейшем движении огибают блоки и, за счет усилия натяжения их ветвей, создают уравновешивающую нагрузку на тележку, которая определяется выражением . Дальнейшее движение тележки к вертикальному положению сопряжено с преодолением механизмом подъема все возрастающего момента сопротивления, так как по мере перемещения блоков (см. положение б и в, рис. 5.24) усилие возрастает. Характер нарастания усилия проиллюстрирован на рис. 5.25, где представлены три положения (блока и каната механизма). В первом положении – блок вошел в контакт с канатом, но усилие на тележку отсутствует (начало координат на графике). Во втором положении– между осями ветвей каната образуется угол 2α, а так как усилия в ветвях одинаковы: равны весу груза, то равнодействующая определяется по выражению . 412 Естественно, что с ростом усилия S (Sв>Sб>Sа)возрастает и максимальная нагрузка , потребная величина которой определяется из условия равновесия поднимаемой системы: , откуда , где – усилие в канате механизма подъема; – плечо действия усилия подъема. 1) α=90º 3) α=0º 2) α=50º S Fy=2S S Fy α S S S1>S2>S3 S1 2S1 S2 2S2 2S3 S3 90 50 α 0 Рис. 5.25. Расчетная схема и графики развиваемых усилий Подбирая параметры петлевой системы уравновешивания, можно получить желаемый характер изменения стабилизирующей нагрузки. 413 В частности, увеличивая расстояние между узлами крепления канатов (рис. 5.26, а), можно достичь более плавного нарастания усилия (рис. 5.26,б). Рис. 5.26.Расчетная схема (а) и графики (б, в) влияния параметров системы на величину развиваемого усилия В общем случае коэффициент запаса устойчивости поднимаемой системы определяется по формуле (5.6) Как следует из формулы (5.6), характер изменения коэффициента kу в основном зависит от интенсивности уменьшения угла α по мере приближения тележки к вертикальному положению. Из формулы (5.6), задаваясь величиной коэффициента ку при φ = 90°, может быть определена величина веса груза, обеспечивающего натяжение каждого из двух канатов: . Величину минимального значения угла α (рис. 5.26, а) можно определить графоаналитическим способом, как и характер этого изменения по мере перемещения блока с канатом (по координате l ). 414 Примерные графики изменения угла α при перемещении блока радиусом r при различных соотношениях 2k (расстояния между узлами крепления вет2r вей каната 2к к диаметру блока 2r) представлены на рис. 5.26,в. Там же (рис. 5.26, б) помещены графики изменения усилия . Из графиков следует, что с увеличением отношения 2k угол α, а следовательно, и усилие 2r , изменяются более плавно, что позволяет, подбирая параметры петлевой системы уравновешивания, добиться заданного закона изменения стабилизирующей нагрузки, при котором коэффициент запаса устойчивости kу оставался бы постоянным. Существенным преимуществом рассматриваемой системы по сравнению с предыдущей является возможность автоматического включения системы в работу и сравнительно малая величина груза, удобство его размещения в специальном коробе на верхнем строении башни обслуживания. Однако использование двух агрегатов (башни обслуживания и транспортно-установочной тележки) для размещения элементов механизма уравновешивания приводит к необходимости доработки их конструктивно и усложнению эксплуатации. 5.3.2.4. Гидравлические системы уравновешивания Состав и принцип действия гидравлических систем уравновешивания ракет на заключительном этапе подъема В лафетных установщиках перевод стрелы из горизонтального в вертикальное положение производится гидравлическими домкратами двухстороннего действия. Зачастую используются телескопические двух- и трехступенчатые гидродомкраты с камерой противодействия на последней ступени. Поскольку выход последней ступени происходит при углах подъема стрелы ( 45°...50°), существенно меньших углов (у) включения системы уравновешивания, то в магистрали слива рабочей жидкости из этой камеры должна устанавливаться управляющая и регулирующая аппаратура, с помощью которой создается сопротивление движению жидкости, и, соответственно, неуправляемому движению стрелы. Наибольшее распространение получили два принципиально различных способа создания сопротивления движению штока гидродомкрата, основанных на поддержании постоянным движения в камерах: противодействия, ркп=const; прямого действия, рк=const. 415 В первом случае в магистрали слива жидкости из камеры противодействия (штоковой полости) устанавливается тормозной клапан 1 (рис. 5.27), жидкость через который проходит с начала выхода последней ступени 2 многоступенчатого гидродомкрата 4 или после отключения клапана 5 по сигналу системы управления при использовании одноступенчатого (двухступенчатого) гидродомкрата. В качестве тормозных клапанов используются разгрузочнопредохранительные клапаны прямого и непрямого действия. Давление настройки тормозного клапана выбирается из расчета обеспечения заданного значения уравновешивающей нагрузки при вертикальном положении из выражения кп где у у кп ° в кп , Fкп – площадь камеры противодействия; а=90º – плечо действия силы гидродомкрата при =90°. Рис. 5.27. Схема и графики параметров системы уравновешивания при ркп=const Поскольку давление в камере противодействия ркп возрастает скачкооб- разно до момента рпк в момент включения тормозного клапана (=у), то давление рк на его преодоление для обеспечения движения последней ступени (штока одноступенчатого гидродомкрата) в камере прямого действия также возрастает на величинур: , 416 где – коэффициент, учитывающий отношение площадей камер прямого действия и противодействия , к кп Тогда . Используя соотношение для рк, получаем выражение к в к у у в к у . ° Первый член в выражении для рк по мере дальнейшего движения стрелы уменьшается (становясь отрицательным), поэтому соответственно уменьшается при приближении к вертикали и давление рк, достигая минимального значения на этом этапе при =90°, а выражение для рк может быть преобразовано к виду: . Резкое возрастание давления в камере при включении системы уравновешивания приводит к аналогичному возрастанию стабилизирующего момента , действующего на поднимаемую систему, на величину, определяемую уравновешивающей нагрузкой, необходимой для обеспечения запаса устойчивости в вертикальном положении, т.е. . (5.7) При дальнейшем движении, за счет уменьшения внешней нагрузки до нуля при o[первое слагаемое в (5.7)], стабилизирующий момент также уменьшается, достигая в вертикальном положении минимального значения, которое, тем не менее, превышает по величине опрокидывающую нагрузку. Уменьшение запаса стабилизирующего момента связано с тем, что в камере противодействия (в предположении малого изменения плеча гидродомкрата) создается постоянная уравновешивающая нагрузка а внешняя нагрузка при угле подъема стрелы > o становится отрицательной (опрокидывающей) и затем возрастает по абсолютной величине. 417 Поэтому запас уравновешивающей нагрузки М, представляющий собой разность между уравновешивающей и опрокидывающей нагрузками, ,имеет максимальное значение в момент включения системы, затем уменьшается и достигает минимального значения при вертикальном положении стрелы: . а так как , то в этом случае Таким образом, при уравновешивании поднимаемой системы путем поддержания постоянным давления в камере противодействия максимальная стабилизирующая нагрузка создается в момент включения системы, когда запас устойчивости обеспечивается собственным грузовым моментом, т.е. при =у: и при этом добавляется уравновешивающая нагрузка, обусловленная возникновением силы в гидродомкрате со стороны камеры противодействия, , т.е. . (5.8) При угле подъема =0 первый член в выражении (5.8) становится равным нулю, а при >o отрицательным, возрастая по абсолютной величине, поэтому коэффициент запаса устойчивости уменьшается, приближаясь к допустимой величине [kу], определяемой из условия равновесия моментов, действующих на поднимаемую систему в вертикальном положении, , откуда . Следовательно, запас устойчивости поднимаемой системы определяется величиной давления, необходимого для доводки системы до вертикального положения в напорной магистрали. 418 Реализация рассмотренного способа уравновешивания приводит к излишне большим нагрузкам на механизм подъема, но отличается простой и высокой надежностью. Если включение тормозного клапана совпадает с выходом штока последней ступени, то для преодоления избыточной уравновешивающей силы необходимо приложить со стороны камеры прямого действия дополнительную подъемную силу, создание которой приводит к скачкообразному росту давления в этой камере до давления настройки предохранительного клапана и сливу некоторого объема рабочей жидкости из магистрали, что снижает интенсивность разгона поднимаемой системы, хотя и увеличивает экономические затраты, снижая эффективность работы насосной станции. Расчет параметров системы подъема стрелы при рк = const При уравновешивании поднимаемой системы путем поддержания постоянным давления в камере прямого действия в магистрали слива жидкости из штоковой полости (полость кп) гидродомкрата (рис. 5.28) устанавливается клапан-регулятор 1, управляющая полость (полость «а») которого связана с напорной магистралью гидродомкрата (полость к), а его золотник 3 может перекрывать отверстие «в», через которое жидкость вытесняется из камеры противодействия в бак. Настройка клапана производится пружиной 2, жесткость которой должна быть малой, чтобы при перемещении золотника вдоль отверстия (щели) давление в напорной магистрали изменялось несущественно. Рис. 5.28. Схема и графики параметров системы уравновешивания при рк = const 419 Система уравновешивания работает следующим образом. В начале подъема стрелы давление в напорной магистрали значительно превышает давление настройки клапана, и золотник, сжимая пружину, занимает крайнее верхнее положение. По мере уменьшения внешней нагрузки, снижается и давление в напорной магистрали. При угле подъема =у золотник под действием пружины занимает положение, при котором дальнейшее его опускание приводит к перекрытию проходного сечения из штоковой полости гидродомкрата, а, следовательно, повышению давления в этой полости. По мере дальнейшего подъема стрелы давление в камере противодействия будет увеличиваться пропорционально росту опрокидывающей нагрузки на стрелу, а золотник 3, постепенно опускаясь, будет находиться в равновесном положении под действием пружины с одной стороны и давления (рк) в камере прямого действия гидродомкрата с другой стороны. Величина давления рк определяется из расчета обеспечения доводки поднимаемой системы до вертикального положения, т.е. условия равновесия поднимаемой системы . Так как максимальная опрокидывающая нагрузка , а максимальная уравновешивающая нагрузка, создаваемая камерой противодействия должна превышать опрокидывающую на коэффициент запаса устойчивости, то в вертикальном положении стрелы . то . При этом давление в камере противодействия будет определяться выражением . Коэффициент запаса устойчивости на углах от =у до =90° изменяется по величине, так как в момент включения системы уравновешивания он определяется по формуле . 420 Затем, по мере нарастания давления в камере противодействия, увеличение коэффициента запаса устойчивости определяется по следующей формуле: и в вертикальном положении при =90° кп у кп в . Можно сделать вывод, что, задавая определенный закон изменения давления в камере противодействия, можно выдержать коэффициент запаса устойчивости близким к постоянной величине, например минимально допустимой. Следовательно, способ уравновешивания путем поддержания давления в камере прямого действия постоянным экономически выгоден, но его реализация связана со значительными сложностями, так как унифицированные регуляторы рассчитаны на малые расходы жидкости и установках их в гидросистемах современных установщиков из-за больших расходов жидкости не представляется возможной. Однако способ уравновешивания находит применение благодаря использованию совокупности нескольких аппаратов, также находят применение и разновидности первого способа. 5.3.2.5. Комбинированный способ уравновешивания Комбинированный способ уравновешивания может быть реализован, например, при установке на выходе из камеры противодействия дросселя 1 (рис. 5.29). В этом случае обеспечивается создание сопротивления движению поднимаемой системы. Если система уравновешивания включается при выходе второй (третьей) ступени(I), то давление в камерах гидродомкрата резко возрастает. Давление в напорной магистрали рк достигает давления настройки предохранительного клапана и часть жидкости сливается в бак. Так как перепад давления на дросселе зависит от расхода на нем, то по мере закрытия предохранительного клапана, т.е. увеличения объема жидкости, поступающей в подпоршневую полость, возрастает скорость штока, и соответственно возрастает давление в камере противодействия вплоть до полного закрытия предохранительного клапана в напорной магистрали (например, при =у ). Потом подъем стрелы происходит при постоянной скорости и при поддержании постоянным давления ркп, давление рк (кривая 1 на рис. 5.29) изменяется в соответствии с нагрузкой, т.е. применение дросселя в сливной магистрали позволяет снизить негативные факторы (резкий заброс давления при включении системы), связанные с использованием первого способа уравновешивания (при ркп=const). 421 Рис. 5.29.Схема и графики параметров комбинированной системы уравновешивания Эффект работы системы уравновешивания, достигаемый при использовании второго способа (рк=const), может быть получен, если к напорной магистрали (например, вблизи вертикального положения =880) подключить в сливной линии, кроме дросселя, предохранительный клапан, настроенный на давление, которое установилось в полости гидродомкрата на этом угле подъема, а в магистрали слива перекрыть проходное сечение таким образом, чтобы давление рк поддерживалось постоянным. Дроссель способствует повышению давления перед предохранительным клапаном, а последний позволяет сливаться части жидкости из напорной линии, в которой в этот момент существенно снизилась подача жидкости, поэтому давление в камере противодействия резко снижается (уменьшился расход на дросселе из-за снижения скорости движения штока). Затем на участке доводки давление плавно нарастает (кривая 2 на рис. 5.29) из-за перекрытия (запирания) проходного сечения регулируемого дросселя в магистрали слива из камеры противодействия. Таким образом достигается доводка стрелы до вертикального положения с малой скоростью при сравнительно небольших давлениях в полостях и запирание полостей гидродомкрата, чего было бы невозможно достичь при использовании только дросселя в сливной магистрали. 422 5.3.3. Системы вывешивания рам транспортно-установочных агрегатов 5.3.3.1 Назначение и состав систем вывешивания, требования к ним Система вывешивания служит для придания раме агрегата устойчивого положения перед установкой РКН на пусковой стол, осуществления жесткой связи рамы со стартовой площадкой, а также опускания РКН с целью передачи ее веса на пусковой стол. Система вывешивания рамы включает механизм вывешивания и привод, обеспечивающий работу механизма. Механизм вывешивания включает силовые элементы, воспринимающие нагрузку от рамы агрегата, а в качестве привода могут использоваться ручной, гидравлический и электрогидравлический приводы. В связи с тем, что работа системы вывешивания является составной частью технологического процесса подготовки РКН к пуску, к ее работе и составу предъявляется ряд специфических требований: Система должна обеспечить плавное изменение скорости подъема или опускания рамы; обеспечить синхронное перемещение подвижных элементов опор в одном направлении. исключить самопроизвольное перемещение (просадки) рамы при изменении на нее нагрузки в ходе работы других систем. Управление системой вывешивания должно иметь возможность управления каждой опорой с местных пультов. Работа системы должна осуществляться только при соблюдении заданной последовательности выполнения операций, например, доводка агрегата, вывешивание рамы и т.д. 5.3.3.2. Классификация и анализ схем систем вывешивания Механизмы систем вывешивания существующих подвижных установщиков классифицируются по следующим признакам (рис. 5.30): 1. По количеству опорных элементов механизмы вывешивания подразделяются на двух-, четырех- и шестиопорные. В зависимости от количества опорных элементов возможно вывешивание как части агрегата в случае применения двух опор (рис. 5.31), так и полное вывешивание агрегата при применении четырех и шести опор. 423 Механизмы систем вывешивания По числу опорных элементов По конструкции опорных элементов Двухопорные Гидравлические домкраты С гидравлическим приводом Четырехопорные Гидровинтовые домкраты С электрогидравлическим приводом Шестиопорные Винтовые домкраты С ручным приводом По типу привода Рис. 5.30. Классификация механизмов систем вывешивания 2. По конструктивному исполнению опорных элементов механизмы вывешивания выполняются в виде винтовых домкратов, гидравлических и гидровинтовых домкратов. Винтовые опорные элементы на установщиках применяются как вспомогательные, предназначенные для фиксации положения рамы после вывешивания ее гидравлическими домкратами, разгрузки ходовой части агрегата при длительном хранении установщика или для удержания передней части рамы установщика, выполненного в виде полуприцепа, при его стоянке без тягача. Гидравлические домкраты, используемые в качестве опорных элементов механизмов вывешивания, выполняются в виде гидравлических цилиндров двухстороннего действия с двумя штоками, расположенными симметрично относительно поршня. К нижнему штоку крепится опорная пята (башмак), верхний шток используется для силовой связи поршня с корпусом опоры с помощью специальных стопоров, обеспечивающих разгрузку верхней полости цилиндра после выхода опоры при вывешивании агрегата. В зависимости от количества стопоров, расположенных вдоль оси корпуса, возможна фиксация штока в одном или нескольких строго определенных положениях. Гидровинтовые опоры объединяют в единой конструкции винтовой и гидравлические домкраты (рис. 5.32). Причем, применяется несамотормозная винтовая пара, винт которой связан со штоком и может совершать с последним поступательные перемещения вдоль корпуса опоры, а гайка закрепляется в корпусе с возможностью вращения, поэтому по окончании работы опоры фиксация штока производится путем затормаживания гайки, что позволяет обеспечить фиксацию штока опоры в любом промежуточном положении, чем такой тип опоры выгодно отличается от гидравлической. 424 шестиопорная двухопорная четырехопорная Рис. 5.31. Схемы систем вывешивания 3. По типу привода механизмы вывешивания выполняются с ручным, гидравлическим и электрогидравлическим приводами. Ручной привод используется в механизмах вывешивания с винтовыми домкратами, гидравлический привод – в механизмах с гидравлическими домкратами, электрогидравлический привод используется в механизмах с гидровинтовыми домкратами, при этом приводы гидравлический и электрический, работают одновременно, что повышает надежность работы опор. На рис. 5.32 показана схема гидровинтового домкрата с устройством горизонтального перемещения, который используется на грунтовом установщике. 7 а 6 5 4 8 3 9 10 11 б 12 2 1 г 13 14 в Рис. 5.32. Схема гидровинтового домкрата 425 Домкрат состоит из корпуса 3 плунжера 4, к которому шарнирно крепится башмак 10, и винтовой пары, включающей винт 6 и гайку 9. Винт имеет возможность совершать как вращательное движение, для чего используется хвостовик 5 шестерни со шпонкой, так и поступательное перемещение вдоль хвостовика 6 за счет связи с гайкой 9, неподвижно закрепленной в стакане 8. Вертикальное перемещение установщика осуществляется при подводе жидкости в полость «а» домкрата и выходе плунжера. Корпус 3 домкрата закреплен на раме установщика, поэтому после упора башмака в рабочую площадку происходит перемещение корпуса 3 вместе с рамой установщика до необходимого уровня. После прекращения работы гидравлической части домкрата винт 6, соединенный резьбой с гайкой 9, вывинчивается из нее до упора в днище плунжера 4. Этим исключается самопроизвольное опускание рамы, которое может происходить в результате утечек жидкости из полости «а». Вращение винта может производиться вручную, либо с помощью электропривода 7. Для опускания рамы установщика вначале производится разгрузка винтовой пара путем подачи рабочей жидкости в полость «а» домкрата, затем винт до отказа ввинчивается внутрь стакана 8 и лишь после этого за счет веса агрегата и подачи жидкости в полость «б», обеспечивается опускание рамы установщика и утапливание плунжера 4 в корпусе 3. Жидкость из полости «а» выдавливается преодолевая сопротивление в сливную линию. Горизонтальные поперечные перемещения рамы установщика обеспечиваются подачей жидкости в полость «в» или «г» гидроцилиндра 11, корпус которого связан с опорной плитой 14, а поршень 13 через штоки 12 – с корпусом башмака 10. Для уменьшения сил трения при работе механизма горизонтального перемещения, между корпусом башмака и крышкой плунжера установлен текстолитовый подшипник скольжения 1. Для такой же цели установлен и подшипник 2 между шаровой опорой башмака и крышкой плунжера. Механизм вывешивания агрегата 11У219 включает электрогидравлический привод и две гидравлические опоры (гидроопоры). Каждая гидроопора состоит из гидравлического домкрата 2 (рис. 5.33), винтовой пары (винта 3 и гайки 4), электрического двигателя 6 и редуктора с тормозом 5. 