Сихарулидзе Ю.Г. Баллистика и наведение летательных аппаратов (3-е изд., 2015), страница 14

Перспективныетранспортные системы, как правило, предполагают неоднократное использованиеускорителей всех ступеней, в том числе и первой.В конце участка полета первой ступени происходит отделение отработавшегоускорителя. Рассмотрим участок разделения.2.1.3.

Разделение ступеней. Участок разделения начинается с момента подачиглавной команды на выключение двигательной установки предыдущей ступении заканчивается, когда отделившийся ускоритель не может влиять на полет последующей ступени. Полет на участке разделения, в основном, зависит от компоновкиЛА, принятого способа разделения и протекает практически одинаково на всехступенях. Компоновка ЛА может быть выполнена по схемам последовательногосоединения ступеней (так называемый «тандем») или параллельного соединения(так называемый «пакет»).

Например, ракета-носитель «Сатурн-5» выполнена посхеме тандем [2.5], а ракета-носитель «Восток» имеет смешанную схему [2.6].К системам разделения ЛА предъявляются следующие требования:• надежное и безопасное разделение без соударения последующей ступении отработавшего ускорителя,• непрерывное управление обеими частями ЛА до разведения их на безопасноерасстояние,• минимальное возмущение параметров движения последующей ступени,• быстрота процесса разделения для сокращения потерь скорости,• простота последовательности выполняемых операций,• минимально возможное утяжеление конструкций.Для уменьшения возмущающих воздействий и исключения вращательногодвижения на участке разделения за несколько секунд до начала разделения прекращается поворот ЛА по тангажу, т.

е. выдерживается постоянный угол тангажа68Глава 2. Активный участокϑ(t) = const. Уменьшение возмущений от аэродинамических нагрузок достигаетсяпутем ограничения скоростного напора в момент разделения. Последнее налагаетсвои требования на траекторию полета первой ступени.Возможны две основные схемы разделения: холодное разделение и горячееразделение.Холодное разделение, или разделение торможением отработавшего ускорителя предыдущей ступени, имеет место в том случае, когда основной двигательпоследующей ступени запускается после достижения безопасного расстояния ототделившегося ускорителя.Горячее, или огневое, разделение происходит, когда двигатель последующейступени запускается еще до разрыва механических связей между разделяющимисячастями. При этом ускоритель предыдущей ступени отбрасывается струей истекающих газов включенного двигателя.Рис.

2.1. Циклограмма холодного разделения ступеней: 1 — предварительная команда; 2 —запуск управляющего двигателя, 3 — главная команда, 4 — запуск ПРД, 5 — запуск основногодвигателяОбе схемы разделения имеют свои преимущества и недостатки. Холодное разделение чаще всего применяется для тех ЛА, на которых установлены специальныеуправляющие двигатели.

Тогда управляющие двигатели последующей ступенимогут быть включены до выключения управляющих двигателей предыдущейступени, что обеспечивает непрерывность управления в процессе разделения. Нарис. 2.1. показан пример циклограммы холодного разделения [2.7]. Здесь P1 , P2 —тяги основных двигателей предыдущей и последующей ступеней; Fctr 1 , Fctr 2 — тягисоответствующих управляющих двигателей.Преимущество схемы холодного разделения в том, что• разделение происходит под действием небольших сил,• в процессе разделения параметры движения последующей ступени возмущаются мало,2.1. Основные участки траектории полета69• требуется небольшая масса средств разделения (узлов крепления и тормозных пороховых ракетных двигателей — ПРД).Недостатки схемы холодного разделения:• сложная последовательность операций,• дополнительные потери скорости из-за продолжительного времени разделения,• трудности с запуском двигателя последующей ступени при отсутствииуправляющих двигателей.Горячее разделение чаще используется для ЛА, управление которыми осуществляется с помощью основных (маршевых) двигателей.

В этом случае непрерывностьуправления достигается за счет включения двигателей последующей ступени доразрыва связей с отработавшим ускорителем (рис. 2.2). Необходимо защититьхвостовой отсек последующей ступени и верхний бак отделяемого ускорителяот теплового и силового воздействий истекающих газов при включении основного двигателя. Переходный отсек между ступенями должен выполняться в видеферменной конструкции или иметь специальные газоотводные люки для выпускаистекающих газов.Рис.

2.2. Циклограмма горячего разделения: 1 — предварительная команда на дросселирование двигателя, 2 — запуск двигателя, 3 — разделение ступеней, 4 — главная команда навыключение двигателяСхема горячего разделения обладает следующими преимуществами:• быстрота разделения, не дающая практически потери скорости,• простая последовательность операций,• легкость запуска основного двигателя последующей ступени из-за большойосевой перегрузки, создаваемой двигателем отделяемого ускорителя.Недостатки схемы горячего разделения:• значительные возмущения параметров движения последующей ступенив процессе разделения,70Глава 2.

