Проект твердотопливной ракеты

В плотные слои атмосферы ПУТ различные ракеты входят с разными скоростями. Если ракета большой дальности пуска, то она в разреженных слоях атмосферы приобрела большую скорость и с этой скоростью входит в плотные слои. Если же дальность пуска небольшая, то она входит в плотные слои ПУТ примерно с такой же скоростью, что и прошла АУТ (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - К определению целесообразности отделения БЧ

Таким образом, максимальные нагрузки ПУТ существенно зависят от дальности пуска. Откуда следует, что при пусках на дальности до 300 км, максимальные нагрузки АУТ и ПУТ соизмеримы и корпус ракеты рассчитывается на эти максимальные нагрузки.

При дальности более 300 км максимальные нагрузки ПУТ значительно больше нагрузок АУТ и чем больше дальность полета, тем больше эта разность. Тогда оказывается, что масса корпуса ракеты, рассчитанной по нагрузкам ПУТ, будет больше массы ракеты, рассчитанной по нагрузкам АУТ.

Например, тепловые потоки, подводимые к корпусу ракеты на ПУТ при дальностях чуть более 300 км в пять раз превышают тепловые потоки АУТ. При дальности 600 км тепловые потоки ПУТ уже в десять раз превышают тепловые потоки АУТ.

В связи с изложенным выше, корпус боевой и ракетной части (если БЧ неотделимая) требуется защищать от действия высоких температур при полете на ПУТ, применяя теплозащитные покрытия, за счет чего увеличивается масса ракеты. Здесь необходимо отметить, что с увеличением дальности пусков вес теплозащитного покрытия ракеты увеличивается по закону кубической параболы.

Применение отделяемой в полете БЧ исключает необходимость усиления и применения теплозащитного покрытия корпуса ракетной части, поскольку он рассчитывается на нагрузки АУТ, которые (при больших дальностях) гораздо меньше нагрузок ПУТ. Корпус ракетной части оказывается более легким, а, следовательно, стартовая масса ракеты уменьшается.

Для ракеты с отделяемой в полете БЧ отпадает необходимость в стабилизирующем оперении, поскольку стабилизация на АУТ обеспечивается системой управления, а на ПУТ в стабилизации нуждается лишь БЧ.

Следовательно, применение отделяемой в полете БЧ для ракет большой дальности пуска является не только целесообразным, но и необходимым.

Для управляемых в полете на АУТ твердотопливных ракет отделение БЧ является желательным ввиду необходимости борьбы с нестабильным по величине импульсом последействия при выключении двигателя.

Большой разброс импульса последействия в ракетах с РДТТ является основной причиной низкой точности пусков, что делает целесообразным применение отделяемых БЧ при меньших, чем у ракет с ЖРД, дальностях пуска.

Таким образом, применение отделяемых в полете БЧ позволяет уменьшить стартовую массу ракеты и повысить точность пусков.

Кроме того, применение отделяющихся БЧ увеличивает вероятность преодоления противоракетной обороны противника, т.к. усложняется задача опознавания цели, поскольку корпус ракеты и БЧ движутся по различным траекториям. Радиус зоны поражения, в которой корпус отделяющейся БЧ может подвергнуться механическому разрушению, меньше радиуса зоны поражения корпуса ракеты, имеющего обычно меньшую, чем у БЧ, прочность и жесткость.

3.1 Требования, предъявляемые к системам отделения и их принципиальные схемы

К системам разделения относят системы отделения БЧ, системы разделения ступеней и системы сброса хвостовых отсеков или различного рода обтекателей. Принципиально все эти системы идентичны.

Система отделения БЧ предназначена для ее надежного крепления к корпусу ракеты при помощи быстроразъемного устройства, а также для отделения БЧ в конце АУТ.

Система отделения должна обеспечивать выполнение следующих основных требований:

- надежное крепление БЧ к корпусу при наземной эксплуатации и в полете;

- должна быть компактной и иметь небольшую массу;

- должна обеспечивать надежное отделение БЧ и минимальное ее возмущение при разделении;

- должна быть безопасной и простой в эксплуатации.

Заметим, что под надежным понимают такое отделение, при котором исключается догон отделившейся БЧ корпусом ракеты, а следовательно, и их взаимное соударение. Для этого энергия, используемая для отделения должна быть достаточной, а само отделение происходить в расчетный момент времени по команде СУ.

Не выполнив эти условия, отделение может не произойти вовсе, или БЧ получит чрезмерные возмущения, существенно изменяющие параметры ее движения и увеличивающие рассеивание.