426 Гидроопора1 Гидроопора2 5 4 3 6 Р м М9 М10 а а Р м ДР2 ДР1 ОК2 ОК1 б 2 б ДР3 1 ДР4 МП2 ЭМК1 ЭМК2 ЭМ1 ЭМ2 КП1 МП1 Ф3 Ф2 Ф1 Б1 НР Н1 Н2 М1 Рис. 5.33. Принципиальная схема гидравлической системы механизма вывешивания агрегата 11У219 Винтовая пара служит для фиксации штока гидроопоры и передачи нагрузки с агрегата на стартовую площадку минуя объем рабочей жидкости в гидродомкрате. 427 Наличие жесткой связи между штоком и корпусом исключает просадку рамы агрегата из-за утечек жидкости или ее деформации при изменении нагрузки, например в ходе подъема стрелы с РКН. Привод включает насосную установку с двумя радиально-поршневыми насосами (Н1, Н2), ручным насосом РН, предохранительным клапаном КП1, блоками фильтров Ф1, Ф2, Ф3, баком Б1 и аппаратуру управления, в состав которой входят трехходовые двухпозиционные клапаны ЭМК1, ЭМК2, регулируемые дроссели ДР1, ДР2 , нерегулируемые дроссели ДР3, ДР4 и обратные клапаны ОК1, ОК2. Особенность устройства гидроопоры состоит в том, что при выдвижении и втягивании штока опоры рабочая жидкость из напорной линии поступает в одну и ту же полость гидродомкрата. При выдвижении штока такой подвод жидкости соответствует направлению движения, а при втягивании штока жидкость поступает в подпоршневую полость (полость «б») из напорной линии через надпоршневую полость (полость «а») и регулируемый дроссель, обеспечивающий плавное опускание агрегата. Вывешивание агрегата на двух опорах одновременно осуществляется путем включения электродвигателя насосов М1, электромагнитов ЭМ1, ЭМ2, и электродвигателей М9, М10 гидроопор. Рабочая жидкость под давлением от насосов подается в полости «а» гидроопор через соответствующие штуцера электроклапанов ЭМК1, ЭМК2, дроссели ДР3, ДР4, обратные клапаны ОК1, ОК2. Жидкость из полостей «б» по трубопроводам сливается в бак. Происходит выдвижение штоков до упора в опорные кронштейны пускового стола, после чего агрегат поднимается на гидроопорах до заданного положения. При достижении рамой установщика требуемого положения одновременно отключаются электродвигатели М1, М9, М10 и электромагниты ЭМ1, ЭМ2. Гидроопоры автоматически стопорятся, и нагрузка с рамы агрегата передается через корпус каждой гидроопоры, гайку 4, винт 3, шток, башмак 6 на кронштейн пускового стола. Для опускания агрегата на двух опорах одновременно включаются электродвигатель насосов М1, электродвигатели М9, М10, электромагниты ЭМ1, ЭМ2 клапанов ЭМК1, ЭМК2 открываются дроссели ДР1, ДР2,и жидкость из напорной линии подается через полость «а» в полость «б» соответствующей опоры и далее в сливную линию. Регулируемые дроссели ДР1, ДР2 обеспечивают плавное опускание агрегата. 428 5.3.3.3. Расчет нагрузки на гидроопоры систем вывешивания Наиболее нагруженными элементами систем вывешивания являются гидравлические опоры, подвергающиеся воздействию весовых, ветровых и инерционных нагрузок, характерные сочетания которых возможны в двух расчетных случаях: в начале подъема стрелы и в вертикальном положении стрелы с РКН. В начале подъема стрелы с РКН в исходном положении рама агрегата вывешена на двух гидроопорах (соответствует точке А на рис. 5.34) и специальными механизмами (соответствует точке В на рис. 5.34) связана со стартовой площадкой, что позволяет рассматривать расчетную схему как двухопорную систему. Реакция в узлах крепления каждой из гидроопор определяется исходя из условия равенства нулю суммы моментов сил веса и реакции усилий гидродомкрата относительно одной из опор: . В соответствии с рис. 5.34 из условия равенства нулю суммы моментов относительно опоры В получим выражение для усилия в каждой из двух опор, соответствующих точке А: , где Gp– вес рамы агрегата; – вес поднимаемой системы; – реакция от усилия, развиваемого гидродомкратом; l1, l2, l3и l4 – плечи действия сил и реакций относительно опор; – угол установки гидродомкрата. Рис. 5.34. Схема нагрузок на гидроопоры в начале подъема стрелы В вертикальном положении стрелы с РКН возможны два расчетных случая, различающиеся направлением действия ветрового потока: в сторону опрокидывания агрегата и в боковом направлении. 429 В первом случае рама агрегата связана со стартовой площадкой (рис. 5.35) и опирается на две гидроопоры, РКН висит на узлах крепления стрелы, и нагрузка передается со стрелы на раму через шарниры, а ветровой поток действует со стороны РКН, создавая опрокидывающий момент. Нагрузка на каждую из двух опор в точке А определяется из выражения , где Мв – момент, создаваемый ветровым потоком, Рд . Рв hв c Gпс RA A d Gр B l1 l2 a l Рис. 5.35.Схема нагрузки на гидроопоры при вертикальном положении стрелы Когда ветровой поток действует в боковой плоскости (рис. 5.36), одна из опор разгружается, а другая – воспринимает дополнительную нагрузку. При допущении, что весь вес поднимаемой системы воспринимают только задние опоры, наибольшая нагрузка на опору определяется следующей зависимостью: . Рв Mв Gпс Gпс hв RA2 RА1 Gр Gр lп Рис. 5.36.Схема нагрузки на гидроопоры при действии ветрового потока в боковой плоскости 430 5.3.4. Системы ориентирования и передачи веса РКН 5.3.4.1. Назначение, состав и требования к системам ориентирования и передачи веса РКН После перевода изделия из горизонтального положения в вертикальное – перед передачей веса РКН с установщика на пусковой стол – производится совмещение опор ракеты и пускового стола. Данная операция выполняется перемещением вверх и разворотом подъемной к вращающейся частей пускового стола, на котором размещены опорные узлы, если передача веса ракеты на стол производится благодаря работе механизмов пускового стола, или же перемещением самой РКН с помощью систем и механизмов, расположенных на установщике. Напомним, что система ориентирования РКН относительно опор ПС и система передачи веса РКН с силовых элементов на опоры ПС при объединении образуют систему совмещения опор. При использовании для приема ракеты механизмов пускового стола его конструкция усложняется. Сами механизмы подвергаются воздействию газовой струи двигателей в момент пуска изделия и поэтому становятся менее надежными и долговечными, чем механизмы, расположенные на установщике. Учитывая тенденцию к упрощению и удешевлению пусковых столов, вплоть до исключения из их конструкции механизма вертикализации, следует считать целесообразным размещение механизмов системы совмещения опор на установочном агрегате[особенно в том случае, когда кроме главного движения – вдоль оси изделия, движение «а» (рис. 5.37), необходимо совершать перемещения в плоскости, перпендикулярной к ее продольной оси (поперечные перемещения – движения «б» и «в», вращение относительно продольной оси РКН – движение «г»)]. Наконец, совершенно очевидна необходимость размещения этой системы на установщиках, используемых для опускания изделия на шахтное пусковое устройство. Независимо от того, где находится система совмещения опор, она не должна препятствовать снятию изделия с пускового стола в случае несостоявшегося пуска. Системы совмещения опор, обеспечивающие опускание изделия в шахту, выполняются (для главного движения) электромеханическими или гидравлическими с канатно-полиспастной системой, которая позволяет связать механизм главного движения с опускаемым изделием и создать необходимый, в данном случае большой (20 и более метров) вертикальный ход последней. 431 Механизмы поперечного перемещения изделия и в этом случае обычно выполняются гидравлическими. Требования, предъявляемые к программе изменения скорости главного движения для систем совмещения опор, в основном аналогичны таковым для систем подъема (поворота) стрелы или транспортноустановочной тележки. г а в б Рис. 5.37. Схема перемещения РКН при установке на опоры В частности, системы совмещения опор должны обеспечить: – плавные начало движений и остановки; – синхронность работы исполнительных органов в одной плоскости; – кинематическую развязку работы механизмов при перемещении РКН в пространстве, исключающие ее деформацию; – достаточно большие величины основной скорости, особенно для систем, опускающих изделие в шахту; – возможность визуального наблюдения за РКН при проведении ориентирования и непосредственного воздействия на систему управления; – малые скорости в начале и, особенно, в конце опускания, когда ракета соприкасается с опорами пускового стола. Скорости перемещения должны быть малыми для обеспечения высокой точности совмещения опорных элементов РКН относительно опор пускового стола. 432 5.3.4.2. Устройство механизмов систем ориентирования и передачи веса РКН стационарных установщиков и характеристика действующих на них нагрузок Системы ориентирования и передачи веса РКН на пусковой стол стационарных установщиков обеспечивают перемещение РКН совместно с транспортным агрегатом, на котором ракета закреплена. В отечественной космонавтике стационарные установщики используются совместно с транспортно-установочными тележками. Конструкция ТУТ, как правило, не предполагает возможности перемещения РКН для ее ориентирования относительно пускового устройства. С целью ориентирования стационарный установщик (например, для ракеты «Протон») оснащается двумя независимыми друг от друга каретками, расположенными в верхней и нижней частях стрелы. При наезде транспортного агрегата с РКН на стрелу стационарного установщика в каретках осуществляется закрепление кронштейнов тележки. При этом верхняя каретка обеспечивает только поступательное перемещение тележки, а нижняя каретка, не препятствуя работе верхней каретки, позволяет перемещать РКН от стрелы к стреле, в боковой плоскости и разворот на небольшой угол. Верхняя каретка состоит из двух направляющих штанг, рамы и гидродомкрата. При помощи гидродомкрата рама, на которой расположен крюк 6 (рис. 5.38), может перемещаться по направляющим, обеспечивая тем самым опускание транспортной тележки с закрепленной на ней ракетой-носителем. Нижняя каретка 5 служит для совмещения опор РКН с опорами пускового устройства. При вертикальном положении стрелы с тележкой и ракетой нижняя каретка является направляющей для бугелей тележки и опорой, исключающей раскачивание ракеты при действии порывов ветра. Перемещение к стреле или от стрелы достигается одновременной работой гидродомкратов 2. При этом тележка с ракетой (плоскость АББ′) поворачивается относительно крюка 6 верхней каретки (точка А), а нижняя каретка (плоскость ВДД′) осуществляет поворот относительно верхнего шарнира (точка В). 433 Рис. 5.38. Схема работы верхней и нижней кареток 434 Поворот тележки и каретки осуществляется по различным радиусам (АГ′ и ВГ соответственно), поэтому при одновременной работе гидродомкратов в одном направлении имеет место перемещение бугелей тележки в направляющих верхней рамы каретки. А при одновременной работе в противоположных направлениях будут иметь место еще более сложные перемещения. При одновременной работе гидродомкратов 2 в различных направлениях тележка с ракетой совершает сложное пространственное движение. Такой характер движения ракеты обусловлен тем, что нижняя каретка поворачивается относительно оси ВГ, проходящей через шарнир и ролик, а тележка с ракетой – относительно оси АГ. В результате оказывается, что ракета не только разворачивается вокруг вертикальной оси, но и смещается в поперечной плоскости, поэтому угловое совмещение опорных пят ракеты с опорами пускового стола возможно лишь при совместной работе гидродомкратов 1 и 2. При этом гидродомкратом 1 ликвидируется боковое смещение ракеты. В исходном положении нижняя каретка перед наездом тележки на стрелу подведена к стреле, и направляющая рама установлена в среднее положение, а верхняя каретка зафиксирована в крайнем верхнем положении гидростопором. Расчетные нагрузки для механизма верхней каретки определяются при вертикальном положении стрелы (рис. 5.39), когда на гидродомкрат механизма передается нагрузка от веса РКН, транспортного агрегата и нагрузка от ветрового момента: , , где – момент от пары сил при ее переносе, – момент от ветровой нагрузки, ; – коэффициент трения в шарнирах каретки. ; Расчетная схема нагружения захватов при действии ветровой нагрузки позволяет определить минимальные усилия прижатия захватов к корпусу РКН: , . 435 Расчетные нагрузки для механизмов нижней каретки определяются при горизонтальном положении стрелы в виде реакции от суммарного веса тележки и РКН: . Расчетная нагрузка на гидродомкрат механизма перемещения в боковой плоскости определяется по этой реакции с учетом коэффициента трения скольжения: . Рис. 5.39. Расчетная схема механизма передачи веса изделия 436 5.3.4.3. Устройство механизмов систем ориентирования и передачи веса РКН подвижных установщиков с характеристикой действующих на них нагрузок Системы ориентирования РКН подвижных установщиков включают верхний и нижний узлы крепления, на которые РКН укладывается в МИК и закрепляется. Верхний узел крепления размещается на плите, имеющей возможность перемещаться от стрелы (к стреле) и в боковой плоскости. Верхний узел крепления состоит из ложемента и двух захватов с приводами. Наибольшая нагрузка на ложемент передается в горизонтальном положении стрелы и определяется как реакция от веса РКН, а расчетная нагрузка на захваты определяется в вертикальном положении стрелы при действии ветрового потока со стороны стрелы (рис. 5.40), отрывающего РКН от стрелы. Чтобы исключить возможность потери устойчивости РКН до ее установки на опоры пускового стола, силовые исполнительные органы кроме гидроцилиндров включают в себя винтовую пару, дублирующую гидравлическую передачу в механизме разворота захватов. Передача веса РКН на опоры пускового стола может обеспечиваться работой систем совмещения опор (системой ориентирования и системой передачи веса) или работой системы вывешивания. А Вид А (увеличено) Мз Рз а Рз Мз Рз Рв b Рв Рис. 5.40. Схема нагружения захватов ветровой нагрузкой 437 Расчетная нагрузка на механизмы поперечного перемещения нижнего узла крепления определяется при горизонтальном положении стрелы и определяется как реакция в узлах крепления от веса РКН аналогично расчету стационарных установщиков. R2 R1 P1 P2 q L l l2 1 Рис. 5.41. Расчетная схема стрелы подвижного установщика Расчетная нагрузка механизма передачи веса РКН на опоры пускового стола распределяется на два гидродомкрата, в предположении синхронной их работы при опускании РКН с малой скоростью. 5.3.5. Специальное оборудование транспортно-установочных агрегатов 5.3.5.1. Назначение, состав и классификация специального оборудования Для размещения и крепления изделия на раме транспортного агрегата служат опоры, состоящие из опорного элемента и узла крепления. Если опорные элементы, как правило, воспринимают только вертикальные нагрузки от корпуса ракеты при горизонтальном положении стрелы, то узлы крепления удерживают ракету на опорах как при горизонтальном положении (например, транспортировке), так и при подъеме РКН в вертикальное положение. В отдельных случаях разграничение функций опорных элементов и узлов крепления провести трудно, так как одно и то же устройство может выполнять обе функции, однако чаще их разделение выражено совершенно отчетливо. 438 Число основных жестких опор для укладки ракеты не должно превышать двух, только в этом случае система статически определима и позволяет обеспечить определенное и желаемое распределение нагрузки от веса изделия между опорами. По характеру передачи нагрузок на корпус ракеты все опоры можно разделить на две группы: – подвесные, опорный элемент которых выполняется в виде бандажа или вообще отсутствует; – поддерживающие, опорный элемент которых бывает обычно выполнен в виде ложемента. Подвесные опоры обеспечивают большую площадь контакта опорной поверхности и корпуса изделия, а также более равномерное распределение нагрузки, действующей от опоры на корпус. Поэтому их целесообразно применять для изделий, имеющих пониженную прочность корпуса. Поддерживающие опоры, применяемые для изделий, имеющих большую прочность корпуса, нашли более широкое распространение в силу своей простоты и удобства эксплуатации. Особое место занимают ферменные опоры, закрепленные на переднем и заднем торцевых силовых шпангоутах ступени изделия. Эти опоры обеспечивают равномерное распределение как радиальных, так и осевых нагрузок на корпус изделия. По назначению опоры подразделяются на четыре группы: 1. Транспортировочные опоры обеспечивают укладку и держание ракеты только при транспортировке и применяются в специальных вагонах и на автодорожных транспортных средствах. Такие же опоры могут применяться и на других видах транспортных средств. 2. Технологические опоры предназначены для выполнения какой-либо технологической операции, не считая транспортировки (например, стыковки ступеней, хранения частично состыкованного изделия и т.п.), и применяются на транспортно-установочных, стыковочно-установочных и монтажностыковочных тележках и агрегатах. 3. Разгрузочные, или тарированные, опоры обеспечивают приложение определенного (тарированного)поддерживающего усилия к корпусу изделия в местах наибольшей деформации между основными опорами или на консолях под двигательной установкой и объектом. 4. Универсальные опоры совмещают в себе различные по назначению функции. Обычно совмещаются функции транспортировочных и технологических опор. 439 Кроме того, все опоры условно можно разделить на задние и передние, считая задними те, которые расположены ближе к двигательной установке ракеты Узлы крепления обычно устанавливаются на самих опорных элементах и лишь в отдельных случаях удаляются от них либо из соображений удобства расположения узла крепления и доступа к нему, либо из-за невозможности установки их у опорного элемента в связи с конфигурацией корпуса изделия или расположением на нем каких-либо дополнительных элементов. Совместное расположение опорных элементов и узлов крепления целесообразно в связи с тем, что корпус изделия в местах его опирания существенно усилен и поэтому менее подвержен местным деформациям, которые могут возникнуть под действием реакций от опорных элементов и узлов крепления. По принципу закрепления корпуса изделия узлы крепления могут быть: – прижимными (стяжки, ленты, ложементы); – фиксирующими (клинья, зажимы, пальцы, прижимы и т.п.). По направлению действия воспринимаемых нагрузок различают узлы: – продольного (осевого) крепления; – поперечного (горизонтального и вертикального) крепления; – комбинированные. Применение того или иного типа и конструктивной схемы узла крепления в значительной степени определяется назначением опоры. Конструктивные схемы опор целесообразно рассматривать в зависимости от их назначения, учитывая одновременно конструкцию как опорного элемента, так и узла крепления. 5.3.5.2. Опоры ступеней ракет в специальных вагонах Опоры, применяемые в специальных железнодорожных вагонах или на грунтовых транспортных тележках, выполняют только транспортировочную функцию. Общим принципом устройства задних транспортировочных опор является их неподвижность и применение на них узлов крепления, обеспечивающих фиксацию корпуса изделия во всех направлениях. Эти опоры выполняются как подвесными, так и поддерживающими. Задняя бандажная опора с клиновой фиксацией (рис. 5.42) имеет бандаж, выполненный в виде гибкой стальной ленты 4, к внутренней поверхности которой прикрепляется мягкая накладка 6 из войлока или резины, предохраняющая корпус изделия от царапин и задиров. 