Диссертация (1025494), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В частности, в США РКНсоздаются как по государственным программам (РКН Ares, SLS), так и частнымифирмами (РКН Falcon 9, Falcon Heavy, Antares, New Glenn, Electron). В ЕС созданаРН легкого класса VEGA и создается РН Ariane-6. В Китае создано новое семействоРН различного класса Чанчжэн-5,6,7. В России, проведена модернизация РКНсреднего класса «Союз» до версии «Союз-2» (Союз-2а, Союз-2б, Союз-СТ-а, СоюзСТ-б), а также на ее базе разработан новый носитель легкого класса «Союз-1в».Успешно прошли летные испытания двух конфигураций модульной РКН новогопоколения «Ангара».
В Федеральной космической программой 2016-2025 г.г.предусмотренопроектированиеновойРКН«Феникс»иперспективнойсверхтяжелой РКН [62]. Таким образом, выбор объекта исследований – ракетыкосмического назначения, является актуальным.Новые РКН должны обладать улучшенными тактико-техническими иэксплуатационнымихарактеристиками.Приэтом,дляувеличенияконкурентоспособности на рынке космических запусков, требуется проводитьоптимизациюзатратсовершенствованиянаразработку,методоврасчетачтоприводитдинамикиикнеобходимостипрочностиэлементовконструкций.
Эта задача является комплексной, включающей внедрение новейшихкомпьютерных технологий виртуального проектирования и разработки (CAD/CAEтехнологий). Указанные технологии базируются на иерархии математических14моделей, методов и комплексов программ, позволяющих обеспечить созданиевысокопрочныхинадежныхконструкций,удовлетворяющихзачастуюпротиворечивым требованиям по стойкости к воздействию факторов внешнейсреды.
Соответственно, в контексте развития указанных методов возникаетактуальная задача уточнения математических моделей внешних воздействующихфакторов - нагрузок, действующих на различных этапах эксплуатации.На сегодняшний день большинство разрабатываемых и эксплуатируемыхракет-носителей запускаются со стационарных наземных космодромов. Одним изнаиболее сложных для математического описания видов нагрузок на РКН являютсяветровыенагрузки,недетерминированныйпосколькухарактер.ониЭтиимеютнелинейныйнагрузкинестационарныйоказываютсущественноевоздействие на этапах предстартовой подготовки и начального движения РКН вплотных слоях атмосферы. РКН наиболее уязвима к воздействию ветра во времянахождения на стартовой позиции перед пуском, когда основные обслуживающиеконструкции стартового комплекса (СК), защищающие ее от ветра уже отведенына безопасное расстояние, а рядом с РН находится только одна башня СК.
НаРис. 1.1 приведены несколько примеров ракет-носителей, установленных настартовой позиции: РКН «Рокот» (Рис. 1.1,а), разработанная на базе МБР УР-100НУТТХ, а также Atlas (Рис. 1.1,б). Показаны и новые разработки с многоразовымиступенями РКН – это New Sheppard (Рис. 1.1,в), Falcon (Рис. 1.1,г). Дляприведенных примеров характерно наличие вблизи РКН одной башни стартовогокомплекса, габариты и динамические характеристики которой сравнимы спараметрами РКН.Анализ литературы показывает, что уточнение моделей ветровых нагрузок,действующих на этапе предстартовой подготовки является актуальной задачей иимеет важное значение для обоснования основных характеристик ракеты истартового комплекса, а также для их успешной эксплуатации [9, 47].15абвгРис. 1.1.
Ракетно-космические системы: а – РКН Рокот; б – РКН Atlas;в - РКН New Shepard; г – РКН FalconВ частности, ограничением для проведения пуска является предельнаяскорость ветра (в англоязычной литературе обозначается термином wind placard).16Поскольку ветровая нагрузка труднопредсказуема по направлению и скоростиветра, а также зависит от наличия расположенных рядом с РКН элементовстартового комплекса и элементов рельефа, ограничения по допустимой скоростиветра как правило оказываются сильно завышены из-за необходимых запасов.Уточнение предельно допустимых скоростей ветра является актуальной задачейкак для этапа проектирования, так и для этапа эксплуатации РКН.Разрешение на пуск может быть получено как на основании действующихнорм, так и на основании ограничений по скорости ветра в день пуска, полученныхс помощью системы сопровождения пуска.