В процессе отделения относительное ускорение, скорость и перемещение корпуса ракеты и БЧ должны быть стабильными от ракеты к ракете и возможно ближе соответствовать расчетным; отклонение их от расчетных приводит к рассеиванию точек падения БЧ.

Требование минимальных возмущений является определяющим при выборе принципиальной схемы системы отделения применительно к конкретной ракете. Учитывают это требование и при выборе момента отделения.

При отделении БЧ может получить два вида возмущений: отклонение вектора абсолютной линейной скорости и угловые скорости вращения относительно ее ЦМ.

Основной причиной, вызывающей отклонения вектора абсолютной скорости, является разброс таких параметров, как импульс тяги последействия двигателя, время срабатывания системы отделения, масса ракеты в момент отделения, энергетические характеристики системы отделения.

Причинами появления угловых скоростей вращения БЧ вокруг собственного ЦМ могут быть: упругие поперечные колебания корпуса ракеты в период отделения, наличие эксцентриситета тяги последействия и эксцентриситета в действии сил механизмов отделения. Заметим, что возмущения вектора абсолютной скорости приводят к отклонению точек падения в результате рассеивания траекторий всего ПУТ, тогда как угловые скорости вращения БЧ, вызывают отклонение точек падения в результате рассеивания траекторий лишь на атмосферном ПУТ вследствие ухудшения условия стабилизации БЧ.

Надежность крепления БЧ к корпусу ракеты должна обеспечиваться на всех этапах эксплуатации от момента пристыковки до момента отделения. Детали средств крепления должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при работах с ракетой при подготовке ее к пуску, при пуске и на активном участке траектории. Средства крепления БЧ ракет подвижных ракетных комплексов, кроме того, необходимо рассчитывать на нагрузки, возникающие при транспортировке.

Компактность и небольшая масса системы являются очень важными для ракет, поскольку увеличение массы конструкции ракеты уменьшает дальность полета, а увеличение габаритов может ухудшить ее аэродинамические характеристики и условия эксплуатации. Желательно, чтобы устройства системы отделения не требовали специальных объемов внутри отсеков, а использовали объемы корпуса ракеты, остающиеся незаполненными. При размещении агрегатов системы отделения над обводом ракеты особенно важно, чтобы их габариты были небольшими в целях уменьшения аэродинамических сил.

Система отделения состоит из механизма крепления БЧ к корпусу ракеты, механизма разведения и элементов электроавтоматики.

Первые крепят БЧ к корпусу ракеты и освобождают БЧ от некинематической связи с корпусом в момент отделения. Вторые сообщают относительное движение БЧ и корпусу. Для сообщения относительного движения механизмы отделения используют либо энергию, аккумулированную в них, либо энергию встроенного потока воздуха.

В качестве средств крепления БЧ к корпусу ракеты обычно применяются быстроразъемные устройства:

- разрывные болты;

- шариковые замки;

- цанговые замки;

- клеммные кольца.

Для ориентации БЧ и корпуса ракеты используются направляющие штыри или шпильки. Разрывные болты, шариковые и цанговые замки, клеммные кольца работают только на растяжение. Направляющие шпильки работают на срез, воспринимая перерезывающие силы и крутящие моменты.

Разрывные болты имеют осевой канал, заполненный пиротехническим составом с воспламенителем, дающим форс пламени, для поджига пиротехнического состава. Канал герметизируется. В момент разделения электрический сигнал подается на воспламенитель, происходит воспламенение пиротехнического состава с выделением большого количества газов, благодаря чему создается высокое давление в канале разрывного болта. От сил давления болт разрывается по ослабленному поперечному сечению (сечение с кольцевой проточкой) и силовая связь двух элементов, скрепленных болтом, нарушается. Разрывные болты просты по устройству, имеют небольшую массу, однако, при большем количестве (более трех) болтов трудно обеспечить одновременность их разрыва. Кроме того, при затяжке разрывные болты требуют применения моментных ключей.

Шариковые замки осуществляют силовую связь между скрепляемыми деталями при помощи шариков, часть поверхности которых опирается на выступы одной детали, а другая часть - на элемент второй детали.

Утапливая шарики в одну из деталей, нарушается силовая связь с другой деталью и происходит их быстрое рассоединение.

Цанговые замки осуществляют силовую связь между скрепляемыми элементами с помощью цангового захвата.

Шариковые и цанговые замки сложнее по конструкции, чем разрывные болты. Их масса больше массы разрывных болтов, однако, они позволяют быстрее соединить детали друг с другом, чем с помощью разрывных болтов.