440 Концы ленты соединяются замком 5. К ленте приварены две цапфы 3, которые опираются на стойки 7 и крепятся к ним. ДЛЯ исключения перемещения изделия относительно бандажа имеются фиксаторы 2, которые расположены внутри цапф 3 и своими концами входят в гнезда, выполненные на силовом шпангоуте изделия. Удержание фиксаторов в гнезде осуществляется болтом 1 с контргайкой. Поскольку бандаж обладает высокой гибкостью, то достигается плотное прилегание его к корпусу изделия на опорной дуге, практически равной 180°, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки и малое как среднее, так и местное удельное давление на корпус изделия. Вместе с тем применяемый способ фиксации изделия на опоре имеет существенные недостатки. Во-первых, определенные трудности вызывает введение фиксатора в гнездо корпуса, так как эта операция выполняется, по сути, вслепую. Во-вторых, при неточном изготовлении и монтаже бандажа и при его деформации ВО время движения значительная часть нагрузки от веса изделия может передаваться не на бандаж, а на фиксаторы, сводя на нет преимущества бандажной опоры. Рис. 5.42. Задняя бандажная опора с клиновой фиксацией 441 В случае применения задних ферменных опор (рис. 5.43) силовое кольцо хвостового отсека (торцевой шпангоут) ракеты крепится к опорной ферме 1, благодаря чему нагрузка равномерно распределяется по всему силовому кольцу, обеспечивая благоприятные условия нагружения корпуса. В свою очередь, ферма опирается на тележки 7, с которыми она соединена пальцами в шарнире 8. Фиксация изделия относительно рамы осуществляется следующим образом. Поперечные перемещения в горизонтальном направлении исключаются за счет ребер катков тележек, а в вертикальном направлении − прижимными планками 9с подкосами 10. Продольная фиксация обеспечивается жесткой стяжкой 2, работающей как на сжатие, так и на растяжение, и соединенной с траверсой 3 фермы 1вилкой 4, а также упором 6, имеющим фиксирующий винт5. Вид А (схема продольной фиксации) 1 А 3 4 5 6 2 8 2 7 10 9 Рис. 5.43. Задняя ферменная опора Задние поддерживающие опоры более распространены и применяются в настоящее время для крепления практически всех существующих и проектируемых изделий и их ступеней. Опорным элементом такой опоры является ложемент 3 (рис. 5.44), поверхность контакта которого соответствует профилю части корпуса изделия, прилегающей к нему. 442 Для предохранения корпуса от царапин и вмятин и более равномерного его прилегания к ложементу на контактную поверхность последнего прикрепляется эластичная прокладка, изготовляемая обычно из резины. Угол охвата ложемента, как правило, не превышает 120°. Ложемент устанавливается либо на выдвижной раме вагона, либо непосредственно на его полу. При использовании бескрановой перегрузки он может крепиться к ложементной тележке. Фиксация корпуса изделия относительно задней опоры чаще всего осуществляется стяжками, воспринимающими как продольные, так и поперечные нагрузки, преимущество этого способа фиксации в простоте и достаточной надежности. Кроме того, стяжки, обеспечивающие поперечную фиксацию и прижимающие корпус с определенным усилием к ложементу, уменьшают потребное усилие для продольной фиксации за счет появления дополнительной силы трения, возникающей между корпусом и ложементом. Однако усилие от стяжек создает добавочные нагрузки на корпус изделия. Расположение стяжек может быть различным. Так, для одновременного обеспечения поперечной и продольной фиксации стяжки 5 (рис. 5.44, б) устанавливаются под углом. При этом верхние концы стяжек крепятся к специальному кожуху 1, который своим отверстием одевается на рым-болт изделия, а нижние концы – к кронштейнам на выдвижной раме вагона. Точное совмещение одного пояса изделия с поверхностью ложемента достигается применением специальных ловителей в виде стоек с вилками 2, в пазы которых входят рым-болты изделия при укладке ступени. Для надежной фиксации изделия стяжкам должен быть придан определенный натяг. Однако, поскольку усилие натяга создается вращением гайкивтулки вручную, оно не должно превзойти допустимые значения и вызвать деформацию корпуса. Для устранения этого недостатка применяют пружинные стяжки 7 (рис. 5.44, а), обеспечивающие создание тарированного усилия при вращении гайки 4, которое контролируется по специальному указателю 6. При вертикальном положении стяжек обеспечивается только поперечная фиксация изделия. Продольная фиксация может осуществляться либо штифтом, входящим в корпус изделия и одновременно гарантирующим точное совпадение опорных поверхностей, либо дополнительной продольной стяжкой. 443 а) 4 7 6 б) 1 2 5 3 Рис. 5.44. Задняя фиксирующая опора со стяжками С целью уменьшения сосредоточенных нагрузок на корпус изделия, передаваемых через рым-болты, вместо стяжек могут быть применены зажимы, не создающие дополнительных усилий прижатия изделия к ложементу. Зажимы размещаются на специальных стойках 6 (рис. 5.45) и состоят из серьги 3 и болта 1 с прижимом 2, который накладывается на рым-болт. Серьга может отбрасываться, поворачиваясь на оси 5. Болты 4 позволяют перемещать серьгу 3 в продольном направлении для совмещения прорези в ней с рым-болтом. 1 2 3 4 6 5 Рис. 5.45. Задняя фиксирующая опора со стойкой 444 Передняя подвижная опора состоит из ложемента 6 (рис. 5.46), который балкой 3 и подкосом 2 соединяется со скалками 1. Скалки вместе с ложементом могут перемещаться в подшипниках 4, обеспечивая свободу продольных термических расширений корпуса изделия и рамы транспортного средства. В качестве узлов крепления в этом случае, как правило, применяются вертикальные стяжки 5. 1 2 4 3 6 5 Рис. 5.46. Передние транспортировочные опоры (подвижная ложементная опора) При использовании ферменных передних опор ферма своей цапфой 1 (рис. 5.47) вставляется в головку стойки 4 и прижимается крышкой 3. 3 1 4 2 б а Рис. 5.47. Передние транспортировочные опоры (ферменная шарнирная опора) Свобода термических расширений изделия обеспечивается за счет наклона стойки 4 благодаря наличию прорези в подкосе 2. 445 5.3.5.3. Опоры РКН на транспортно-установочных агрегатах (тележках) Опоры РКН на транспортно-установочных агрегатах подразделяются на передние и задние, основные и дополнительные. В качестве основных опор этих тележек применяются универсальные опоры. Задние опоры транспортно-установочных агрегатов (тележек), являясь универсальными, обеспечивают опирание и фиксацию полностью состыкованной ракеты как при транспортировке ее на стартовую позицию, так и в процессе установки на пусковой стол. В качестве опорной части они имеют ложементы, конструктивно схожие с ложементами специальных вагонов. Фиксация ракеты при транспортировке и подъеме в вертикальное положение осуществляется с помощью опорных устройств. В качестве узлов крепления в этом случае нецелесообразно использовать обычные пружинные стяжки (см. рис. 5.44, а), так как они работают только на растяжение, а при переводе изделия в вертикальное положение нагрузка на стяжки перераспределяется, и под растягивающей нагрузкой остаются лишь верхние стяжки (рис. 5.48), а нижние – разгружаются. Для обеспечения этого в проушинах нижней стяжки, между пальцем или рым-болтом с одной стороны и стенкой проушины – с другой, имеются зазоры δ (рис. 5.48, б). А А δ В В РС РА С G С Р2 δ В α а) б) в) Рис. 5.48. Схема работы верхней и нижней стяжек 446 G В силу этого при подъеме изделия в вертикальное положение вся нагрузка от ее веса передается только на верхние стяжки 1 (рис. 5.48, в), по-прежнему работающие на растяжение, а стяжки 2, которые должны работать на сжатие, из-за наличия зазора δ нагрузку воспринимать не будут. В результате на ракету будет действовать дополнительная сила Р = G∙tgα, прижимающая корпус ракеты к ложементу, которая уже при угле наклона стяжки α = 450 становится равной весу ракеты, значительно превосходя расчетное значение. Поэтому для транспортно-установочных агрегатов (тележек) вместо стоек со стяжками применяются фиксирующие узлы крепления, сводящие прижимающие усилия к минимуму. Один из таких узлов крепления показан на рис. 5.49. Конструктивно он выполнен в виде стойки 2, которая шарниром 1 соединяется с рамой тележки, а захватом 3 и стопором 4 – с рым-болтом изделия. Для ограничения растягивающих сил, возникающих в стойке при ее повороте и определяющих силу прижатия корпуса к ложементу 9, имеется компенсационное устройство, состоящее из корпуса 5 и пружины 6, установленной с натягом между корпусом и буртом винта 7. При отклонении стойки от вертикального положения в результате продольных перемещений изделия или деформации рамы необходимое увеличение расстояния между продольным шарниром и рым-болтом обеспечивается за счет сжатия пружины 5. В результате растягивающая сила в стойке, а следовательно, усилие прижатия корпуса ракеты к ложементу не превышают силу упругости и могут быть заданы при проектировании. Вес ракеты в вертикальном положении воспринимается стойками, работающими на изгиб, и тягами 8. Такое положение гнезда захвата и удержание стойки в вертикальном положении обеспечивается двумя винтовыми механизмами, установленными в тягах 8 и 10, а также винтовым механизмом 7 вертикального перемещения захвата. Тяга 8 при подъеме тележки работает аналогично наклонной стяжке, в силу чего на стойку на участке от точки закрепления тяги до карданного шарнира действуют большие сжимающие усилия, что необходимо учитывать при расчете стойки, а также при выборе угла установки тяги 8. Для разгрузки тяги 8 от сжимающих усилий, возникающих при поддомкрачивании изделия в процессе передачи его веса на пусковой стол, тяге 8 перед подъемом транспортно-установочной тележки придается телескопичностъ путем выворачивания штурвала. В связи с этим тяга 8, уменьшаясь в длине, не препятствует повороту стойки 2 в пределах зазора а, образовавшегося между стержнями тяги. 447 3 4 5 6 2 2 7 8 9 10 1 Рис. 5.49. Универсальная задняя опора Перемещение изделия вверх приводит к увеличению усилия на рымболты, но величина его определяется жесткостью пружины 6 и степенью ее дополнительной деформации, поэтому может быть заранее ограниченной по величине. Фиксацию ракеты пакетной схемы более удобно осуществлять в одной точке (на мощном силовом шпангоуте). Опора такого типа состоит из среднего ложемента 4(рис. 5.50) малых размеров, выполненного в виде опорной площадки, на которой лежит отсек среднего блока первой ступени, и двух ложементов 1 и 6, поддерживающих боковые блоки. Ложементы 1 и 6 подводятся до упора в боковые блоки с помощью винтовых домкратов 10 и 11 уже после укладки ракеты на ложемент 4. Фиксация ракеты при транспортировке производится штырем 2, входящим в гнездо хвостового отсека, а при подъеме − крюком 3, в который упирается ось 8 кронштейна изделия. Поворот крюка 8 на оси 5, необходимый для освобождения изделия после его установки на пусковой стол, осуществляется с помощью электро-винтового домкрата 7, а перемещение штыря, устанавливаемого перед подъемом, – винтовым механизмом 9. 448 2 3 4 5 6 7 8 3 2 1 9 11 10 Рис. 5.50. Задняя фиксирующая опора Осевые нагрузки от ракеты при подъеме могут восприниматься также специальным опорным устройством в виде кольца 1 (рис. 5.51), в тарели которого упирается своими пятами изделие. 1 2 3 4 Рис. 5.51. Задняя опора Преимуществом такого способа передачи продольных нагрузок от веса изделия на раму тележки является отсутствие точек приложения сосредоточенных сил к корпусу изделия и обеспечение равномерной передачи его веса через опорные пяты. Однако опорное кольцо подвергается воздействию газовой струи при пуске изделия, так как последнее опирается на него вплоть до схода с пускового стола. Передние опоры транспортно-установочных агрегатов (тележек) также чаще выполняются универсальными и обеспечивают удержание от поперечных перемещений верхней части ракеты и быстрое освобождение ее от фиксации после установки в вертикальное положение. 449 Конструктивно такая опора выполняется в виде ложемента 4 (рис. 5.52), на который ракета опирается при транспортировке, и двух клещевых захватов 2 с колодками 3, обеспечивающих ее поперечную фиксацию. Прижатие и отведение колодок захватов производится механическим, электрическим, гидравлическим или пневматическим приводом 1. 1 2 3 3 4 Рис. 5.52. Передняя опора Если фиксация осуществляется вертикальными стяжками, то с целью уменьшения прижимающих нагрузок следует применять пружинные стяжки. Однако для снятия стяжек, находящихся на значительной высоте, требуется использование специального агрегата обслуживания, что является существенным недостатком этого способа крепления. Таким образом, тенденцией развития опор транспортно-установочных агрегатов (тележек) можно считать их конструктивное упрощение и осуществление дистанционного выключения узлов фиксации, что обеспечивает автоматизацию процесса установки, а, следовательно, уменьшение времени подготовки ракеты к пуску. 5.3.5.4. Дополнительные опоры Кроме двух основных опор, транспортно-установочные агрегаты обычно имеют одну-две дополнительных. Это объясняется тем, что ракета, как правило, укладывается на транспортно-установочный агрегат уже в собранном виде (состыкованы ступени и космический объект), и поэтому расстояние между основными опорами и свесы РКН становятся настолько большими, что могут вызвать недопустимые прогибы и деформацию ее корпуса. 450 Для исключения этих деформаций при длительном хранении и транспортировке ракеты в местах наибольших прогибов устанавливаются дополнительные разгрузочные опоры (рис. 5.53 и 5.54). Вместе с тем, для исключения статической неопределенности при расчетах реакций от опор и возникновения ножевых нагрузок на изделие при эксплуатации разгрузочные опоры должны создавать определенное (тарированное) поддерживающее усилие и, в то же время, перемещаться вместе с корпусом изделия, в направлении его прогиба. По способу создания усилия различают рычажные и пружинные разгрузочные опоры. 1 Т Т 2 6 3 5 φ 90º а) 4 б) Рис. 5.53. Пружинная дополнительная разгрузочная опора В первом случае определенное поддерживающее усилие со стороны ложемента 3 (рис. 5.54, а) на корпус 4 ракеты создается с помощью рычажной системы 2 и консольно закрепленного груза 1, во втором (рис. 5.53, б) – с помощью пружины 3, поджатие ложемента 2 к изделию 1 которой и, следовательно, создание поддерживающего усилия производится винтом 4, а контролируется указателем 6, перемещающемся вдоль шкалы 5. Опоры с противовесом создают усилие, зависимое от положения изделия и ложемента в пространстве (рис. 5.53, а), а в пружинных опорах усилие остается стабильным на всем этапе подъема агрегата и если изменяется, то лишь изза возникновения остаточных деформаций в процессе эксплуатации. 451 Для устранения нежелательного воздействия дополнительной опоры на ракету при ее установке на пусковой стол пружинную опору предварительно отключают. При использовании рычажной опоры необходимость этой процедуры отпадает, так как рычажная опора обеспечивает не только уменьшение поддерживающего усилия Т (рис. 5.53, а) по мере подъема ракеты, и даже отведение ложемента от ракеты (рис. 5.54, б) при ее вертикальном положении, что и требуется по условиям нагружения ее корпуса. 4 Т 3 α 2 1 Gгр а) Gгр б) Рис. 5.54. Рычажная дополнительные разгрузочная опора Это достигается уменьшением плеча действия силы веса груза Grp относительно оси поворота рычага по мере подъема стрелы агрегата (тележки), а также наклоном рычага в начальном положения на угол α (рис. 5.54, а). Однако в отличие от пружинной опоры, имеющей небольшие габариты и массу, рычажная опора имеет большие габариты и значительную массу, а кроме того, при транспортировке консольно закрепленный груз совершает колебания, которые передаются на ракету, поэтому скорость движения при транспортировке должна быть минимально возможной. Отметим, что усилия, развиваемые дополнительной опорой, не превышают 5…7% от веса ракеты. 452 Контрольные вопросы к главе 5 1. Для чего предназначено транспортно-установочное оборудование? 2. Назовите агрегаты, которые могут входить в состав транспортноустановочного оборудования. 3. Назовите основные операции установки РКН на ПУ. Какие требования предъявляются к процессу установки? 4. Назовите состав основных элементов транспортно-установочного агрегата. 5. Как классифицируются агрегаты транспортно-установочного оборудования? 6. Опишите преимущества и недостатки перевода изделия РКТ из горизонтального положения в вертикальное такими способами, как «вывешивание» и «опрокидывание». 7. Объясните принцип работы стационарного установщика, назовите его основные элементы. 8. Объясните принцип работы транспортно-установочного агрегата (лафетного установщика), назовите его основные элементы. 9. Назовите основные виды и особенности нагрузок, действующих на транспортно-установочное оборудование. 10. Какие требования предъявляются к системам подъема стрелы лафетных установщиков? 11. Для чего предназначены системы уравновешивания РКН? 12. Как классифицируются системы уравновешивания РКН? 13. Объясните принцип действия гидравлических систем уравновешивания. 14. Для чего предназначены системы вывешивания? 15. Как классифицируются системы вывешивания? 16. Как обеспечивается ориентирование РКН относительно опор пускового стола? и передача веса РКН 17. Как обеспечивается передача веса РКН на опоры пускового стола? 18. Какое оборудование обеспечивает фиксацию ракеты при ее транспортировании на стартовый комплекс и установке на пусковое устройство? 453 6. МЕХАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 6.1. Общие сведения о механотехнологическом оборудовании Механотехнологическое оборудование (МТО) – составная часть технологического оборудования технического комплекса, предназначенная для проведения механических работ при выполнении операций приема, проверки, сборки, испытаний, стыковки, технического обслуживания и хранения, транспортирования РН, КА, РБ или РКН в сборе на техническом комплексе. На техническом комплексе РКК (КРК) с ракетой-носителем, космическим аппаратов, разгонным блоком необходимо выполнить широкий спектр и значительный объем работ по подготовке к пуску. Сложность и трудоемкость механических операций технологического процесса во многом определяет временные нормативы подготовки РКН или ее составных частей к вывозу на стартовый комплекс. Механотехнологическое оборудование технического комплекса в общем случае включает [9] следующие виды оборудования (технического комплекса) (рис. 6.1): подъемно-перегрузочное, монтажно-стыковочное, стендовое, транспортное, эксплуатационное, вспомогательное, средства обслуживания. Механотехнологическое оборудование Подъемноперегрузочное оборудование Монтажностыковочное оборудование Средства обслуживания ТК Стендовое оборудование Эксплуатационное оборудование Транспортное оборудование Вспомогательное оборудование Рис. 6.1. Виды механотехнологического оборудования 454 Подъемно-перегрузочное оборудование предназначено для захвата, подъема и перемещения КА, РБ, КГЧ, РН, РКН, их составных частей, другого технологического оборудования технического комплекса. В составе подъемно-перегрузочного оборудования выделяют две группы оборудования: грузоподъемные машины и механизмы; грузозахватные средства. Более подробно ППО рассмотрено в п. 6.2. Монтажно-стыковочное оборудование (МСО) предназначено для монтажа, кантования и стыковки КА, РН, РБ, КГЧ и РКН в целом. Монтажно-стыковочное оборудование состоит из агрегатов и устройств, обеспечивающих процессы сборки (стыковки) элементов РКН, а также размещение РКН и ее составных частей в рабочих зонах при их функциональных проверках. При сборке РКН или ее составных частей МСО придает стыкуемым элементам подвижность и обеспечивает требуемую пространственную ориентацию. Основными элементами МСО являются: монтажно-стыковочные тележки, на которых размещаются ступени ракет при стыковке; кантователи, предназначенные для кинематически определенного изменения положения оси КА или КГЧ (например, проверки космического аппарата, как правило, выполняются при вертикальном положении оси КА, стыковка КА с РН осуществляется при горизонтальном положении); стапели, используемые для сборки ракет с многоблочными ступенями. Более подробно МСО рассмотрено в п. 6.3. Стендовое оборудование предназначено для размещения КА, РБ во время проведения контрольно-измерительных, автономных и комплексных испытаний с участием контрольно-проверочной аппаратуры, а также агрегатной и полной сборки КА (РБ, КГЧ), проверки ее качества и определения массовых и геометрических параметров собранных изделий. Основными элементами стендового оборудования являются: монтажно-стыковочные стенды; стенды для проведения испытаний различного вида; сборочные стапели Более подробно стендовое оборудование рассмотрено в п. 6.4. 