Активный участок• дополнительный расход топлива двигателем последующей ступени до разрыва связей между ступенями,• утяжеление конструкции из-за необходимости дополнительной тепловойзащиты ступеней от воздействия горячих газов и избыточного давления,• сложность расчета и экспериментальных работ по определению газодинамических сил и моментов, действующих на ступени в процессе разделения.Отметим некоторые особенности процесса разделения ступеней с РДТТ. Обычно такие ступени имеют большую тяговооруженность, чем ступени с ЖРД, и меньшее время полета.

Разделение происходит в условиях повышенного скоростногонапора, и это позволяет использовать аэродинамические рули. Отсутствие осевойперегрузки не влияет на запуск РДТТ, а быстрота запуска облегчает задачиуправления и сокращения потерь скорости. Правда, возникает дополнительнаяпроблема, связанная с быстрым и своевременным выключением тяги двигателяпредыдущей ступени. Вводится специальная система отсечки тяги путем отстрелазаглушек, установленных на верхнем днище корпуса РДТТ, или вскрытия набоковой поверхности отсечных люков.При параллельном соединении ступеней ЛА разделение может осуществлятьсяпутем разрыва верхних или нижних узлов связи пакета, а в некоторых случаяхи одновременного разрыва верхних и нижних узлов связи. Затем происходит поворот отработавших ускорителей относительно оставшегося узла связи на некоторыйбезопасный угол, раскрытие этого узла и отвод ускорителей от центрального блока.При одновременном раскрытии узлов осуществляется плоскопараллельный отводотработавших ускорителей с помощью специальных РДТТ разделения.При составлении уравнений движения на участке разделения должны дополнительно учитываться силы, с помощью которых осуществляется разделение.Результатами численного анализа, проводимого с помощью ЭВМ, являютсяопределение надежности разделения частей ЛА, оценка устойчивости и управляемости последующей ступени, выявление рациональной последовательностимоментов выдачи команд.

Надежность разделения проверяется путем построениятраекторий наиболее опасных точек плоскости стыка ступеней ЛА. Важное значение имеет выбор правильного соотношения между моментами времени запускадвигателя последующей ступени, выключения двигателя отделяющегося ускорителя предыдущей ступени и выдачи команды на разрыв связей. При слишкомраннем разделении имеет место потеря скорости из-за недоиспользования топливапредыдущей ступени. В случае слишком позднего разделения затрудняется запускдвигателя последующей ступени из-за уменьшения продольной перегрузки.Если разделение происходит за пределами ощутимого воздействия аэродинамических сил и моментов, например, в конце участка полета второй ступени, то задачасущественно упрощается вследствие уменьшения числа возмущающих факторов.2.1.4.

Участки полета второй и последующих ступеней. Полет ЛА на участкахработы второй и последующих ступеней протекает, как уже отмечалось, в условияхпренебрежимо малых аэродинамических нагрузок из-за разреженности атмосферы.Это позволяет снять ограничение на допустимые углы атаки (не более 2 ÷ 3◦ ) [2.3],которое является обязательным для участка полета первой ступени.

В результате2.1. Основные участки траектории полета71появляется возможность использования оптимальных или квазиоптимальных позаданному критерию качества законов управления.Начальные тяговооруженности верхних ступеней могут быть меньше единицы,поскольку траектория полета на участках работы этих ступеней существенноотклоняется от вертикали. Оптимальные значения начальных тяговооруженностейверхних ступеней, обеспечивающие максимальную величину массы полезнойнагрузки, зависят от рассматриваемой задачи и определяются в процессе выбораначальных параметров ЛА.Как правило, на участке работы второй и последующих ступеней выбираетсятакая траектория, чтобы при отсутствии возмущений углы крена и рысканияравнялись нулю.

Тогда существенно упрощаются условия управления по тангажу,которое осуществляется путем поворота продольной оси ЛА в плоскости прицеливания. По сложившейся терминологии, программой угла тангажа или простопрограммой называют закон изменения угла продольной оси ЛА в начальнойстартовой (инерциальной) системе координат. Обычно программа угла тангажазадается в зависимости от времени ϑ(t) или от кажущейся скорости ϑ(Vph ).Для баллистических ракет главным критерием, определяющим программу углатангажа, является получение максимальной дальности стрельбы при приемлемомрассеивании точек падения боеголовок.