Разрывные болты, шариковые и цанговые замки могут применяться по одному (при расположении их на продольной оси БЧ корпуса ракеты) или по несколько штук.

В последнем случае они располагаются по периметру поперечного сечения и соединяют между собой стыковочные шпангоуты и корпус ракеты. При центральном расположении (на продольной оси БЧ) разрывные болты или шариковые (цанговые) замки должны иметь большую массу, чтобы обеспечить прочность (нераскрытие) стыка БЧ и корпуса. При расположении их по периметру шпангоуты оказываются нагруженными сосредоточенными осевыми силами в местах постановки шариковых (цанговых) замков и разрывных болтов, что требует усиления и утяжеления шпангоутов.

Клеммные кольца выполняются из шарнирно-соединенных сегментов, имеющих в поперечном сечении корытообразную форму, стяжного винта и разрывных болтов, разрушающих кольцо. КК обеспечивает высокую надежность стыка и разрушения силовой связи между отсеками за счет равномерно распределенной нагрузки по периметру шпангоутов.

Нарушение механической связи БЧ с корпусом ракеты не обеспечивает их надежного разделения. Для разделения БЧ с корпусом необходимо приложить усилие. Это усилие создает механизм разведения.

В зависимости от места приложения и направления действия сил, от действия которых происходит отделение БЧ, возможны три группы механизмов:

- тормозящие (ускоряющие);

- расталкивающие;

- комбинированные.

Первый тип механизмов притормаживает корпус ракеты; второй - расталкивает БЧ и корпус ракеты силами, действующими в направлении их продольных осей; третий - сочетает расталкивание или притормаживание с поворотом корпуса ракеты вокруг ЦМ.

Торможение ракетной части производится следующими средствами:

- тормозными двигателями;

- соплами противотяги;

- аэродинамическими силами (тормозные щитки).

Система с тормозными двигателями практически не вызывает возмущений БЧ и хотя является более тяжелой, чем любая расталкивающая система находит широкое применение.

Сопла противотяги идентичны системе с тормозными двигателями.

Торможение корпуса РЧ аэродинамическими силами возможно на ракетах, у которых отделение происходит в достаточно плотных слоях атмосферы.

Принципиально могут использоваться ускоряющий (двигатель на БЧ) или комбинированный механизмы.

Расталкивающие механизмы действуют на БЧ и корпус силами в направлении продольной оси ракеты. К таким устройствам относятся:

- пружинные;

- пневматические;

- пороховые механизмы (толкатели).

Пружинный толкатель самый простой и надежный (но, как правило, самый тяжелый) может выполняться в виде одной или нескольких автономных толкателей - пружин.

Источником энергии пружинного толкателя является потенциальная энергия сжатия пружины. Для пневматических и пороховых механизмов источником энергии служит сжатый газ.

Пневмотолкатель представляет собой шток с поршнем, помещенный в цилиндр, закрепленный на корпусе ракеты. Ось цилиндра совпадает с осью ракеты. Отделение БЧ происходит в результате воздействия штока на БЧ в момент, когда за поршнем создается необходимое давление при сравнительно малом весе.

Толкатель состоит из корпуса, стакана, цилиндра, порохового заряда и электровоспламенителя. Корпус толкателя закреплен на крышке, соединенный с задним шпангоутом, а стакан толкателя соединен гайкой со втулкой рамы.

Рама состоит из шпангоута, труб и втулки. На трубах рамы закреплены разъемы для электрической стыковки изделия с системой автоматики ракетной части. Механическая стыковка боевой и ракетной частей производится через шпангоут рамы БЧ аналогично стыковке штатных БЧ. На нисходящем участке траектории по команде СУ на отделение БЧ срабатывают электровоспламенители, а затем детонирующие дистанционные удлиненные заряды устройств разрезания клеммного кольца, после чего через 0,1 с - электровоспламенитель толкателя. Клеммное кольцо сбрасывается, рама с ракетной частью отделяется от БЧ, а через 0,1 с толкатель с требуемым усилием обеспечивает разведение БЧ и ракетной части на требуемое расстояние. При этом расстыковываются отрывные разъемы и разобщают цепи приборов боевой и ракетной частей.