455 Транспортное оборудование предназначено для доставки специальных грузов (ступеней ракет, ракет-носителей, космических головных частей и их блоков, компонентов ракетного топлива, ЗИП) с заводов-изготовителей и арсеналов на места эксплуатации, перемещения указанных грузов в пределах территории эксплуатирующей организации, а также для придания подвижности другому технологическому оборудованию, используемому в РКК. Кроме того, транспортное оборудование может использоваться для поиска и доставки возвращаемых ступеней изделий с мест приземления к местам их подготовки для повторного пуска. В составе транспортного оборудования можно выделить следующие группы: транспортные средства для транспортировки грузов на космодром; транспортные средства для транспортировки грузов между объектами РКК; транспортные средства для придания подвижности другому технологическому оборудованию; транспортные средства, размещаемые и используемые непосредственно в сооружениях технического комплекса: ангарные и ангаро-складские тележки, автокары Более подробно транспортное оборудование рассмотрено в разделе 4. Средства обслуживания ТК предназначены для обеспечения доступа обслуживающего персонала к зонам обслуживания РН, КА, РБ и РКН в целом при выполнении работ по их подготовке к пуску на техническом комплексе. В состав средств обслуживания ТК может входить следующее оборудование [17]: стапель обслуживания – совокупность устройств, предназначенных для размещения людей с грузом (инструменты, приспособления и др.) и обеспечивающих их доступ к зонам обслуживания КА (КГЧ, РБ, РН, РКН) при проведении работ, как правило, в горизонтальном положении объектов; ферма обслуживания – совокупность устройств, обеспечивающих удобный доступ людей к зонам обслуживания, размещение грузов и прокладку коммуникаций, дополнительное освещение рабочих мест при проведении работ, как правило, в вертикальном положении объектов; 456 площадка обслуживания – устройство с ограждением, предназначенное для размещения людей и грузов и применяемые (как самостоятельно, так и в составе других средств обслуживания) при выполнении технологических операций с КА (КГЧ, РБ, РН, РКН); подъемник обслуживания – устройство на колесном ходу с установочными домкратами и перемещаемой по высоте площадкой обслуживания, применяемое при выполнении технологических операций с КА (КГЧ, РБ, РН, РКН); стремянка – устройство без ограждения, переносимое или перекатываемое вручную и предназначенное для размещения на нем людей при выполнении технологических операций с КА (КГЧ, РБ, РН, РКН). Эксплуатационное оборудование предназначено для обеспечения взаимодействия КА (КГЧ, РБ, РН, РКН) с другим технологическим оборудованием технического комплекса при выполнении работ по установке, транспортированию, подъему и перемещению, кантованию, сборке и испытаниям. В состав эксплуатационного оборудования могут входить[17]: технологические кольца – устройства кольцевой формы, крепящиеся на КА (РБ, КГЧ, РН) или их составных частях, обеспечивающие поддержание формы элементов РКН и равномерность передачи усилий при их взаимодействии с механотехнологическим оборудованием; технологические фермы – устройства, имеющие стержневую конструкцию и крепящиеся на КА (РБ, КГЧ, РН) или их составных частях, обеспечивающие поддержание формы элементов РКН и равномерность передачи усилий при их взаимодействии с механотехнологическим оборудованием; проставки технологические – устройства, обеспечивающие возможность изменения установочных размеров КА (РБ, КГЧ, РН), их составных частей или технологического оборудования, необходимые для выполнения технологических операций; транспортно-технологические кольца – устройства кольцевой формы, крепящиеся на КА (РБ, КГЧ, РН) или их составных частях, используемые как опоры при их транспортировке, а также обеспечивающие поддержание формы элементов РКН и равномерность передачи усилий при взаимодействии с механотехнологическим оборудованием; транспортно-технологические фермы – устройства, имеющие стержневую конструкцию и крепящиеся на КА (РБ, КГЧ, РН) или их составных частях, используемые как опоры при их транспортировке, а также обеспечивающие поддержание формы элементов РКН и равномерность передачи усилий при взаимодействии с механотехнологическим оборудованием; 457 бандажи – устройства, обычно крепящиеся непосредственно на корпусе КА (РБ, КГЧ, РН) или их составных частей, предназначенные для увеличения жесткости и обеспечения взаимодействия с механотехнологическим оборудованием; корсеты – пространственные конструкции, оборудованные такелажными узлами для подъема и раскрепления в транспортных средствах, обеспечивающие сохранность КА (РБ, КГЧ, РН) или их составных частей в процессе транспортирования; детали переходников; дополнительные такелажные узлы. Вспомогательное оборудование предназначено для технического обслуживания технологического оборудования технического комплекса, а также для проведения сопутствующих операций в ходе технологического цикла подготовки КА (РБ, КГЧ, РН) или их составных частей, РКН в целом. В его состав входят следующее оборудование: технологические подставки и столы для агрегатов и узлов КА, РБ, РН; стеллажи и стеллажи-подставки; кабель-мачты; ограждающие щиты; инструменты; контрольно-измерительные приборы. Общее представление о возможном составе механотехнологического оборудования технического комплекса показано на рис. 6.2. Конкретный состав механотехнологического оборудования для различных РКК может отличаться из-за специфики конструкции РКН и ее составных элементов, особенностей реализации технологического процесса. Для выполнения работ с КА, РБ, РН различных классов МТО делят на комплекты, состав агрегатов в которых определен в эксплуатационнотехнической документации. Часть оборудования может включаться в несколько комплектов. 458 Механотехнологическое оборудование Подъемноперегрузочное оборудование Грузоподъемные машины и механизмы Краны Монтажностыковочное оборудование Стендовое оборудование Монтажностыковочная тележка Монтажностыковочный стенд Кантователь Стенд автономных испытаний Подъемники Тали, тельферы Грузозахватные средства Траверсы Стапель Технологическая тележка Опора Комплект стропов Ложемент Подвески Опора роликовая Комплект канатов Комплект чалок Стенд комплексных испытаний Система обезвешивания Технологический стенд Стенд взвешивания Стенд грузовых испытаний МТО Транспортное оборудование Транспортные средства для транспортировки грузов на космодром Транспортные средства для транспортировки грузов между объектами РКК Транспортные средства для придания подвижности ТО Ангарная (ангароскладская) тележка Средства обслуживания ТК Эксплуатационное оборудование Вспомогательное оборудование Стапель обслуживания Технологическое кольцо Технологическая подставка Технологическая ферма Стеллаж Проставка технологическая Стеллажподставка Транспортнотехнологическое кольцо Стол-подставка Ферма обслуживания Площадка обслуживания Подъемник обслуживания Транспортнотехнологическая ферма Стремянка Бандаж Корсет Автокар Детали переходников Сборочный стапель Такелажные узлы Такелажные приспособления Рис. 6.2. Состав механотехнологического оборудования 459 Кабель-мачта Щит ограждения Инструмент Например, комплекты для подготовки на ТК ракеты-носителей семейства «Ангара» и легкого, и тяжелого классов включают одинаковые базовые тележки монтажно-стыковочного оборудования. Но если сборка РН «Ангара» легкого класса осуществляется с помощью монтажно-стыковочных тележек, то для сборки РН «Ангара» тяжелого класса требуется специальный стапель. Деление на комплекты также связано с использованием оборудования для подготовки составных элементов РКН в отдельных сооружениях на технических комплексах РН или КА. Заметим, что большое количество разнообразных технологических операций накладывает на ТО РКК и элементы РКН ряд общих требований, зафиксированных в общих технических требованиях к космическим средствам, направленных на снижение ресурсоемкости (стоимости, времени, количества обслуживающего персонала) и повышение качества процессов подготовки РКН. Среди них можно выделить следующие требования к ТО РКК: элементы РКН (КА, РБ, РН) должны поступать на ТК в максимально собранном, снаряженном и готовом к стыковке виде, если это позволяют условия их транспортировки; монтажно-стыковочные работы должны проводится лишь с целью сборки РКН, а также для снятия и установки комплектующих элементов при их замене в случае неисправностей; комплекты МТО должны быть максимально унифицированы под широкую номенклатуру КА, РБ, КГЧ, РН; выполняемые на МТО работы должны выполняться с минимумом трудозатрат, отвечать удобству доступа к местам их проведения на КА и РН; для узлов и агрегатов, вес которых составляет 200–500H, должны быть предусмотрены такелажные устройства, а для тех из них, вес которых более 500 H, такелажные узлы для их подъема специальными устройствами. Это требование направлено на обеспечение безопасности работ и на сохранность элементов РКН и агрегатов ТО; при проведении работ на высоте более 1 м от нулевой опорной поверхности, рабочие места оборудуются лестницами, перилами и площадками; для комплектов монтажного механического оборудования должен быть предусмотрен объединенный (общий) комплект испытательных грузов и средств, необходимых для технического освидетельствования. 460 6.2. Подъемно-перегрузочное оборудование 6.2.1. Назначение и состав подъемно-перегрузочного оборудования Подъемно-перегрузочное оборудование (ППО) предназначено для захвата, подъема и перемещения КА, РБ, КГЧ, РН, РКН, их составных частей. ППО также используется для подъема и перемещения другого технологического оборудования технического комплекса, для разборки вагонов, транспортных ферм, рам, для расчехления (снятия гермоукупорки со ступеней РН, КА), для сборки агрегатов [9]. В состав подъемно-перегрузочного оборудования входят: грузоподъемные машины и механизмы; грузозахватные средства. Грузоподъемные машины(ГПМ) – технические устройства цикличного действия для подъема и перемещения грузов на небольшие расстояния в пределах определенной площадки (сооружения). Классификация грузоподъемных машин может проводиться по нескольким признакам, в том числе: А) по типу простейшие ГПМ; подъемники; лифты; краны. Б) по степени подвижности стационарные; полустационарные (могут быть перемещены, но не имеют собственного механизма передвижения); подвижные. В) по типу привода с тепловым приводом (двигателем внутреннего сгорания); с электрическим приводом; с гидравлическим приводом; с пневматическим приводом; с ручным двигателем с комбинированным приводом. Г) по типу конструкции. Д) по грузоподъемности. 461 Классификация по типу конструкции и грузоподъемности может отличаться для разных типов ГПМ. В состав грузозахватных средств входят: траверсы (горизонтальные балки с устройствами для навешивания на крюк ГПМ и подвешивания к ним других балок и грузозахватных средств); комплект стропов (устройств, имеющих приспособления для непосредственного подсоединения крюка ГПМ к грузу); подвески (устройства, навешиваемые на крюк ГПМ или на траверсу и несущие направленную или полную нагрузку от груза); комплект канатов (устройств, присоединяемых к траверсам, для захвата, подъема и перемещения груза при помощи комплекта переходников); комплект переходников (набор деталей, обеспечивающих соединение канатов, траверс, чалок и грузов между собой); комплект чалок (набор канатов (стропов) с карабинами, закрепляемых на грузозахватных средствах и позволяющих вручную обеспечить безопасность положения груза при подъеме и перемещении); такелажные приспособления (устройства (кольца, захваты, ложементы и т.п.), крепящиеся на грузе и обеспечивающие сохранность груза при подъеме и перемещении). К простейшим ГПМ относятся: блоки, лебедки, домкраты, полиспасты. Полиспаст – блочно-канатная система для изменения силы и скорости передвижения каната. Полиспасты по типу действия: прямого действия (обеспечивают выигрыш в силе (массе груза)); обратного действия (обеспечивают выигрыш в высоте (скорости) перемещения). Полиспасты по типу кратности: обычные (кратность полиспаста mп равна числу ветвей nп каната); степенные (кратность полиспаста mп определяется как mп = 2nп). Блоки и полиспасты редко отдельно используются на технических комплексах и, как правило, входят в состав более сложных грузоподъемных машин. Домкрат – переставной механизм для подъема (перемещения) конструкции на небольшое расстояние. Одно из основных отличий домкратов от других ГПМ состоит в том, что подъем груза домкратами производится без грузозахватных средств. 462 Домкраты по типу привода и конструкции: механические (зубчато-реечные, винтовые); гидравлические; пневматические. Домкраты по количеству ступеней: одноступенчатые; двух- и многоступенчатые (телескопические). Лебедка – грузоподъемный механизм, тяговое усилие которого от приводного барабана передается посредством гибкого элемента (каната, цепи).Разновидности лебедки – таль и тельфер. Таль – грузоподъемный механизм, смонтированный в одном корпусе с приводом – подвесное грузоподъемное устройство с ручным или механическим приводом (обычно электрическим), состоящее из подвижного и неподвижного блоков и основанного в их шкивах троса (лопаря) или металлической цепи. Тельфер – это таль, имеющая собственный механизм для перемещения по рельсовому пути. Подъемники и лифты, являющиеся грузоподъемными машинами, в составе технологического оборудования ТК относят, как правило, к средствам обслуживания. Краны – грузоподъемные машины, предназначенные для подъема, перемещения на ограниченное расстояние и опускания груза с помощью грузозахватных средств. Классификация кранов Классификация кранов, используемых в различных отраслях деятельности, достаточно обширна. Кроме приведенной выше классификации, общей для всех ГПМ, краны могут классифицироваться[7, 9]: по конструктивному исполнению (мостовые и стреловые); по особенностям конструктивного исполнения (козловые, полукозловые, портальные, полупортальные, башенные, мачтовые, консольные, краныштабелеры); по конструкции грузозахватного устройства (крюковые, грейферные, магнитные, клещевые, траверсные); по конструкции ходового устройства (рельсовые, пневмоколесные, гусеничные, плавучие, шагающие, канатные); по степени поворота (полноповоротные, неполноповоротные, неповоротные); по способу опирания на крановый путь (опорные, подвесные). 463 В качестве примера приведем классификацию мостовых и стреловых кранов по особенностям конструкции и способу опирания на путь: 1. Мостовые краны: опорные; подвесные; козловые; полукозловые; кран-штабелер. 2. Стреловые краны: портальные; полупортальные; стреловые (обычные); башенные; мачтовые; консольные. 6.2.2. Особенности эксплуатации подъемно-перегрузочного оборудования Задачи, которые совместно с другими видами ТО РКК выполняет ППО по подготовке к пуску РКН и поддержанию всего комплекса в работоспособном состоянии, можно разделить на три группы: 1. Технологические задачи (операции), связанные непосредственно с подготовкой РКН. В основном это операции с элементами РКН (КА, ступенями РН, РБ), с технологическим оборудованием комплекса (например, с МСО, стендовым оборудованием, эксплуатационным оборудованием). 2. Регламентные и ремонтно-восстановительные работы, как плановые, направленные на поддержание работоспособности технологического и технического оборудования (в том числе и ППО) и связанные с осмотром, диагностикой и техническим освидетельствованием, так и внеплановые, объем и содержание которых зависит от степени последствий, вызванных эксплуатационными (в том числе аварийными) нагрузками. 3. Монтажно-строительные и вспомогательные работы, направленные на проведение доработок, модернизацию постоянно совершенствующегося технологического оборудования. Выполнение этих задач обуславливает наличие (применение) грузоподъемных машин и грузозахватных приспособлений, как общего, так и специального назначения. Поэтому часть задач (в первую очередь технологические задачи и, частично, задачи второй группы) решается с использованием подъемно-перегрузочного оборудования, входящего в состав МТО ТК или в состав оборудования стартового и посадочных комплексов. 464 Специализация ППО РКК обусловлена в первую очередь специфическими характеристиками поднимаемых грузов – элементов РКН (КА, РН, РБ). Адаптация оборудования к погрузочно-разгрузочным работам с такими элементами достигается за счет введения в состав технологического оборудования специальных грузозахватных приспособлений и использования специальных кранов, конструкция которых обеспечивает им работу, например, с малыми значениями скоростей подъема (опускания) груза, передвижения крана и крановой тележки. На кранах РКК устанавливаются следующие специальные системы: ограничители грузоподъемности, системы синхронизации движения двух кранов, работающих в паре с одним грузом, системы измерения напряжений в элементах конструкции. В случае необходимости количество систем может быть увеличено. Козловые краны на посадочных комплексах могут быть вообще уникальными (как, например, на комплексе «Энергия – Буран»). Часть задач второй группы (регламентных и ремонтновосстановительных работ) и задачи третьей группы могут решаться с привлечением ППО общего назначения, не входящего в состав технологического оборудования РКК. На стартовом комплексе элементы подъемно-перегрузочного оборудования могут входить в состав других агрегатов. Например, агрегаты обслуживания оснащаются стреловыми кранами или имеют механизмы подъема груза, по сути являющиеся мостовыми кранами. Кроме того, лифты также входят в состав агрегатов обслуживания, хотя их эксплуатация осуществляется с учетом требований отдельной нормативно-технической документации. Особые требования к конструкции и эксплуатации подъемно-перегрузочного оборудования РКК связаны с тем, что КА, РН и РБ в отдельности, РКН в целом отличают следующие особенности: высокая стоимость, не допускающая каких-либо повреждений при выполнении погрузочно-разгрузочных работ (даже нарушения лакокрасочных покрытий); значительные габариты при низкой жесткости конструкции, способствующие появлению остаточных деформаций от собственного веса, даже в статическом положении; 465 ограничения по направлению действия сил со стороны грузозахватных средств; ограничения по допустимым перегрузкам, особенно в поперечном направлении ( n 1,15 2 ), которые должны быть учтены в динамике подъемноперегрузочных работ при горизонтальном расположении РН (РКН); ограничения по точности пространственной ориентации перемещаемого груза, отсутствию раскачивания и крутильных колебаний, что может стать причиной повреждений от ударов как при движении груза, так и при его укладке на технологическое оборудование или при выполнении стыковки. Данные особенности учитываются при разработке и создании специальных грузозахватных устройств, являющихся промежуточным звеном между РКН и крановыми машинами. К специальным грузозахватным устройствам ППО РКК относятся [9]: траверсы, обеспечивающие равномерное распределение весовой нагрузки между стропами и исключающие нагружение груза сжимающими усилиями; захваты и упоры, обеспечивающие связь между краном и поднимаемым грузом без использования строп, сохраняя при этом пространственную ориентацию груза и не требующие дополнительных изменений в конструкции груза при его сочленении с краном; демпферы, придающие плавность началу подъема груза, а также участвующие в создании состояния обезвешивания для поднимаемого груза в процессе его отстыковки; стропы, концы которых заделаны на петли, исключающие передачу на поднимаемый груз крутильных колебаний от стальных канатов подвески; специальные узлы крепления стропов к поднимаемому грузу, включающие тяги, серьги, рым-болты, закрепленные на силовых кольцах РН и КА и транспортных и бандажных кольцах для них. Для обеспечения равномерного распределения весовой нагрузки и исключения сжимающих усилий от грузозахватных средств в зависимости от формы и конструктивно-силовой схемы груза могут применяться четыре типа траверс [17] (рис. 6.3). 