Такая система, вводится, например, вэксплуатацию для ракет-носителей Delta IV на стартовом комплексе SLC-6 [112].Для принятия решения о пуске используется два подхода: продувки масштабныхмоделей в аэродинамической трубе, в которой можно создать ветровые условия надень пуска, а также оснащение РКН и башни обслуживания системой датчиковнапряжений для контроля колебаний РКН, вызванных воздействием ветра.Корректное моделирование ветровой обстановки в день пуска в аэродинамическойтрубе является трудоемким процессом: сначала на модели в масштабе 1:3000 поизмеренным параметрам ветра с метеостанции производится настройка ветровойобстановки, а затем на модели в масштабе 1:100 производится определениенагрузок.
Указывается, что снятые непосредственно с РКН данные о нагрузкахпозволят уточнить данные, получаемые в аэродинамической трубе и выдать болееобоснованное решение о пуске. Разработка высокоэффективных расчетноэкспериментальных методов сопровождения пуска является новой актуальнойзадачей.Ветровая нагрузка является, по сути, аэродинамической, однако трудность ееопределения вызвана сложностью такого метеорологического явления как ветер.Полной математической модели ветра в настоящее время не существует. Дляописания данного явления используются модели различного уровня детализации,которые можно найти в работах А.С. Монина, А.М. Яглома, А. Давенпорта, идругих авторов [58, 113, 86].
Наиболее детальные модели ветра – это модели17статистической аэродинамики, параметры которых существенно зависят отгеографических данных и высоты над уровнем моря.Исследования, посвященные определению параметров приземного ветра накосмодромах, проводятся практически с самого начала разработки космическойтехники. Для сбора информации о ветре на стартовом комплексе проводятсяспециальные метеорологические исследования, в частности, мониторинг ветровойобстановки, для чего на стартовом комплексе имеются специальные метеостанции.В работе E.R. Marciotto, G. Fisch, L.E.
Medeiros [118] можно найти пример того, какпроводятся измерения параметров ветра в районе космодрома в Алкантаре(Бразилия).Наоснованииданныхизмеренийопределяютсяспектральныехарактеристики пульсаций скорости ветра, распределение ветра по высоте,сезонные изменения параметров [119] и формируются руководства для выборапараметров ветра на стартовой позиции, необходимые для проектирования РКН[135, 105].
Данные с метеостанций используются также для контроля ветра в деньпуска и принятия решения о пуске. Однако метеостанции расположены, какправило далеко от РКН, что вносит неопределенность в данные о ветровой нагрузкенепосредственно на ракету.Обзор литературы показывает, что исследования в области моделированияветрового воздействия на РКН, установленную на стартовой позиции передпуском, ведутся за рубежом с конца 50-х годов 20-го века. Наиболее известныеработы в иностранной литературе связаны с исследованием ветровых нагрузок насверхтяжелую РКН Сатурн-5, которое выполнили D.D. Tomlin, G.W. Jones JR.,M.G. Farmer [136, 120]. Как показано на многократно цитируемом в литературерисунке из работы Джонса и Фармера [120] (см.
Рис. 1.2), воздействие приземноговетра на РКН можно свести к квазистационарной, переменной по высотесоставляющей скорости набегающего потока воздуха и пульсациям скорости,вызванным порывами и атмосферной турбулентностью. Исходное поле скорости18воздуха искажается при обтекании расположенных вблизи РКН преград: башниобслуживания, элементов рельефа и т.п. Обтекание этих преград можетсопровождаться интенсивным вихреобразованием, что ведет к увеличениюпульсационных составляющих скорости. При совпадении частоты схода вихрей ссобственной частотой колебаний конструкции может возникнуть ветровойрезонанс.Рис.
1.2. Ветровые нагрузки на РКН, установленной на стартовой позиции[120]: 1 – квазистатический профиль приземного ветра, 2 – порывы ветра иатмосферная турбулентность, 3 – пульсации боковой силы, 4 - квазистатическаябоковая сила, 5 – квазистатическая сила лобового сопротивления, 6 – пульсациисилы лобового сопротивления, 7 – срыв вихрей, 8 – башня обслуживания.В процессе обтекания РКН возникают аэродинамические силы: силалобового сопротивления и боковая сила, которые можно разделить наквазистатические и пульсационные составляющие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