На рисунке 3.7 показана одна из возможных принципиальных схем пружинного толкателя. Толкатели удерживаются во взведенном состоянии чеками 1, фиксирующими стаканы 3 в корпусах 4. По окончании пристыковки БЧ чеки 1 удаляют, в результате стаканы 3 опираются на днище корпуса БЧ. При обрыве разрывных болтов пружины 2 разжимаются и расталкивают БЧ и корпус ракеты. Пружинные толкатели являются самыми тяжелыми из расталкивающих механизмов, но зато и самыми простыми.



Рисунок 3.7 - Принципиальная схема пружинного толкателя

Для надежного разделения ракетной части и БЧ выбрали пружинный расталкивающий механизм, как самый простой и надежный. Поэтому при дальнейшем расчете механизма отделения БЧ остановимся именно на пружинном механизме (толкатель).

3.2 Конструкция и расчет механизма отделения

Решая задачи расчета, сделаем следующие допущения:

- угол атаки вследствие его малости полагаем равным нулю;

- угловые колебания ракеты относительно поперечных осей в момент отделения отсутствуют;

- масса корпуса ракеты и аэродинамические силы за время отделения остаются постоянными;

- силами сопротивления штепсельных разъемов и пневматических за малостью пренебрегаем.

Уравнение относительного движения имеет вид:

, (3.1)

где относительное перемещение корпуса ракеты и БЧ;

сила механизма отделения;

аэродинамические силы лобового сопротивления БЧ и корпуса ракеты;

сила тяги в период последействия;

масса БЧ и корпуса ракеты в момент отделения.

Допустим, что расталкивающий механизм включается в действие по окончании периода последействия, поэтому тяга двигателя отсутствует (P = 0).

Необходимое условие отделения - получение положительного относительного ускорения , тогда из уравнения (3.1) имеем

,

откуда необходимая сила отталкивания будет равна

. (3.2)

При выполнении этого условия отделение произойдет, но не исключается догон корпусом ракеты отделившейся БЧ. Таким образом, неравенство (3.2) является необходимым, но недостаточным условием отделения.

Расчеты показывают, что резкое возрастание сил лобового сопротивления происходит при отходе БЧ на некоторую длину L₀. При этом лобовое сопротивление корпуса ракеты возрастает на значительно большую величину (из-за волнового сопротивления, вышедшего из аэродинамической тени переднего торца), чем лобовое сопротивление БЧ (в результате появления донного разрежения). Их величины определяются диаметрами и аэродинамическими формами БЧ и корпуса ракеты.

Таким образом, чтобы надежно определить БЧ, необходимо обеспечить ее отход от корпуса ракеты на некоторую длину L₀ (будем назвать ее достаточной длиной отхода). Расчеты показывают, что длиной отхода L₀ будет

м,

где диаметр корпуса ракеты.

Выполнение этого условия и будет достаточным условием отделения.

Запишем уравнение относительного движения после окончания работы механизма

, (3.3)

Начальными условиями для решения уравнения (3.3) будут

при , ,

где относительная скорость БЧ в конце хода толкателя;

рабочий ход толкателя, который принимаем равным м.

Решение уравнения (3.3) запишется так:

(3.4)

На пути хода толкателя от 0 до 10 скорость возрастает от 0 до V₀, а затем вновь падает до 0. Для надежного отделения в конце его должно быть

при , . (3.5)

Если через обозначить относительную скорость отделения в конце хода толкателя, необходимую, чтобы обеспечить условия (3.5), то систему (3.4) можно записать в виде

(3.6)

Решая систему (3.6) найдем требуемую относительную скорость в конце хода толкателя

м/с. (3.7)

Рассмотрим далее методы определения действительной относительной скорости движения БЧ в процессе работы механизма. Для этого запишем уравнение (3.1) в несколько иной форме:

. (3.8)

Произведем замену переменных:

.

В результате получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Проинтегрировав его левую часть в пределах от 0 до V, а правую от 0 до 10, получим:

м/с, (3.9)

где полная работа расталкивающего механизма.

Запишем выражения для определения работы A_F, совершаемой пружинным толкателем. Сила толкателя в этом случае падает в функции длины его хода по линейному закону

, (3.10)

а полная работа определяется из выражения

Дж, (3.11)

где начальная сила пружины в исходном сжатом состоянии.

Здесь предполагается, что в конце хода толкателя пружина окажется полностью разжатой.

Подставив найденные для работы выражения в выражение (3.9), получим формулы относительной скорости V₀ в конце работы толкателей в функции их конструктивных характеристик. Чтобы надежно отделить БЧ, необходимо выполнить условие .

Допустив и воспользовавшись уравнениями (3.7)… (3.11), найдем требуемые для этого значения расталкивающей силы:

.