466 Рис. 6.3. Типы траверс: продольные (а); поперечные (б); продольно-поперечные (в); осевые (г) Для исключения непреднамеренного изменения положения груза при подъеме и перемещении, а также для обеспечения равномерности передачи нагрузок на стропы траверсы оснащают устройствами и механизмами, позволяющими расположить точку подвеса на одной вертикали с расчетным положением центра масс груза. Для этого на траверсах устанавливают механизмы или устройства смещения точки подвеса, например, с помощью механического привода. На рис. 6.4 показана универсальная траверса, применяемая на технических комплексах РКК. Траверса представляет собой горизонтальную балку 3 переменного сечения, по длине которой имеются гнезда (отверстия) 6, выполненные с определенным шагом. Устройства 5, соединяющие стропы и траверсу, устанавливаются в определенную пару гнезд в зависимости от характеристик конкретного груза, что позволяет выполнить предварительное совмещение точки подвеса грузовой петли 2 траверсы и центра тяжести груза. Рис. 6.4. Универсальная траверса 467 Для устранения возможного эксцентриситета размещения точки подвеса, вызванного неточностью определения положения центра масс груза, траверса оборудована механизмом 1 изменения положения грузовой петли. Применение универсальных траверс в составе грузозахватных средств позволяет сократить номенклатуру грузозахватных средств, которыми должен оснащаться технический комплекс для обеспечения возможности проведения работ с различными РН, КА, РБ, РКН. Особенности силовых элементов конструкции РН, КА, РБ, РКН предполагают наличие специальных узлов крепления стропов к поднимаемому грузу. На рис. 6.5 показан пример использования рым-болта 5, закрепленного на силовом поясе 6 РН (КА) или на транспортном кольце, для крепления серьги с тягой 4, размещенной на конце стропы 1. Фиксация серьги осуществляется с помощью стопора 3. Узел соединения стропы и серьги также используется для крепления чалки 2. Рис. 6.5. Пример крепления стропов к поднимаемому грузу с помощью рым-болта: 1 – строп, 2 – чалка, 3 – стопор, 4 – серьга с тягой, 5 – рым-болт, 6 – силовой пояс РН (КА) (транспортного кольца) Технологические операции, выполняемые с использованием подъемноперегрузочного оборудования, являются не только ответственными (наиболее сложными операциями, ошибки при выполнении которых могут привести к срыву выполнения задачи, авариям, а также крупному материальному ущербу), но и опасными. Примечание. Опасная операция – операция, характеризующаяся наличием опасных и/или вредных факторов. Опасная работа – работа, в состав которой входит хотя бы одна опасная операция. 468 Организационно-технические особенности эксплуатации ППО связаны с тем, что подъемные сооружения (механизмы) в составе вооружения и военной техники относятся к объектам гостехнадзора и их эксплуатация должна осуществляться в соответствии с требованиями федеральных и ведомственных документов [8, 13, 20]. В частности, в Инструкции по обеспечению в Вооруженных Силах РФ безопасной эксплуатации подъемных сооружений и оборудования, работающего под давлением, в составе вооружения и военной техники[8] указано, что к объектам гостехнадзора относятся: краны мостовые (тали, тельферы) всех типов, установленные в монтажно-испытательных корпусах и специальных сооружениях; траверсы и другие специальные грузозахватные приспособления; грузоподъемные стреловые краны. В эксплуатационной документации на эти виды оборудования должны быть определены возможные опасные и вредные факторы, которые могут проявиться во время выполнения работы (технологической операции) и воздействовать на человека, составляется примерный перечень возможных опасных ситуаций, которые могут проявиться во время выполнения работы (технологической операции). Не рассматривая в рамках этого учебного курса все вопросы организации эксплуатации объектов гостехнадзора в эксплуатирующей организации (войсковой части), отметим, что при выполнении работ с использованием подъемно-перегрузочного оборудования важно уделить внимание следующим компонентам обеспечения: – технической готовности грузоподъемных машин и грузозахватных средств к проведению работ; готовности обслуживающего персонала к выполнению работ; готовности рабочей площадки, на которой будут выполняться опасные работы; требований безопасности при выполнении работ. Все объекты гостехнадзора должны быть технически освидетельствованы. Непосредственная подготовка ГПМ и грузозахватных приспособлений (ГЗП) включает следующие мероприятия: проверку исправности состояния всех механизмов узлов, систем, канатов и приборов безопасности ГПМ; 469 наличие и правильность оформления всех эксплуатационных документов на ГПМ и ГЗП; проверку функционирования всех механизмов ГПМ; проверку соответствия ГЗП характеристикам поднимаемого груза; проверку исправности ГЗП. До начала всех видов работ проверку исправности состояния ГПМ (ГЗП) проводит лицо, ответственное за эксплуатацию агрегата, а перед выполнением наиболее ответственных и опасных работ осмотр ответственных элементов, блоков, узлов, агрегатов, средств обеспечения безопасности и проверку исправности приборов безопасности, блокировки, световой и звуковой сигнализации проводят офицер службы вооружения и руководитель работ. Обслуживающий персонал должен иметь допуска к самостоятельной работе и быть проинструктирован по требованиям безопасности. Отметим, что обслуживающий персонал перед допуском к самостоятельной работе на объекте гостехнадзора проходит в установленном порядке обучение и аттестацию в учебных заведениях, имеющих разрешительные документы, предусмотренные законодательством РФ[8]. Подготовка рабочей площадки для выполнения погрузочно-разгрузочных работ включает проведение следующих операций: очистку рабочей зоны от посторонних предметов; создание твердого покрытия в зоне работ; устранение естественных уклонов; оснащение зоны работ предупредительными знаками и освещением. Для обеспечения требований безопасности при выполнении работ с обслуживающим персоналом проводятся инструктажи по особенностям выполнения работ, обеспечивается контроль ограничения допуска посторонних лиц на рабочие площадки. 6.2.3. Технические и эксплуатационные характеристики грузоподъемных машин Основной характеристикой грузоподъемных машин (ГПМ) является максимальная грузоподъемность Q , величина которой, как правило, назначается из стандартного общепромышленного ряда:0,01; 0,0125; ….; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32;….; 250 тонн и т.д. 470 На рис. 6.6 показаны геометрические характеристики ГПМ, которые включают следующие величины: R вылет стрелы (на рисунке показаны Rmin и Rmax); L – пролет моста; L1 – вылет консоли; H – высота подъема крюка; H1 высота подъема крюка над уровнем стоянки крана; H2 – глубина опускания крюка; К размер колеи пути; B – размер колесной базы. К основным характеристикам ГПМ также относятся скорости передвижения и поворота крана, скорость подъема груза, зависимость грузоподъемности крана и высоты подъема груза от вылета стрелы. Мостовые и стреловые краны являются машинами прерывного действия, работающими циклично и на разных режимах. Цикл работы крана состоит из перемещения грузозахватного органа к грузу, подъема и перемещения груза, освобождения грузозахватного органа и возвращения его в исходное положение. Для классификации режимов работы кранов, определения их эксплуатационных характеристик используются два основных показателя – класс использования и класс нагружения [2]. 1. Класс использования (U0, U1, … U9) зависит от числа циклов работы крана за срок его службы и определяется по табличным данным, нормированным в ГОСТ [2]. 2. Класс нагружения (Q1, Q2, … Q5) определяется по табличным данным в зависимости от значения относительного показателя нагруженности , где – среднее количество циклов работы крана с грузом массой ; номинальная грузоподъемность крана; . – число циклов работы крана за срок его службы, Для кранов с переменной грузовой характеристикой (например, стреловых кранов) в качестве номинальной грузоподъемности принимается минимальная грузоподъемность, установленная в пределах зоны перемещения груза. 471 О ь щ а) Вид А В А К б) Вид Б Б В Рис. 6.6. Основные характеристики ГПМ 472 Группу режима работы кранов определяют по табличным данным с учетом комбинации полученных значений класса использования и класса нагружения. Для контроля ресурса механизмов крана и обеспечения безопасной эксплуатации крана для классификации режимов работы механизмов используют три показателя – класс использования механизма, класс нагружения механизма, интенсивность использования механизма [2]. 1. Класс использования механизма (Т0, Т1, …Т9) зависит от суммарной продолжительности работы механизма (в часах) в течение назначенного срока службы и определяется по табличным данным, нормированным в ГОСТ. 2. Класс нагружения механизма (L1, L2, L3, L4) определяется по табличным данным в зависимости от значения коэффициента распределения нагрузки , где – средняя продолжительность использования механизма с нагрузкой ; максимальное значение нагрузки на механизм в течение нормальной эксплуатации согласно технической документации; – суммарная продолжительность использования механизма, . В качестве значения нагрузки Н в зависимости от типа и назначения механизма может использоваться сила натяжения тягового каната, момент на тихоходном валу и т.д. 3. Интенсивность использования механизма (Z1, Z2,…Z5) зависит от среднего количества включений механизма в час и определяется по табличным данным. Фактические показатели нагруженности и наработки, полученные при регистрации параметров, при контроле процесса эксплуатации крана или его механизмов сравниваются с показателями нормативных режимов работы крана и механизмов. На основании этого сравнения принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации или необходимости проведения восстановительных мероприятий. Для расчета подъемно-перегрузочного оборудования необходимо знание расчетных эксплуатационных нагрузок, которые делятся на рабочие, предельные и аварийные (см. п. 1.4). Для грузоподъемных машин при оценивании рабочих и предельных нагрузок выделяют два основных расчетных случая. 473 Расчетный случай I предполагает нормальную нагрузку в рабочем состоянии, включающую номинальный вес груза и грузозахватных средств, собственный вес конструкции, ветровые нагрузки с рабочей скоростью ветра, а также динамические нагрузки, возникающие в процессе пуска, разгона и торможения механизмов при нормальных параметрах процессов функционирования. Для этого расчетного случая расчет металлических конструкций и узлов механизмов ГПМ проводится на сопротивление усталости относительно предела выносливости, а также на износ, стойкость и долговечность[7]. Расчетный случай II предполагает максимальную весовую нагрузку и максимальные динамические нагрузки, возникающие при экстренном торможении, внезапном включении (выключении) тока, движении крана по неровному пути, быстром изменении нагрузки на крюке, обрыве грузовых стропов, ветровой нагрузке с предельной скоростью ветра. Для этого расчетного случая металлические конструкции и узлы механизмов ГПМ рассчитывают на прочность, а также проводят проверку грузовой устойчивости кранов (от опрокидывания). Особенности конструкции и эксплуатации ППО предполагают проведение расчетов ГПМ и ГЗС по всем критериям работоспособности, установленным в [3]: устойчивости положения, прочности, деформативности, воздействию агрегата на ракету или ее составные части. Расчеты проводятся с учетом специфики подъемно-перегрузочного оборудования. В соответствии с [3] для ГПМ при числе циклов нагружения конструкции более 105 проводится расчет циклической прочности: где – суммарный минимально допустимый коэффициент запаса при расчете циклической прочности, ; – частный коэффициент запаса при расчете циклической прочности. 474 При определении частного коэффициента запаса учитывается, например, что грузозахватные приспособления для подъема РКН или ее составных частей относятся к группе I составных частей агрегатов технологического оборудования (по ГОСТ Р 51282), что предполагает . Значение коэффициента выбирается в зависимости от способа контроля механических свойств материала по табличным данным. Для учета динамики подъема и опускания груза расчетный коэффициент вертикальной перегрузки для свободно подвешенного груза определяют динамическим расчетом с учетом податливости подвески и металлоконструкции ГПМ или выбирают по табличным данным [3] с учетом скорости подъема (опускания) груза. При расчете устойчивости положения агрегата угол наклона рабочей площадки, если он не задан в техническом задании, принимают равным 3º. При наличии нескольких грузозахватных средств, работающих параллельно через уравнительный механизм, каждое из них должно быть рассчитано с учетом возможностей повышения нагрузок за счет трения во всей системе. При наличии в ГЗС нескольких ветвей (подвесок, работающих параллельно без уравнительного механизма) каждая из них должна быть рассчитана с учетом возможного ослабления любых внешних связей. Возникающие при этом нагрузки в ветвях считаются рабочими. Прочность канатов должна быть обеспечена выполнением для расчетного усилия в канате условия где – разрывное усилие каната в целом; – коэффициент снижения разрывного усилия каната; – суммарный минимально допустимый коэффициент запаса прочности каната. При определении коэффициента снижения разрывного усилия учитываются снижение прочности каната в местах его заделки, изгиб каната на барабане (блоке, крюке), износ каната. При определении коэффициента запаса учитывается назначение каната и наличие неучтенных факторов. 475 6.2.4. Краны мостового типа 6.2.4.1. Назначение, состав и характеристика параметров кранов мостового типа Мостовые краны являются основными ГПМ технического комплекса. Они размещены в специально оборудованных зданиях – монтажноиспытательных корпусах (МИКах) и сооружениях (башнях обслуживания СК). Эти ГПМ в большей степени отвечают тем жестким требованиям, которые выдвигаются при погрузочно-разгрузочных работах с элементами РКН. Консольные и стреловые краны, которыми также оснащены РКК, могут выполнить подъемно-перегрузочные работы с элементами РКН легкого и среднего классов, но используются для этого лишь в экстренных случаях – в качестве основных ГПМ в полевых условиях для боевых комплексов ракет. Мостовой кран – грузоподъемная машина, предназначенная для работы в прямоугольной зоне. Он состоит из пролетного строения и перемещающейся по нему тележки с полиспастом, механизмом подъема и несущим грузозахватным устройством (крюковой подвеской). В состав мостового крана (МК) входят следующие элементы: силовые металлоконструкций моста и крановой тележки, предназначенные для восприятия статических и динамических нагрузок, а также для размещения оборудования крана; ходовые части моста и крановой тележки, обеспечивающие перемещение силовой металлоконструкции крана по двум взаимно перпендикулярным направлениям; механизмы перемещения и подъема, состоящие из приводных двигателей, трансмиссий, тормозных устройств и рабочих органов; система электрооборудования, содержащая силовые цепи питания приводных электродвигателей и тормозов, цепи управления и контроля за работой крана; система безопасности, обеспечивающая безаварийное состояние МК и поднимаемого груза на всех этапах эксплуатации. Металлоконструкция моста МК состоит из двух пространственножестких балок 1, называемых главными (рис. 6.7). Главные балки соединены с концевыми балками 3, образуя c ними горизонтальную раму. 476 На главных балках устанавливаются механизмы 5 передвижения моста. На концевых балках моста размещаются ходовые колеса 6 крана. 3 2 1 4 5 6 Рис. 6.7. Мостовой кран Металлоконструкция крановой тележки 2 выполняется из листовой стали и также, как и мост, образует горизонтальную раму. Рама имеет сплошной настил, на котором размещается механизм подъема груза и механизм передвижения тележки. Управление работой крана может осуществляться из кабины 4. Ходовая часть рельсовых механизмов передвижения моста и тележки (рис. 6.8) содержит двухребордные колеса (1 – колеса моста, 2 – колеса тележки), препятствующие сходу моста и тележки с подкрановых путей. Ходовые колеса делятся на приводные (ведущие) и неприводные (ведомые). Приводные ходовые колеса устанавливаются на отдельных валах, а не приводные – на отдельно вращающихся осях. Оси ходовых колес устанавливаются в корпуса подшипников, изготовленных в виде съемных или разъемных букс 3, которые на тележке прикреплены к раме, а на мосту к концевым балкам. Такая конструкция валов, вращающихся осей 4, съемных букс позволяет проводить сборку и замену ходовой части на высоте кранового пути. 477 1 2 3 1 4 Рис. 6.8. Схема ходовой части мостового крана Механизмы передвижения моста и тележки состоят (рис. 6.9) из приводных электродвигателей (ЭД), соединительных муфт (ПЗ), тормозов (ТМТ), редукторной части и трансмиссионных валов (ТВ). Рис. 6.9. Кинематическая схема механизма передвижения мостового крана 478 Механизм подъема содержит следующие элементы: приводной электродвигатель, соединительные муфты, редукторную часть, канатный барабан с механизмом канатоукладчика, два тормоза (согласно правилам гостехнадзора); полиспастную систему, состоящую из подвижных и не подвижных блоков, огибаемых грузоподъемным канатом и универсального устройства грузозахватной крюковой подвески с грузовым крюком Для специальных МК РКК в механизмах подъема встречаются механизмы ограничителя грузоподъемности. Система электрооборудования МК содержит: токоподводы (троллейные или кабельные); силовые электродвигатели (асинхронные электродвигатели переменного трехфазного напряжения с встроенными дисковыми тормозами); устройства автоматического управления (контакторы, реле управления и защиты командоаппарата, магнитные пускатели, плавкие предохранители, автоматы выключения); устройства управления (рубильники и переключатели, пакетные выключатели, контроллеры, пусковые и пускорегулировочные резисторы); трансформаторы, цепи и пульты управления; цепи освещения и сигнализации; электромагниты колодочных тормозов. Система безопасности включает в себя: защитное заземление и тепловое реле защиты, используемое как защитное средство ограничения грузоподъемности; путевые выключатели приводов механизмов передвижения, буферы, устройства концевой защиты механизма подъема груза, противоугонные захваты, ограничители перекоса конструкции моста, блокировки двери кабины управления краном; ключ-марку, исключающий включение крана посторонними лицами, а также перила и ограждения на крановом мосту и тележке. 479 6.2.4.2. Устройство и анализ основных параметров КМТ Конструктивные параметры механизма подъема (для МК) определяются по заданным параметрам: величине максимального груза, ; скорости подъема, ; максимальному ускорению подъема, ; режиму работы, ПВ; типу электродвигателя, который определяет скорость вращения вала двигателя . По рекомендациям из опыта проектирования и эксплуатации для подъема груза назначают диаметр каната . Эта величина позволяет назначить кратность полиспаста ( ) исходя из соотношения: , где – максимальное натяжение в канатах полиспаста, которое связано с кратностью полиспаста, КПД блока полиспаста и КПД отводного ка известным соотношением , где КПД блока а полиспаста. где При этом , – разрывное усилие каната с диаметром d, k – коэффициент запаса, назначаемый по нормам гостехнадзора. Диаметр барабана ( ) механизма подъема связан с диаметром каната соотношением, обеспечивающим стойкость каната к изгибу: , где для гладких барабанов, для барабанов с нарезкой. Скорости вращения барабана и поднимаемого груза связаны соотношением: , откуда, с учетом того, что , где имеет размерность [об/мин], 480 назначается передаточное число редуктора , . Здесь , скорость вращения вала двигателя (об/мин). Общее значение КПД механизма : , где – КПД полиспаста, ; – КПД редуктора, . Этих параметров достаточно, чтобы оценить динамику подъема и опускания груза. Пусковой момент, приведенный к валу приводного двигателя, складывается из момента статического сопротивления , момента инерции от вращающихся элементов механизма и момента инерции от груза M пуск M ст M (1) ин : (2) ин M . Момент статического сопротивления для подъема груза определяется выражением , а для опускания – выражением . Допустив, что каждый вращающийся i-й элемент имеет постоянное угловое ускорение , а время пуска механизма tП можно оценить как , то можно записать , 481 Тогда где , Ji – момент инерции i-го звена, i1-i – передаточное отношение с первого по i-е звено; 1-i – КПД в цепи с первого по i-е звено механизма. Из опыта реальных машин можно допустить, что (1) (1,1 1,2) M ин J 1nдв t П 30 , GВ DВ2 , здесь GВ , DВ вес вала двигателя и его диаметр. где J1 g 4 Момент инерции от груза может быть оценен по динамической составляющей груза , как О . , а nБ Зная, что M (2) ин Gгрmax DБ2 nдв 120a 2 iМ2 t П 0 g nдв iМ , . факт При этом M пуск 1,33M пуск , а значение номинального пускового момента назначается из соотношения M ном 1,33M пуск , где коэффициент, учитывающий вариации поднимаемого груза (=2,53,4). Поэтому при нерациональном использовании крана Gгр Gгрmax возникают значительные динамические нагрузки для груза. Во избежание этого на одной крановой тележке устанавливают два (и более) механизма подъема. 482 6.2.4.3. Характеристика эксплуатационных нагрузок Одним из эксплуатационных этапов для всего ППО является проведение его технического освидетельствования, включающее статические и динамические испытания. Для МК при проведении статических испытаний с нагрузкой (согласно правилам гостехнадзора), превышающей номинальную на 25%, имеется особенность, связанная с тем, что ходовая тележка с подвешенным грузом должна быть установлена на крановом мосту в месте, где прогиб моста будет максимальный. Задача об определении такого положения может быть решена при расчете максимальных изгибающих моментов в главных балках моста. В силу симметрии конструкции моста для расчетной схемы можно принять, что на каждую главную балку действует половина расчетной нагрузки от поднимаемого груза. Для расчета можно выделить отдельно действие моментов, обусловленных собственным весом балки qМ , весом кабины управления и механизмом передвижения моста GМП (рис. 6.10). Определить же эпюру прогибающего момента от давления ходовых колес тележки с подвешенным на ней грузом GГ можно лишь после того, как будет определено местоположение тележки, соответствующее максимальному моменту. Предположение о том, что тележку нужно ставить в середине пролета, неверно. Для решения задачи о месте размещения тележки введем координату ее положения x (рис. 6.10, в) и введем следующие обозначения: расстояние между катками тележки – b; расстояние между точкой приложения веса груза и катками тележки – a1, a2; длину пролета обозначим как L; реакцию в опорах моста – как RА, RБ. Действие силы GГ эквивалентно паре сил P2 и P1. Для случая a1 a2 справедливо соотношение P1 P2 P , что позволяет записать равенство RА P ( L x ) P ( L x b) P ( 2 L 2 x b) . L L Тогда изгибающий момент под левым колесом тележки М1 определяется как P ( 2 L 2 x b) x . L 483 M1 RА x а) б) в) Б А Рис 6.10. Схема расчета нагрузок мостового крана: а – нагрузка от веса моста; б – сосредоточенная нагрузка от механизмов и кабины управления крана; в – нагрузка от перемещающейся крановой тележки Для определения положения тележки, соответствующего максимальному значению М1, найдем первую производную по x функции М1(x) и приравняем ее к нулю: d P M 1 ( x ) ( 2 L 4 x b) 0 , dx L откуда координата, соответствующая максимальному значению момента (xmax), равна xmax L b ; 2 4 484 (6.1) Значение М1 в этом месте балки M1max Для случая ; P b ( L )2 . 2L 2 и (6.2) можно получить ; ( M1max ) P L a1 2 ( ) . L 2 Полученные в равенствах (6.1) и (6.2) результаты свидетельствуют о том, что положение подвижной тележки, соответствующее максимальному моменту от действия груза, не совпадает с ее симметричным положением относительно опор моста (см. рис. 6.10), а при условии , эта несимметрия заметнее, чем в случае . Место тележки, соответствующее максимальному прогибу балок моста, окончательно определяется из соотношения max M W j max , где max максимальное напряжение в балке; W – момент от действия нагрузок qM , GK , GМП и GГ , сумма которых на искомой координате имеет максимальное значение. 6.2.4.4. Динамические процессы при работе мостовых кранов При работе мостовых кранов необходимо и выполнении операций по перемещению и укладке грузов необходимо учитывать динамические процессы. Существуют следующие причины возникновения колебаний груза на крюке: наличие упругих связей в подвеске и механизмах передвижения (канаты, муфты, зазоры в шестернях), динамические нагрузки при разгоне, торможении, изменении скорости (рис. 6.11, где m1 – это приведенная масса крана (тележки) и механизма передвижения; m масса груза). Колебания могут быть горизонтальными (раскачивания) и вертикальными. Параметры, описывающие колебания: – возмущающее воздействие; – смещение груза; – перегрузка. 485 m1 Р(t) C m Рис. 6.11. Схема для расчета параметров колебаний груза Примем следующие допущения: колебания рассматриваются раздельно; металлоконструкции принимаются абсолютно жесткими; влияние сил внутреннего трения на затухающие колебанияне учитывается; привод имеет одну степень подвижности; разгон двигателя начинается после полного натяжения каната. При горизонтальном перемещении (рис. 6.12) груз отклоняется от вертикального положения. Так как величина угла φ, как правило, мала, можно принять , тогда . Уравнение движения крана: . (6.3) Уравнение движения груза: . (6.4) Разделим уравнения 6.3 и 6.4 на m1 и m соответственно. Заменив φ на S/l, получим: Q S P1 t S1 ; m1 l m1 QS S1 S . ml 486 (6.5) (6.6) P1(t) m1 Q∙tgφ φ l Q∙tgφ m S1-SMi S S1 Рис. 6.12. Схема для расчета параметров колебаний груза где Вычитая уравнение (6.6) из (6.5), получим Q P1 t Q S или , S m l ml m 1 1 p – частота собственных колебаний системы; j – ускорение, придаваемое тележке механизмом передвижения. Таким образом, получено дифференциальное уравнение второго порядка. Решение данного дифференциального уравнения представляет сумму ча- стного и общего решения S S S . Частное решение ( S ) при , т.е. когда действует постоянная по величине сила в период разгона механизма имеет вид . Общее решение дифференциального уравнения S Asin pt B cos pt . А и 2 В находим из начальных условий t 0, S 0, S 0 A 0, B j p . Таким образом, решение неоднородного дифференциального уравнения второго порядка имеет вид: S j cos pt j j 1 cos pt . p 2 p 487 2 p 2 Графический вид зависимости представлен на рис. 6.13, при значение амплитуды максимальное , . Графически изменение перегрузки П, определяемой соотношением П max S max c 2clP t m, m1 m G совпадает с графиком изменения перемещения груза S (см. рис. 6.13). Рис. 6.13. График зависимости перемещения груза от времени Подбирая время пуска и останова механизмов, можно добиться уменьшения или исключения раскачивания груза. Так при , где , . Разгоняющая сила: M i P Pp W ; Pp Д ; W 0,012...0,02GT GГР . RK Замедляющая сила: P PT W ; PT где MTi , R Б д момент двигателя механизма передвижения; i передаточное число редуктора механизма передвижения; RK радиус колеса (катка) механизма передвижения; т тормозной момент; W сила сопротивления движению; RБ радиус тормозного барабана; КПД механизма перемещения. 488 Определение параметров колебаний при укладке на упругое основание Для определения параметров вертикальных колебаний груза используем расчетную схему, представленную на рис. 6.14 и примем следующие допущения: 1. Груз движется со скоростью . 2. Упругое основание не деформируется . 3. Скорость деформации S V . 4. Жесткость гибкой тяги приведена. 5. Жесткость . Рис. 6.14. Схема определения параметров вертикальных колебаний груза Начальные условия: . Уравнение движения тела массой m можно записать в следующем виде: , Тогда , Где ,а 489 . Решение дифференциального уравнения имеет вид При . Находим ; , Отсюда ; . Решение дифференциального уравнения имеет вид . Возможная траектория перемещения груза представлена на рис. 6.15 0 Рис. 6.15. Траектория перемещения груза Посадка груза на опору происходит по гармоническому закону. При отрицательных значениях может иметь отрицательное значение , что означает подскок груза вверх с последующим падением, если . Для исключения подскока необходимо соблюдение условия 490 . Определение параметров колебания груза на упругом основании Рассмотрим схему укладки груза на ложементы (рис. 6.16), когда упругое основание деформируется на величину статической деформации. Q T C Рис. 6.16. Схема размещения груза на ложементе Учитывая, что , виде уравнение движения запишется в следующем или после преобразований Обозначив , получим . . Общее решение дифференциального уравнения имеет вид ; Отсюда получим . , Следовательно . Учитывая, что при ; Получим , ; отсюда следует ; . Перегрузка пропорциональна скорости опускания и обратно пропорциональна выражению . 491 6.2.5. Краны стрелового типа 6.2.5.1. Назначение, состав и анализ основных параметров КСТ ППО РКК включает специальные стреловые краны, размещенные на агрегатах обслуживания СК, а также подвижные стреловые краны специального назначения и общепромышленные стреловые краны. Стреловой кран – грузоподъемная машина, предназначенная для обслуживания рабочей площадки в виде круга или сектора (рис. 6.17). Краны стрелового типа состоят из следующих элементов: неповоротной части (для подвижных кранов ходового устройства) с опорным устройством; поворотной части (поворотной платформы), на которой размещены исполнительные механизмы (кабина машиниста и стреловое оборудование с противовесом); системы электро-гидрооборудования приводов; системы управления; приборов и устройств безопасности. Рис. 6.17. Автомобильный кран 492 Стреловое оборудование включает: силовую конструкцию стрелы, при этом стрела может быть моноблочной и телескопической (рис. 6.18); канатно-блочное устройство, обеспечивающее перемещение грузозахватного органа; механизм изменения вылета стрелы (наклона к горизонту), различают краны с гибкой (канатно-полиспастной) подвеской стрелового оборудования (см. рис. 6.18) и жесткой подвеской изменения вылета с помощью гидроцилиндра подъема; механизм подъема крюка (на некоторых стреловых кранах таких механизмов может быть два или три). Рис. 6.18. Схема силовой конструкции стрелы крана: 1 – основная секция; 2 – телескопическая секция стрелы; 3 – гусек; 4 – гидроцилиндр выдвижения стрелы; 5 гидроцилиндр подъема стрелы; 6 – канатно-блочное устройство главного механизма подъема; 7 канатно-блочное устройство малого механизма подъема, предназначенные для увеличения высоты подъема крюка Стреловое оборудование вместе с механизмом подъема крюка размещено на подвижной платформе, включающей в свою конструкцию опорное устройство и механизм поворота, кинематические схемы которых показаны на рис. 6.19. Неповоротная часть стационарных стреловых кранов состоит, кроме того, из опорного венца подшипника поворота. 493 У подвижных стреловых кранов в неповоротной части размещаются выносные опоры с винтовыми или гидравлическим механизмом (см. рис. 6.17), механизм блокировки подвески и привод силовой установки, объединенный с двигателем автомобиля трансмиссионными валами. а) б) Рис. 6.19. Кинематические схемы механизмов кранов: а – кинематическая схема механизма подъема груза; б – кинематическая схема механизма поворота платформы Основными характеристиками подвижных стреловых кранов являются (рис. 6.20): грузоподъемность (Q); вылет стрелы (R); вылет ребра опрокидывания (a); высота подъема крюка (H). R a Рис. 6.20. Основные характеристики подвижных стреловых кранов 494 H Особенностью стреловых кранов является переменная грузоподъемность, определяемая устойчивостью положения крана при работе с грузом. Грузоподъемность стрелового крана определяется через грузовую характеристику, представляющую собой совокупность точек, лежащих под кривой максимальной грузоподъемности (рис. 6.21), ограниченной по ординате максимальным значением поднимаемого груза, сохраняющим устойчивость формы металлоконструкции стрелы при ее минимальном вылете, а по абсциссе максимальным значением груза при максимальном вылете при сохранении устойчивости положения. Q 1 2 Рис. 6.21. Грузовые характеристики крана: 1 – грузовая характеристика стрелового крана без опор; 2 – на опорах 495 Подвижный стреловой кран – свободностоящий. Его устойчивость к опрокидыванию обеспечивается только собственной массой и размерами опорной площадки. Грузоподъемность автомобильного стрелового крана определяется действующими на него опрокидывающими и восстанавливающими моментами. Кроме весов крана, поднимаемого груза и грузозахватного приспособления, на кран действуют инерционные нагрузки, возникающие в период пуска его механизмов и их торможении. К этим нагрузкам добавляется ветровая нагрузка, действующая как на сам кран, так и на груз, центробежные силы, обусловленные равномерным вращением платформы. Эффект от той или иной внешней нагрузки (силы) зависит не только от ее значения, но и от точек ее приложения. Чем дальше действующая сила от ребра опрокидывания, тем больше эффект ее действия. Таким образом, действия нагрузок на кран должно быть охарактеризовано моментами относительно ребра опрокидывания. Положение этого ребра зависит от того выставлены или нет его опоры, и какое положение занимает стрела относительно опорного контура. Плечи действующих на кран сил зависят от угла наклона рабочей поверхности площадки, на которой стоит кран, положения груза и стрелы. Именно поэтому автомобильные краны оборудованы механизмами блокировки подвески и выносными опорами. При выполнении краном рабочих операций устойчивость его положения меняется. Для поддержания безаварийного состояния автомобильного крана в систему его управления введены приборы безопасности, постоянно измеряющие вылет стрелы и максимальное усилие на грузозахватном органе. На кранах, имеющих значительную парусность, на стреле устанавливается анемометры – приборы измерения скоростных напоров ветра, сигнал которых также заведен в систему управления краном. Во избежание электротравматизма и поломки крана при его работе вблизи воздушных линий электропередач на автомобильном стреловом кране устанавливают автоматические сигнализаторы опасного напряжения, блокирующие его работу в опасных зонах. 496 6.2.5.2. Классификация КСТ и анализ конструктивно-компоновочных схем Общая классификация стреловых кранов в зависимости от их конструктивного исполнения представлена схемой, изображенной на рис. 6.22. Стреловые краны Подвижные Стационарные Консольные Мачтовые Дизель-электрические Безрельсовые Рельсовые Пневмоколесные Башенные Гусеничные Портальные Автомобильные Железнодорожные Гидравлические Рис. 6.22. Классификация стреловых кранов Стационарные консольные стреловые краны используются на агрегатах обслуживания стартовых комплексов, они предназначены для выполнения монтажных, регламентных и ремонтных работ на самих агрегатах обслуживания и для обеспечения предпусковых и проверочных операций с технологическим оборудованием, расположенным на башнях. Подвижные стреловые краны могут использоваться для установки средств обслуживания на ПУ, эвакуации спускаемых отсеков КА и отработанных упавших ступеней РН на полигонах падения, выполнении работ с возвращаемыми многоразовыми ступенями РН, а также для подъемноразгрузочных работ в полевых условиях. Автомобильные краны используются для нештатных погрузочноразгрузочных работ с элементами РКН, а также для проведения послепусковых, регламентных, ремонтных, монтажных и хозяйственных работ. 497 6.2.5.3. Классификация безрельсовых кранов, их состав и устройство К безрельсовым кранам, помимо вышеперечисленных, можно еще отнести и плавучие краны, которые выполняются в виде крановой поворотной части, установленной на самоходном или не самоходном понтоне. Однако наибольшее распространение получили безрельсовые самоходные краны на автомобильном шасси. Самоходные стреловые краны – это краны, не связанные с определенным местом использования как по условиям энергообеспечения, так и по условиям взаимодействия с местностью. Крановая часть у самоходных кранов всех типов идентична. Применяемое в самоходных кранах ходовое оборудование классифицируется на гусеничное и пневмоколесное. Краны с пневмоколесным ходовым оборудованием классифицируют по трем группам: автомобильные, монтируемые на шасси стандартных грузовых автомобилей (базовых шасси), с крановыми механизмами, приводимыми от двигателя автомобиля непосредственно или через вторичные – электрические или гидравлические агрегаты; пневмоколесные со специализированным шасси, общим, находящимся на поворотной части крана двигателем, приводящем непосредственно или через вторичные двигатели все механизмы; краны на специальном многоосном шасси автомобильного типа с двумя двигателями, из которых один – используется для передвижения крана, другой (меньшей мощности) приводит в действие механизмы крана. 6.2.5.4. Виды устойчивости и расчет грузовой характеристики При работе стреловых кранов различают следующие виды устойчивости: грузовую устойчивость – способность крана противостоять действию весовых нагрузок, стремящихся опрокинуть его в сторону стрелы с грузом; собственную устойчивость в нерабочем положении, при отсутствии груза и возможном опрокидывании в сторону противоположную стреле. Грузоподъемность стрелового крана определяется через грузовую характеристику, представляющую собой совокупность точек, лежащих под кривой максимальной грузоподъемности (см. рис. 6.21). 498 Так как грузовая характеристика стреловых самоходных кранов переменна, за основную точку характеристики принимают точку, соответствующую грузовому моменту при номинальной грузоподъемности крана и максимальному вылету, соответствующему этой грузоподъемности, являющемуся расчетным грузовым моментом. Грузовая устойчивость крана обеспечивается, если . Все остальные точки определяются для различных вылетов при сохранении грузового момента, учете увеличения нагрузочного момента от веса стрелы, такелажа и изменении ветровых и инерционных нагрузок (рис. 6.23). Rmax Qном a G H b Рис. 6.23. Схема расчета устойчивости крана 6.2.5.5. Расчет собственной и грузовой устойчивости КСТ Показатель устойчивости крана в рабочем состоянии определяется через коэффициент грузовой устойчивости n k1 где M G M опрi весовой момент; грузовой момент; опрокидывающий момент. 499 i 1 M гр , Суммарный опрокидывающий момент вычисляется по формуле n M i 1 m опр i M инj M вгр M вкр , j 1 j где M ин инерционный момент груза и стрелы при работе j-го механизма крана; M вгр , M вкр ветровые опрокидывающие моменты, действующие на груз и кран. Весовой момент M G определяется соотношением M G Gz (c b) Gx h , где Gz , Gx проекции веса крана на оси Z и X. z Gx Gz G x c A b h1 Q a Рис. 6.24. Схема расчета инерционных нагрузок крана при наклонном положении крана Грузовой момент M гр определяется как M гр Q a , где Q – вес поднимаемого груза (см. рис. 6.24). Инерционные нагрузки (моменты) определяются при максимальных скоростях движения исполнительных элементов каждого механизма (рис. 6.25). Механизм поворота создает инерционные нагрузки от поднимаемого груза, которые могут быть определены при условии, что инерционные нагрузки крана и противовеса примерно равноценны и противоположны следующим образом ГР M ИН1 здесь Q 2 ( x a)( H h) , g скорость вращения платформы. 500 h H А a b x Рис. 6.25. Схема расчета инерционных нагрузок крана при горизонтальном положении платформы крана Неизвестная величина x может быть определена из равенства: FЦБ FЦБ Q 2 Q ( x a) 2 (h a) , g g Q где центробежная сила, тогда, после соответствующих преобразований, ГР M ИН1 Q 2 ha2 ( a)( H h) . g g h2 Инерционный момент от действия механизма подъема стрелы (рис. 6.26) после приведения веса стрелового оборудования к оголовку стрелы определяется равенством: СТР ГР M ИН2 M ИН2 M ИН2 , СТР ГР , M ИН2 где M ИН2 моменты, создаваемые стрелой и грузом. Согласно рис. 6.26, получим: СТР M ИН2 СТР GПР ( H sin a cos ) L , g tп 2 ГР M ИН2 где Q L cos a , g tп 2 СТР GПР приведенный вес стрелы; t П2 время разгона механизма подъема стрелы. 501 z L h H x А a Рис. 6.26. Схема расчета инерционных нагрузок механизма подъема стрелы ГР Механизм подъема груза также создает инерционный момент M ИН3 Q r ГР M ИН3 Б Б a , g tп 3 где Б , rБ скорость вращения и радиус барабана лебедки механизма подъема; tп3 время разгона лебедки; а – плечо силы веса груза относительно ребра опрокидывания. Определение ветровых моментов M ВГР , M ВСТР в соответствии с требованием нормативных документов проводится при скорости ветра 1520 м/с. Грузовая устойчивость крана считается удовлетворительной, если k11,25 , или если при проведении статических испытаний в условиях, когда рабочая площадка горизонтальна, выполняется условие k11,4 , при этом все четыре опоры крана должны иметь контакт с рабочей площадкой: m M j 1 j ИН 0; M вгр 0; 502 M встр 0; z FB ρ Gx Gz A x c G h1 α b Рис. 6.27. Схема расчета собственной устойчивости крана Собственная устойчивость крана оценивается при скорости ветра 20 м/с, через коэффициент собственной устойчивости К2 (рис. 6.27) по соотношению M G* K 2 КР 1,15 , MВ * где M G G[(b c) cos h1 sin ] момент весовой устойчивости; M ВКР опрокидывающий ветровой момент. M ВКР FB , где FB равнодействующая ветровой нагрузки; плечо действия силы FB относительно ребра опрокидывания. 