Допустив в выражении (3.9) найдем

Н.

Выводы

При написании данного раздела произведен анализ и расчет механизма отделения БЧ. Исходя из анализа и расчетов в качестве средств крепления БЧ к корпусу применили быстроразъемные устройства: разрывные болты, имеющие герметизированный осевой канал, заполненный пиротехническим составом с воспламенителем. Из возможных трех групп механизмов отделения выбраны расталкивающие механизмы, которые действуют на БЧ и корпус силами в направлении продольной оси ракеты. В качестве расталкивающего устройства отделения применили пружинный толкатель.

Пружинный толкатель выбран самый простой и надежный, который выполнен в виде нескольких автономных пружин-толкателей. В результате проведенного расчета расталкивающего механизма отделения БЧ получены следующие данные:

- достаточная длина отхода м;

- требуемая относительная скорость в конце хода толкателя м/с;

- действительная относительная скорость движения БЧ м/с;

- полная работа пружинного толкателя Дж;

- требуемое значение расталкивающей силы Н.

Заключение

В результате выполнения дипломной работы спроектирована одноступенчатая твердотопливная ракета с отделяемой в полете БЧ, управляемая в полете на всей траектории и предназначена для поражения объектов противника, находящихся на удалении до 310 км.

Эксплуатация ракеты возможна при температуре от -40 до +500С и влажности воздуха до 98%. Пуск ракеты осуществляется в любых погодных условиях при скорости ветра до 20 м/с.

Выбрана ККС ракеты, ее основные проектные параметры, конструкционные материалы из которых изготавливаются корпуса отсеков, выбрано смесевое топливо СТ 15/18 с высокими энергетическими характеристиками, что позволило провести баллистический расчет и получить массовые и геометрические характеристики ракеты:

стартовая масса ракеты m₀ = 3911 кг;

масса топлива m_Т = 2453,76 кг;

длина ракеты l_p = 8,38 м;

диаметр ракеты d_p = 0,84 м;

относительное удлинение = 9,94 м.

Проведен баллистический расчет на ЭВМ, в результате которого определены относительная масса ракеты = 0,3849 и относительный запас топлива на борту = 0,6247.

В соответствии с заданием на дипломную работу разработана система отделения БЧ, обеспечивающая надежное крепление БЧ к корпусу ракеты с помощью разрывных болтов. Эти механизмы крепления компактны, имеют небольшую массу, безопасны в эксплуатации и обладают простой конструкцией. В качестве механизма отделения БЧ разработанной ракеты были выбраны расталкивающие механизмы отделения, а именно - пружинные механизмы (толкатели), т.к. они обеспечивают надежное отделение БЧ и минимальное возмущение ее движения в процессе отделения. В проектируемой ракете предложено использовать несколько автономных пружинных толкателей.

В результате проведенного расчета механизма отделения БЧ, вычислено необходимое и достаточное условие отделения, относительная скорость БЧ после разделения, найдены требуемые значения расталкивающей силы, обеспечивающие надежную работу расталкивающего механизма.

Спроектированная ракета полностью отвечает требованиям современного ракетостроения и по своим характеристикам не уступает соответствующим мировым аналогам.

Список источников

1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей / Под ред. В.Е. Алемасова. - М.: Машиностроение, 1989. - 464 с.

2. Белов Г.В. Основы проектирования ракет. - М.: Машиностроение, 1980. - 345 с.

3. Выбор и расчет основных параметров РДТТ: Методические рекомендации по курсовому и дипломному проектированию. - МО СССР, 1983. - 231 с.

4. Золин Б.И., Савин Н.В. Основы теории и конструкции ракет. - М.: Военное издательство МО СССР, 1971. - 324 с.

5. Конструкция управляемых баллистических ракет/ Под ред. А.М. Синюкова. - М.: Военное издательство МО СССР, 1999. - 444 c.

6. Методические рекомендации по проектированию тактических ракет. - Саратов: СВВКИУ РВ, 1980. - 48 с.

7. Николаев О.М. Инженерное проектирование управляемых баллистических ракет с РДТТ. - М.: Воениздат, 1979. - 276 с.

8. Разумеев В.Ф., Ковалев Б.К. Основы проектирования баллистических ракет на твердом топливе. - М.: Машиностроение, 1976. - 356 с.

9. Синюков А.М. Баллистические ракеты на твердом топливе. - М.: Воениздат, 1980. - 178 с.

10. Фахрутдинов И.Х. Ракетные двигатели твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1981. - 223 с.

Размещено на Allbest.ru