503 6.3. Монтажно-стыковочное оборудование 6.3.1. Технология стыковки ракет-носителей 6.3.1.1. Виды стыковки элементов РКН и их анализ В условиях РКК выполняется большое количество сборочных работ. При этом выделяют: стыковку элементов РКН (ступеней РН, КА, головных обтекателей или собранной в единый агрегат КГЧ), монтаж агрегатов и узлов на этих элементах или в целом на РКН. Сборочные работы (как на земле, так и в космосе) подразумевают придание двум стыкуемым объектам шести степеней свободы. Наиболее сложной и ответственной операцией является стыковка ступеней РН, КА. Сложность этой операции заключается в значительных габаритах сочленяемых элементах при их значительной стоимости, весе и ажурной конструкции, иногда не способной (не предназначенной) сопротивляться действию собственного веса. Этот набор противоречивых свойств есть неотъемлемый атрибут ракеты. Остаточные деформации корпуса РН, появляющиеся при ее транспортировке или даже хранении, могут стать (как это уже бывало неоднократно) причиной невозможности стыковки ступеней, при полной исправности всех систем и агрегатов. Стыковка ступеней РН выполняется при вертикальном или горизонтальном положении продольных осей стыкуемых элементов. При этом ступени могут находиться на специальных поддерживающих форму и воспринимающих вес опорах или подвешенных на стропах через устройства и приспособления сочлененными с грузозахватными органами ППО. Различают опорную, навесную и комбинированную стыковки (рис. 6.28). Разнообразие технологических приемов стыковки и технических средств для ее выполнения, как правило, обусловлено оптимальным решением этой задачи для каждой стыкуемой пары, позволяющим выполнить эту операцию минимумом степеней подвижности, людских, технических и временных затрат, при безусловном исключении повреждения стыкуемых узлов и наличия травм у обслуживающего персонала. Выбор вида стыковки есть решение совокупности многих технологических, технических и экономических задач всего цикла подготовки и пуска РКН. 504 Рис. 6.28. Классификация видов стыковки Например, модификация старого РКК под новую РКН или переоборудование боевой РН под космическую сопровождается автоматическим (обязательным) использованием технологического оборудования «старого» комплекса в «новом», имеющим другие цели, задачи и характеристики. Последним тому подтверждением является проект РКК «Рокот» с боевой ракетой, способной находиться только в транспортно-пусковом контейнере, установка которого на ПУ осуществляется ТО боевого комплекса. На башне обслуживания установлен мостовой кран, обеспечивающий подъем и стыковку КГЧ с РН (рис. 6.29). 505 Рис. 6.29. Схема подъема и установки КГЧ на РН: 1 – транспортный агрегат; 2 – пусковой стол; 3 – РН в транспортно-пусковом контейнере; 4 – направляющие для траверсы; 5 – КГЧ; 6 – мостовой кран башни обслуживания; 7 – башня обслуживания; 8 – кабель-заправочная колонна Навесная (вертикальная) сборка ступеней, используемая на первых РКК, имеющих концепцию выведения максимально возможного полезного груза при ограниченных возможностях двигателя РКН, и традиционно оставшаяся в США, имеет свои преимущества и недостатки. Подвеска ступеней РКН при сборке в вертикальном положении на канатах мостовых кранов исключает деформацию изгиба ступеней и их овализацию под действием собственной весовой нагрузки. Это положение ступеней способствует совмещению фланцев стыкуемых элементов по всем шести степеням свободы. При использовании относительно простых приспособлений на траверсах подвески. Вертикальная сборка выполняется на СК или в высотных сооружениях ТК с последующей вертикальной транспортировкой РКН на старт. 506 Для этого требуется один мостовой кран, в то время как для комбинированной сборки может потребоваться два мостовых крана с синхронизацией их работы, а для горизонтальной сборки необходим сборочный стапель или комплект монтажно-стыковочных тележек. При вертикальной сборке может быть обеспечена вертикализация РКН еще в МИКе на пусковой платформе за счет предварительной установки площадок опорных рычагов платформы и опор на пусковом стенде (на стартовой позиции) в одной горизонтальной плоскости. Это позволяет устранить необходимость в сложных системах приема и вертикализации РКН на ПУ и механизма опускания РКН на его опоры, предусмотренного транспортно-установочным агрегатом. Вертикальное положение РКН на ТК позволяет подстыковать к ней все коммуникации типа «земля – борт» и провести комплексные проверки до транспортировки на СК. Вертикальная сборка РКН может привести к сокращению номенклатуры ТО и возможности проведения сборочных работ с ракетами разных классов и типов при доработках только пусковых платформ. Однако, недостатки вертикальной сборки могут оказаться существенным препятствием к использованию этого вида сборки,среди них: 1. Неизбежность горизонтальной транспортировки ступеней с их переводом в вертикальное положение не исключает появления остаточных деформаций. 2. Здание (сооружение) для работ по вертикальной сборке при высотах РКН до 100 м имеют высотность порядка 140160 м, при расчетной скорости ветра 5060 м/с представляют собой не только дорогостоящий но и сложный в техническом отношении объект. Создание в США монтажно-испытательного корпуса для РКН «Сатурн-5» потребовало для повышения устойчивости здания укрепить фундамент, забив в грунт 4300 железобетонных свай на глубину более 40 м до скального основания. Это существенно повысило стоимость сооружения (в 58 раз), время его возведения, а после закрытия программы «Аполлон» предопределило дальнейшее использование этого грандиозного сооружения. 3. Обнаружение неисправностей в нижних ступенях собранной РКН требует ее полную разборку. Вертикальная сборка на СК, как показывает американский опыт, длится 3040 дней, что существенно снижает скорострельность РКК и в случае аварии на СК полностью выводит из работы все ТО РКК, стоимость которого в несколько раз превышает стоимость одноразовой РН. 507 4. Вертикальная сборка РКН целесообразна только при использовании вертикальной транспортировки собранной РКН с ТК на СК. Такая транспортировка осуществляется только с малыми скоростями порядка 11,5 км/ч во избежание боковых перегрузок на корпусе РКН. При этом тип ходовой части и дорожные коммуникации должны также способствовать отсутствию недопустимых перегрузок. С этой целью на транспортере целесообразно использовать дополнительные поддерживающие фермы. Вес транспортной системы, состоящей из РКН, пусковой платформы и транспортного агрегата имеет большую массу, достигающую 2500 т, что составляет 1520 масс перевозимой РКН. Это накладывает очень сложные требования на ходовую часть и дорожное полотно. Так, при использовании гусеничной ходовой части при перевозке РКН «Space Shuttle», давление на дорожное покрытие составляло 0,450,5 МПа при толщине дорожного бетонного покрытия в 6 метров. Таким образом, вертикальная сборка, при всей ее выигрышности для РКН, снижает уровень тактико-технических характеристик РКК в целом, ухудшая такие показатели комплекса, как оперативность, стоимость, защищенность, скрытность. В отечественной практике вертикальная сборка РКН предусмотрена лишь частично, на комплексе «Рокот», для установки космической головной части на РН в условиях СК при вертикальном положении ракеты. Однако, навесная вертикальная сборка широко применяется на иностранных космических комплексах, а также на отечественных технических комплексах для КА, РБ и КГЧ. Стыковка, выполняемая для горизонтально расположенных объектов, опирающихся на ложемент МСО, называется опорной. Положение стыкуемых элементов при такой технологии удобно для обслуживания, проверки и контроля всех технологических операций. Для горизонтальной стыковки не требуется высоких зданий. И не смотря на то, что попытка автоматизировать эту операцию пока не удается (роботы и манипуляторы не могут заменить человека), именно горизонтальная стыковка – путь к автоматизации этой операции. Повышенная жесткость (вес) оболочек ступеней РКН, участвующих в горизонтальной сборке, позволяет ракете лучше переносить транспортировочные нагрузки (которые намного превышают уровень полетных). Преимущества горизонтальной сборки настолько велики, что она выполняется и для РКН с низкой жесткостью баков, внутренний объем которых в этом случае наддувают, обеспечивая ей сохранность формы. 508 6.3.1.2. Классификация стыковочного оборудования Стыковка двух горизонтально расположенных элементов РКН, один из которых находится на ложементах МСО, а другой вывешен на стропах и приспособлениях ППО – называется комбинированным. Этот вид сборки используется для монтажа КА, стыковки блоков РКН, выполненных по схеме «пакет» (рис. 6.30), а также для стыковки РБ и ГО. Его отличает минимальное количество простых технических средств МСО, необходимость в надежной ручной строповке стыкуемых элементов, при уже существующей инфраструктуре зданий и сооружений оборудованных крановым хозяйством. Рис. 6.30. Схема сборки ступеней РН «Союз» Стыковочное оборудование можно классифицировать по следующим классификационным признакам: по месту дислокации (СК, ТК); по типу стыковки (опорной, навесной и комбинированной); по типу используемого оборудования (МСО, ППО); по назначению стыковочных операций (КА, РБ, РН); по типу привода стыковочных операций (ручного, механического, гидравлического, электромеханического, смешанного); по степени подвижности (подвижное, стационарное, подвижностационарное). 509 6.3.1.3. Технология выполнения стыковки элементов РКН Монтажно-стыковочные работы состоят из последовательности действий, направленных на взаимное перемещение стыкуемых элементов, их сближение, взаимное проникновение направляющих устройств с последующим наложением между ними жестких связей. Для блоков РКН в качестве этих связей используются пироболты. Процесс стыковки завершают операции стыковки и проверки проходимости электрических, гидравлических и пневматических коммуникаций между ступенями, для чего могут открываться люки переходных отсеков ступеней, а обслуживающий персонал, находясь на средствах обслуживания, проникает во внутрь блоков. Во избежание соударений, падений и поломок при монтаже и сборке, перемещение стыкуемых элементов осуществляется с помощью механизмов, при визуальном контроле этой операции. Количество механизмов стыковки должно быть минимально необходимым, привод каждого из них должен иметь минимально необходимую мощность и рабочий ход, а управление приводом – осуществляться вручную. Этим условиям полностью отвечает опорная горизонтальная стыковка. Навесная же стыковка в качестве привода использует механизмы кранового оборудования. Поэтому ее динамика более опасна и будет рассмотрена отдельно. Для опорной горизонтальной стыковки можно ограничиться лишь кинематикой. Совмещение двух сопрягаемых элементов, каждый из которых имеет свою, связанную с ним систему координат, возможно лишь при придании процессу стыковки шести степеней свободы (в условиях отсутствия деформаций в стыкуемых контурах). Поэтому комплект средств стыковки (для одной стыкуемой пары) оснащен шестью механизмами. Выполнение опорной стыковки для блоков РН достигается механизмами монтажно-стыковочных тележек (МСТ), пять из которых обеспечивают линейное перемещение блоков, а шестым является механизм разворота РН вокруг ее продольной оси. Размещение механизмов между МСТ выполняется с учетом весовых и геометрических параметров стыкуемых ступеней. Для более легкой и короткой ступени тележки оснащены большим количеством механизмов. Варианты использования технологического оборудования при опорной стыковке показаны на рис. 6.31. 510 Рис. 6.31. Технологическое оборудование, применяемое при опорной стыковке: а – размещение стыкуемых объектов на монтажно-стыковочных тележках; б – размещение стыкуемых объектов на МСТ и кантователе; в – размещение стыкуемых объектов на стапеле и МСТ; 1, 4 – ступени РН; 2 – опора монтажно-стыковочной тележки; 3 – монтажно-стыковочная тележка; 5 – кантователь; 6 – РБ; 7 – стапель; 8,9 – блок первой ступени РН Опорная стыковка КА, РБ и головного обтекателя (ГО) со ступенями РКН выполняется при неподвижных блоках РН за счет придания шести степеней свободы стыковочному агрегату (МСТ или кантователю), на котором находится КА, РБ или ГО. 6.3.2. Анализ конструктивно-компоновочных схем агрегатов МСО Основными агрегатами, обеспечивающими опорную стыковку элементов РКН, являются следующее МСО: для ступеней РН – монтажно-стыковочные тележки (МСТ); для КА и РБ – кантователи. 511 Для выполнения навесной и комбинированной стыковки ступеней РН основными агрегатами являются элементы ППО: мостовые краны и грузозахватные приспособления. Останавливаясь на агрегатах опорной стыковки, можно отметить, что МСТ и кантователи состоят из ходовых тележек, подвижных рам и съемного оборудования – ложементов или траверс. Конструктивно-компоновочные схемы ходовых тележек кантователей и МСТ аналогичны. Ходовые тележки состоят из рамы и имеют колесный ход, предназначенный для передвижения по рельсовому пути со стандартной колеей 1520 мм. Колесный ход ходовых тележек состоит из двух осей с одноребордными колесами. Каждая ступень РН укладывается перед стыковкой на две тележки. Одна из осей ходовой тележки имеет механический привод. Привод колесного хода обеспечивает управляемое перемещение МСТ на малой скорости (для сближения и выполнения стыковки) и на большой скорости для перемещения в рабочую зону автономных проверок или стыковки. Для перемещения одной ступени вдоль рельсового полотна достаточно одного механизма продольного перемещения на одной из МСТ. Однако, унификация ходовых тележек может стать причиной наличия механизмов перемещения вдоль рельс на обеих тележках. В этом случае механизм передвижения МСТ должен иметь возможность отключаться от колесного хода. Это состояние МСТ используется и при перекате тележек без ступени, как внутри МИКа, так и за его пределами, где рельсовый путь выходит к хранилищам ТК. Поэтому механизмы продольного перемещения ходовых тележек имеют одно- и двухскоростной редуктор с отключающим устройством и ручным приводом. Схемные решения конструкции МСТ для различных элементов РКН, как правило, одинаковы (рис. 6.32). На ходовой тележке устанавливается съемное оборудование, состоящее из подвижных рам. Подвижные рамы МСТ перемещаются механизмами поперечного перемещения, подъема и разворота вокруг продольной оси. Всякое перемещение ступеней РКН осуществляется при работе одного механизма на одной из МСТ, в то время как другая МСТ этой ступени не препятствует такому движению. По этой причине монтажно-стыковочные тележки для одной ступени могут иметь разную конструкцию. 512 3 1 2 5 4 7 6 Рис. 6.32. Принципиальная схема монтажно-стыковочной тележки: 1 – ложемент; 2 – опора; 3 – механизм разворота; 4 – механизм поперечного перемещения; 5 – механизм подъема; 6 – механизм перемещения; 7 – колесный ход Съемное оборудование МСТ включает опорный ложемент, выполненный в виде дугообразной балки, повторяющей профиль ступени в месте ее укладки. Жесткую связь между ступенью и ложементом, препятствующую смещению их друг относительно друга, обеспечивают стяжные устройства, расположенные на торцевых поверхностях ложемента, сочленяемые с рым-болтами, вворачиваемыми в корпус опорного силового кольца ступени. Ступень может опираться на ложемент только этим кольцом. Угловое и линейное перемещение двух ступеней РКН, каждая из которых находится на двух МСТ, выполняется механизмами перемещения ложемента и тех ходовых тележек, которые находятся вблизи стыкуемых плоскостей, что обеспечивает осуществление оперативного контроля за процессом сближения и стыковки. Работа механизма поперечного смещения одного из ложементов МСТ приводит к поперечному смещению и развороту ступени по опорной поверхности, а также к его развороту вместе с опорным ложементом второй, не приводной тележки. 513 Во избежание недопустимых деформаций в корпусе ступени от таких перемещений, сочленение подвижных и неподвижных рам на МСТ выполняется через втулку, в которую входит шкворень съемной рамы ложемента, а опорная поверхность ложемента покрыта резиновым листом. Возможность съема ложемента используется для унификации МСТ под РКН другого типа, вес ступени которой допускает использование одной МСТ. Завершение процесса стыковки двух ступеней РН, расположенных на четырех МСТ, приводит ее к состоянию собранного в единую конструкцию агрегата, характеризующегося статической неопределенностью. Чтобы избавиться от необоснованных по величине реакций опор, две «внутренние» МСТ переводятся в состояние тарированных по усилию опор, или выводятся из контакта с собранной РН. В местах, где весовая нагрузка от собственного веса велика, могут устанавливаться дополнительные тарированные опоры, величина усилий в которых контролируется и создается винтовой парой с пружинной вставкой около ложемента. Кантователи РБ и КА также используют ходовые тележки подобные тележкам МСТ для ступеней РН (рис. 6.33). 1 2 3 S 5 4 Fy 8 α 6 Fy = 2 Sc os α 7 S Рис. 6.33. Кантователь: 1 – опорная крестовина КА; 2 – гидроцилиндр разворота; 3 – гидроцилиндр подъема; 4 – механизм поворота; 5 – механизм передвижения; 6 – тормоз; 7 – колесный ход; 8 – механизм поперечного перемещения 514 Конструктивными особенностями съемного оборудования кантователей как агрегатов стыковки являются: наличие шести механизмов, расположенных на нескольких промежуточных рамах, придающих расположенному на них объекту возможность трех линейных и трех угловых перемещений, поскольку стыковка РБ и КА производится при неподвижном состоянии РН компоновка узлов крепления кантуемого объекта (РБ или КА) выполняется так, чтобы обеспечить максимально возможное совмещение центра масс этого объекта с точкой пересечения осей вращения подвижных рам кантователя; сочленение кантуемого элемента с подвижными рамами (траверсами) выполняется посредством болтового соединения этих рам с силовым фланцем КА (РБ). Схемное решение подвижных рам (траверс) кантователей индивидуально для каждого КА (РБ).В то же время процесс кантования может быть выполнен средствами ППО с привлечением МСТ. 6.3.3. Динамика вертикальной стыковки ступеней РН Опорная стыковка блоков РН основана на использовании механических приводов с ручным управлением, поэтому стыковка с помощью МСТ и кантователей постоянно контролируется по усилию на рукоятках приводов, а потому практически не сопровождается динамическими нагрузками для стыкуемых элементов. Иначе обстоит дело при вертикальной стыковке с использованием кранов (рис. 6.34), в качестве приводов которых используются электродвигатели переменного тока и механические редукторы. Частота движения асинхронных электродвигателей мало зависит от нагрузки, а редукторная часть механизма подъема (опускания) крана достаточно инерционна. Эти обстоятельства неизбежно влекут за собой динамические (дополнительные) нагрузки при стыковке блоков РН (КА). Для анализа этого явления рассмотрим в качестве расчетной схему, изображенную на рис. 6.35. На данной схеме принимаем следующие обозначения: – усилие в канатах подвески; – вес блока Б; А – неподвижный блок РН. 515 Рис. 6.34. Стыковка элементов РКН Б А Рис. 6.35. Расчетная схема вертикальной стыковки 516 Процесс стыковки здесь представляет собой «мягкий» удар (рис. 6.36). Анализ этого процесса должен дать рекомендации о скорости спускания ( ) верхнего блока, связав ее с жесткостью обоих блоков. До момента касания опускаемого блока движение равномерно ( ). Принимаем обозначения: – натяжение в канатах подвески; – реакция опоры (блока А); – абсолютное значение деформации перемещения. Передача веса (при ) на блок А сопровождается снижением усилий в канатах подвески , где , – жесткость блока А. передача веса зона динамических нагрузок Б Рис. 6.36. Схема проведения вертикальной стыковки 517 передача веса контакт А опускание 0 Одновременно с этим увеличивается реакция опоры , таким обра- зом: справедливо до момента передачи всего веса блока Б на опору (блок А). При ( ) в момент полной передачи веса , усилие жает расти, что и приводит к динамическим эффектам нагружения. Для начала динамического нагружения можно принять, что ; ; ; а уравнение движения блока Б с массой в виде: или, введя обозначения продол- ; (*), для может быть записано , , его можно переписать в виде ; . (6.7) Общее решение однородного уравнения, соответствующего уравнению (6.7), имеет вид , где – постоянные интегрирования. Частное решение уравнения (6.7) можно найти из условия , тогда . Отсюда решение уравнения (6.7) примет вид или с учетом принятых начальных условий (*) , (6.8) Здесь первое слагаемое описывает динамику стыковки, а второе статическую компоненту этого процесса. Одним из основных ограничений стыковки является перегрузка, которую испытывают ступени. С учетом выражения (6.8) максимальное значение перегрузки может быть оценено по соотношению , откуда для обеспечения технических условий безопасной эксплуатации ( ) следует ограничение на скорость опускания груза и жесткость конструкции РКН . 518 6.4. Стендовое оборудование 6.4.1. Назначение и состав стендового оборудования Стендовое оборудование ТК РКК – совокупность технических средств, предназначенных для обеспечения возможности проведения контрольноизмерительных, автономных и комплексных испытаний КА (КГЧ, РН) и их составных частей с участием контрольно-проверочной аппаратуры, а также агрегатной и полной сборки КА (КГЧ, РН), проверки ее качества и определения массовых и геометрических параметров собранных изделий, выполняемых с привлечением подъемно-перегрузочного оборудования (ППО), электрооборудования (ЭО) и средств обслуживания. 1. Монтажно-стыковочные стенды (рис. 6.37) обеспечивают установку и перемещение КА (КГЧ, РБ, РН) и их составных частей с шестью степенями свободы, снабженных системой контроля обезвешивания. Рис. 6.37. Монтажно-стыковочный стенд 2. Стенды комплексных испытаний необходимы для выставления заданного положения осей КА (КГЧ, РБ), подсоединения электро-пневмогидрокоммуникаций и средств термостатирования в процессе проверки функционирования взаимосвязанных систем КА (КГЧ, РБ). 519 3. Стенды автономных испытаний солнечных батарей (рис. 6.38) позволяют выполнять проверку раскрытия элементов солнечных батарей и измерять их вольт-амперные характеристики. 3 3 3 1 1 2 Рис. 6.38. Стенд проверки солнечных батарей: 1 – основание стенда; 2 – стойка со светоизлучающими приборами; 3 – панели солнечных батарей 4. Стенды обезвешивания (рис. 6.39) при наземных проверках снижают весовые нагрузки с элементов КА (КГЧ, РБ), раскрываемых в условиях невесомости. H R H>>R Рис. 6.39. Стенд обезвешивания 520 5. Технологические стенды включают в свой состав совокупность технологических тележек, роликовых опор и устройств для обеспечения необходимых перемещений при проведении автономных испытаний КА (КГЧ, РБ, РН) и их составных частей. Рис. 6.40. Стенд взвешивания 6. Стенды взвешивания (рис. 6.40) позволяют определять массу и координаты центра масс КА (КГЧ, РБ) и их составных частей. 7. Сборочные стапели предназначены для горизонтальной сборки КГЧ (РН). 8. Стенды грузовых испытаний обеспечивают технологические освидетельствования элементов ППО. Состав и характеристики элементов стендового оборудования специфичны для каждого КА (КГЧ, РБ). Конструктивно-компоновочные схемы стендов и стапелей адаптированы под функции каждого КА, его геометрические и массовые характеристики. Номенклатура стендового оборудования для каждого КА (КГЧ) может быть представлена неполным из указанного выше перечнем элементов или содержать стенды, функции которых сгруппированы в одном или нескольких агрегатах. Стендовое оборудование КА как средства окончательного монтажа и сборки, по сравнению с МСО РН (РКН), отличает большая совокупность технологических операций, выполняемых с более высокими требованиями к качеству их проведения. 521 6.4.2 Особенности механосборочных работ для КА Выполняемые с использованием СО технологические операции характеризуются сложностью, комплексностью, а в ряде случаев уникальностью монтажно-стыковочных и контрольно-проверочных работ с КА в условиях низкой интенсивности их запуска, что оправдывает низкий уровень их автоматизации и механизации. В процессе подготовки КА на ТК проводятся проверки функционирования всех его систем, агрегатов и узлов. Адекватность таких проверок условиям полета (по невесомости) достигается обезвешиванием. Задача стендов, где это происходит – имитировать условия невесомости. Кроме того, следует учитывать, что раскрываемые в космосе конструкции, имеют малую жесткость и прочность, а их приводы обладают малой мощностью. Поэтому без стендов обезвешивания наземные проверки КА не выполнить. Системами обезвешивания оснащаются стенды, в которых выполняются проверки срабатывания приводов раскрытия и работоспособности солнечных батарей, антенных устройств и других элементов КА, переводимых в рабочее положение в орбитальном полете. Системы обезвешивания представлены в технологическом оборудовании широким классом разнообразных устройств, конструкция и принцип действия которых учитывают не только вес сопрягаемого с ним элемента, но и его кинематические и динамические характеристики, проявляющие при переводе его в рабочее положение. Обезвешивание для раскрываемых элементов создается: механическими системами, с применением канатов, противовесов, пружин, роликов, рычагов, и шарниров (рис.6.41). электромагнитной подвеской; силой аэродинамической струи; аэростатической подвеской. Системы обезвешивания создают равнодействующее усилие, уравновешивающее силу веса, приложенную к центру масс агрегата (узла). Кинематика системы обезвешивания остается неизменной в течение всего процесса испытаний. Проверка работоспособности раскрытия солнечных батарей проводится с фотопреобразователями или с их весовыми макетами, которые крепятся на каркасах панелей солнечных батарей. 522 a) b) He c) F F F G G G d) e) F F G Рис. 6.41. Схемы устройств обезвешивания: a – c амортизатором; b – с противовесом; c – при помощи баллона с лёгким газом; d – при помощи пружинных опор; e – газовой струей. Один из вариантов работы системы раскрытия совместно с системой обезвешивания представлен на рис.6.41. Последовательность операций раскрытия включает: сочленение пружинных опор обезвешивания с каркасами солнечных батарей; разворот сложенных секций каркасов панелей в радиальном направлении; тарировку и установку качалок для отдельных секций батарей; разворот открытых секций на угол 900. Выполнение технологических операций с использованием СО характеризуется сложностью, комплексностью, а в ряде случаев уникальностью монтажно-стыковочных работ. В условиях низкой интенсивности запусков каждого КА, низкий уровень автоматизации и механизации СО, вероятно, оправдан. 523 6.4.3. Статическая и динамическая балансировка, юстировка КА КА, снабженные двигательной установкой, должны быть собраны так, чтобы центр их масс находился на линии тяги двигателя. В противном случае при работе двигателя появляется постоянный отклоняющий момент, ухудшающий маневрирование аппарата. Совмещение центра масс с продольной осью аппарата, на которой установлен двигатель, обеспечивается статической балансировкой КА. Такая балансировка проводится после окончательного укомплектования и сборки КА на ТК. Допустимое отклонение положения центра масс от продольной оси КА задается в виде «трубки» с радиусом от десятых долей до нескольких десятков миллиметров, в зависимости от габаритных размеров, массы КА, а также от системы управления и задач, решаемых аппаратом. Проверка положения осей КА сводится к задаче его динамической балансировки – совмещение главных осей инерции с геометрическими осями связанной системы координат КА (если для автомобильных колес динамическая балансировка проводится для одной оси, то для КА – сразу для трех осей). Совмещение главных осей с осями стабилизации достигается, прежде всего, в процессе компоновки КА, однако в реально изготовленном аппарате положение главных осей отличается от расчетного. Еще большую несогласованность расположения осей придает монтаж и укомплектование приборами бортовой аппаратуры специального назначения, выполняемой при окончательной сборке систем КА на ТК. Поэтому для СО помимо традиционных сборочных работ (сочленения узлов, агрегатов) необходимо оценить динамический дисбаланс, устранить его, и лишь после этого завершить окончательную сборку. Определение величин и положения главных осей инерции КА в большинстве случаев сводится к нахождению эллипса инерции аппарата, как твердого тела, относительно его геометрических осей. Требуемая точность положения, в зависимости от типа КА составляет 0,10,5%. Методы определения моментов инерции носят названия маятниковых и динамических. 524 Маятниковые методы основаны на придании испытуемому объекту крутильных и качательных колебаний, с определением искомого момента инерции по параметрам колебаний. Динамические методы основаны на вращательных движениях испытуемого тела, с замерами параметров этого движения. Для КА и его агрегатов предпочтение отдается маятниковым методам, обеспечивающим более высокую точность. Маятниковый метод включает в себя операции определения значения главных центральных моментов инерции и углов рассогласования между геометрическими осями КА и осями эллипсоида инерции. Стенды для этих измерений включают в себя установочную платформу, жестко связанную с одним концом торсиона второй конец которого закреплен на основании стенда. Для измерения моментов инерции (рис.6.42) КА с платформой закручивают на угол 10 – 30 и затем отпускают. При этом система КА платформа совершает периодические, медленно затухающие колебательные движения практически с постоянным периодом (T). Измерительные устройства стенда определяют длительность периода колебаний с точностью до 104 с. Для того, чтобы разгрузить торсион от сжимающих нагрузок и снизить трение платформы о корпус стенда, они снабжаются аэростатическими подшипниками. Жесткость торсионов подбирают с таким расчетом, чтобы период колебаний системы находился в пределах 2-5 с, а для повышения точности измерений исследуют не одно, а 20-50 колебаний. В начале измеряют период колебаний платформы стенда и средств крепления на нем КА. При этом, момент инерции платформы Jпл определяется по выражению 2 J ПЛ kTПЛ , (6.9) где k ,TПЛ коэффициент жесткости торсиона и период колебания платформы соответственно. Далее на платформу стенда устанавливают технологический эталон моментов инерции измеряют период колебаний платформы и эталона TЭТ 2 . J ЭТ J ПЛ kTЭТ Здесь J ЭТ рассчитанный аналитически момент инерции эталона 525 (6.10) X O1 X O1 Y Z Z O1 O1 X O1 Y Y Z X O1 6 O1 Y 7 i 1 5 3 2 O1 8 4 Рис. 6.42 Стенд определения моментов инерции: 1 КА; 2 торсион; 3 – аэростатический подшипник; 4 – оптический датчик периодов колебаний; 5 – противовес; 6 переходник; 7 поворотное устройство; 8 – гидроцилиндр механизма наклона. Затем эталон снимают, а вместо него устанавливают КА и измеряют период колебаний оснастки с КА (TКА), при этом справедливо равенство 2 J КА J ПЛ kTКА . 526 (6.11) Решая уравнения (6.9), (6.10), (6.11) в системе, имеющей три неизвестных k , J ПЛ , J КА определяют искомую величину J КА 2 2 TКА TПЛ J ЭТ . 2 2 TЭТ TПЛ Точность расчета J ЭТ составляет: по массе до 0,005%; по положению центра масс 0,001мм; по значению момента инерции до 0,005%. При этом значение J ЭТ выбирают близким к измеряемому моменту инерции аппарата. Полученные в результате такого рода измерений значение J КА не дает представление о значении и расположении главных моментов инерции аппарата (Jx , Jy , Jz). Однако, связь между ними, как известно, записывается соотношением J КА md 2 J x cos 2 J y cos 2 J z cos 2 . (6.12) Здесь m, d масса КА и расстояние между координатой центра масс и началом связанной с КА (геометрической) системы координат. Значения m, d должны быть определены предварительно на стендах по статической балансировке. Величины , , углы направляющих косинусов геометрической системы координат и осей эллипсоида инерции. Идеальный случай балансировки КА соответствует условиям: 0; 0; 0; d 0. Однако, реальная балансировка сводится к получению реальных значений , , и d, а также Jx , Jy , Jz и сравнению их с заданными. Поскольку уравнение (6.12) имеет шесть неизвестных Jx,Jy,Jz , , , , то для получения каждого из этих параметров необходимо выполнить шесть измерений, изменяя для каждого из них положение геометрической системы координат КА. С этой целью изменяется положение оси качения стенда. Решив систему уравнений i 1,...,6 ; J i КА md 2 J x cos 2 i J y cos 2 i J z cos 2 i , где i порядковый номер измерения; значения m и d определяются при статической балансировке КА; i, i, i углы разворота КА на стенде, получают значения искомых неизвестных. Углы i , i , i изменяют в каждом измерении путем разворота платформы стенда, для чего он оснащен специальной качалкой и поворотным устройством (см. рис 6.42). 527 В тех случаях, когда значения не удовлетворяет заданным требованиям, проводят динамическую балансировку КА по каждой из его геометрических осей. Второй метод динамических балансировок применяется для КА, стабилизируемых вращением вокруг продольной оси. В таких случаях производится динамическая балансировка оси. Стенды для этих исследований значительно проще. Динамическая балансировка КА выполняется при его вертикальном положении, т.к. не только устанавливаемые на борт приборы, но и элементы их крепления не предусматривают восприятия в земных условиях знакопеременных нагрузок, возникающих при горизонтальном вращении. Угловая скорость вращения КА в таких стендах ограничена допустимыми перегрузками и должна быть близка к той, которая имеет место в условиях полета. Стенд для динамической балансировки КА вокруг его продольной оси (рис. 6.43) состоит из корпуса и установленного в нем через аэростатический осевой или радиальный подшипники, балансировочного устройства, на котором имеется центральная жесткая опора и четыре периферийных опоры с датчиками, измеряющими реакцию в них. На опоры устанавливается переходник, а на него КА. Связанная с КА система координат строится так, что ее начало находится в вершине жесткой опоры, а вертикальная ось направлена вдоль оси КА и балансировочного стенда. Расстояние от начала координат до каждого из четырех датчиков одинаково и точно определено. После установки КА на стенд и начала вращения, платформа опирается на три точки, из которых одна центральная (жесткая), а две других появляются автоматически и обусловлены инерционными свойствами испытуемого КА. Каждая из периферийных реакций определяется моментом дисбаланса M1 R1l ; M 2 R2l . Эквивалентный для них момент находится как векторная сумма M1 M 2 (рис. 6.43). Его модуль составляет углу R12 R22 l , а плоскость действия находится по R R1 arctg ( 2 ) . 528 m1 R2 6 m2 h R1 4 5 H Z Y 3 3 1 2 m1 3 3 r l R1 O M M 1 2 Z l 3 R2 m2 Y Рис. 6.43. Схема динамической балансировка КА: 1 – балансировочное устройство; 2 – центральная опора; 3 – датчики; 4 – платформа; 5 – переходник; 6 – КА. 529 Для обеспечения динамической балансировки КА, сохраняя неизменной статическую балансировку, используют два груза, устанавливаемых на одном радиусе (r) от оси вращения стенда на расстоянии H и H+h соответственно, от его платформы, в плоскости, положение которой дает угол . Величина масс грузов m1 и m2 определяется из равенства M m1 M m2 M1 M 2 , (6.13) где M m1 , M m2 моменты инерции сил, вызванных вращением масс грузов m1 и m2. Значения m1 и m2 выбирают равными (не нарушая статическую балансировку), что дает возможность определить гр , из соотношения (2.6) mгр 2r ( H h) mгр 2rH l R12 R22 , откуда l R12 R22 mгр , 2 rh где угловая скорость вращения КА на стенде. Для снижения массы балансировочных грузов, их устанавливают на возможно большие расстояния друг от друга на большем радиусе отсека КА. Для точной установки приборов в заданное угловое положение относительно координатных осей КА, на ориентацию которых нацелена система управления аппарата, используются юстировочные стенды. КА, помещенные на юстировочный стенд, вертикализируют с помощью уровней, устанавливаемых на специальных базовых площадках, положение которых строго ориентировано относительно связанной системы координат КА. Перед выполнением юстировки производят наддув баков КА до рабочего давления, что вызывает упругую деформацию конструкции аппаратов, подобную той, которая возникает в полете. Угловое положение оси устанавливаемого прибора относительно координатных осей КА задается следующими двумя углами: 1. Азимутом (углом в горизонтальной плоскости, который отсчитывается от одной из горизонтальных осей); 2. Углом места (наклоном оси прибора относительно горизонтальной плоскости). 530 Юстировка выполняется с помощью теодолитов (рис. 6.44, 6.45) или электрических систем измерения углов. 1 5 3 4 2 Рис.6.44 Схема оптической юстировки по углу азимута: 1 теодолит; 2 КА; 3 базовое зеркало; 4 юстируемое зеркало базовой плоскости устанавливаемого на борт прибора. Рис.6.45. Схема оптической юстировки: 1, 2 – теодолит; 3 – базовое зеркало;4 – юстируемое зеркало. 531 Контрольные вопросы к главе 6 1. Для чего предназначено механотехнологическое оборудование? 2. Назовите основные группы оборудования, которые могут входить в состав механотехнологического оборудования. 3. Назовите, что входит в состав эксплуатационного оборудования? 4. Для чего предназначено подъемно-перегрузочное оборудование? 5. Что входит в состав подъемно-перегрузочного оборудования? 6. Кратко сформулируйте особенности эксплуатации подъемноперегрузочного оборудования. 7. Как классифицируются грузоподъемные машины? 8. Как классифицируются мостовые и стреловые краны? 9. Назовите основные характеристики грузоподъемных машин. 10. Для чего предназначено монтажно-стыковочное оборудование? 11. Что входит в состав монтажно-стыковочного оборудования? 12. Дайте характеристику видам стыковки элементов РКН. 13. Для чего предназначено стендовое оборудование? 14. Перечислить, что входит в состав стендового оборудования. 532 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ГОСТ 21964-76. Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики. ‒ М.: Издательство стандартов, 1995. – 31 с. 2. ГОСТ 34017-2016. Краны грузоподъемные. Классификация режимов работы. ‒ М.: Стандартинформ, 2017. – 18 с. 3. ГОСТ Р 51282-99. Оборудование технологическое стартовых и технических комплексов. Нормы проектирования и испытаний. ‒ М.: Издательство стандартов, 1999. – 24 с. 4. ГОСТ Р 52985-2008. Экологическая безопасность ракетнокосмической техники. Общие технические требования. ‒ М.: Стандартинформ, 2008. – 27 с. 5. ГОСТ Р 53802‒2010. Системы и комплексы космические. Термины и определения. ‒ М.: Стандартинформ, 2011. – 32 с. 6. ГОСТ Р 54317-2011. Комплексы стартовые и технические ракетнотехнических комплексов. Требования безопасности. – М.: Стандартинформ, 2017. – 33 с. 7. Александров М.П. Грузоподъемные машины: учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана , 2000. – 550 с. 8. Инструкция по обеспечению в Вооруженных Силах РФ безопасной эксплуатации подъемных сооружений и оборудования, работающего под давлением, в составе вооружения и военной техники, утвержденная Приказом Министра обороны РФ от 30.10.2015 г. № 662. – URL: http://base.garant.ru/71968672 (дата обращения: 10.03. 2021). 9. Гравченко Ю.А. , Кукушкин И.О., Лагун А.В. Механотехнологическое оборудование: учеб. пособие. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2018. – 188 с. 10. Наземное оборудование ракетных комплексов: учеб. пособие / В.В. Козлов [и др.]. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2015. – Ч. 1. Основы построения комплексов. – 240 с. 11. Основы проектирования ракетно-космических комплексов. Методология обоснования облика комплексов / Г.П. Бирюков [и др.]. – СПб.: Изд-во «Алфавит», 2002. – 395 с. 12. ОСТ 92-9249-80. Агрегаты специального назначения. Ветровая нагрузка. М.: Машиностроение, 1980. 67 с. 533 13. Руководство по организации и обеспечению безопасной эксплуатации вооружения Космических войск (Эксплуатация объектов гостехнадзора военного назначения), утвержденное Приказом командующего Космическими войсками от 23.04.2003 г. № 90. – URL: https://sudrf.cntd.ru/document/420203513 (дата обращения: 10.03.21). 14. СНиП 2.01.07-85*. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия. М.: Машиностроение, 1985. 60 с. 15. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999. – 592 с. 16. Технический регламент таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава» (ТР ТС 001/2011). ‒ М.: ЦЕНТРМАГ, 2021. – 66 с. 17. Бирюков Г.П., Манаенков Е.Н., Левин Б.К. Технологическое оборудование отечественных ракетно-космических комплексов: учеб. пособие / под ред. А.С. Фадеева, А.В. Торпачева. – М.: Изд-во «Рестарт», 2012. – 600 с. 18. Технологическое оборудование ракетно-космических комплексов: учебник / В.В. Козлов [и др.]; под ред. Б.К. Гранкина. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2010. – Ч. 1. Стартовое оборудование ракетно-космических комплексов. – 404 с. 19. Голосюк Н.Ф., Кукушкин И.О., Лагун А.В. Транспортно-установочное оборудование: учеб. пособие. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2018. – 226 с. 20. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения»: приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 12 ноября 2013 года № 533. – URL: https://filling-form.ru/blank_zayav/62085/index (дата обращения: 10.03.2021). 21. Голосюк Н.Ф., Кукушкин И.О., Лагун А.В. Безопасность эксплуатации подъемных сооружений: учеб. пособие. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2015. 163 с. 534
