Диссертация (1025494), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Существенный вклад впульсационныесоставляющиесилвносятпроцессыотрывапотокавихреобразования, возникающие при поперечном обтекании цилиндрическогокорпуса ракеты. Интенсивность процессов вихреобразования настолько велика,что при определенных условиях амплитуда пульсаций боковой силы можетпревосходить квазистатическую нагрузку.19В работе Джонса и Фармера [120] приводятся результаты экспериментов пообтеканию в аэродинамической трубе упругих моделей РКН Сатурн 1В и Сатурн 5.Исследовались нагрузки при различных направлениях ветра с учетом влияниябашни обслуживания, модель которой была в экспериментах жесткой.
Показано,что за жесткой мачтой ракета экранируется от ветра, и амплитуда вызванныхветром колебаний снижается. Найдены опасные направления ветров с точки зренияразвития колебаний – это направления 0 градусов (ветер набегает на РКН, а потомна башню), и 135 градусов. Эксперименты показали, что возбуждение колебанийсильно зависит от формы башни обслуживания и от того, заправлена РКН или нет(на заправленной РКН Сатурн 5 ветровые резонансы проявляются меньше).
Длялегкой РКН Сатурн 1В эти зоны опасных азимутов ветра уже, чем для тяжелойСатурн 5. Приведены амплитуды изгибающих моментов в основании РКН взависимости от направления ветра. Показано, что для РКН Сатурн 1Bдинамические нагрузки имеют максимум на скорости ветра от 16,5 до 17,4 м/с чтосоответствует вихревому резонансу с числом Струхаля 0,2. Для РКН Сатурн 5показано влияние коэффициентов внутреннего демпфирования на величинукритической скорости потока (для которой наблюдаются наибольшие колебания)от 18,7 м/с при исчезающе малом демпфировании (отношение декрементаколебаний к критическому К/Ккр = 0,004) до 21,4 м/с при относительно большомдемпфировании(К/Ккр=0,01).Предложенонесколькоаэродинамическихустройств для снижения нагрузок.
В работе A.C. Mackey R.D. Schwartz [125] данырезультаты эксплуатации РКН Сатурн 1B и Сатурн 5. Показано, что для защиты отвызываемых ветром колебаний потребовалось соединить РКН и башнюобслуживания демпфирующей связью.При разработке РКН нового поколения также проводился значительныйобъемэкспериментальныхисследований.Данныепоквазистатическимаэродинамическим характеристикам РКН Арес 1 в том числе и нагрузки настартовом столе приведены в работе F.J. Capone [110]. Методика и результатыпроведения аэродинамических экспериментов для сверхтяжелой РКН SLS20опубликованы в работах J.A.
Blevins и соавторов [129, 109]. В указанных работахприведены только квазистатические нагрузки на ракету и башню обслуживания.На новой европейской РКН легкого класса VEGA опубликованы результатынатурных экспериментов на ветровой резонанс в присутствии башни обслуживанияв работе J.L. Leofanti с соавторами [121]. Экспозиция ракеты VEGA на стартовомстоле в эксперименте составляла 40 часов. Ветер за это время изменялся от нуля до15 м/с (кратковременно в течении 10 минут). В среднем скорость ветра составилаоколо 8,2 м/с. Низшие собственные частоты башни обслуживания РКН VEGAравнялись 0,6 Гц, (изгиб вокруг Y) 1,2 Гц (изгиб вокруг Z) и 1,5…1,6 Гц кручениевокруг Х.
Собственные частоты поперечных колебаний РКН 1.17 и 1,2 Гц, 3.77 и3,8 Гц. В экспериментах осредненное квазистатическое отклонение сечений ракетына уровне 4й ступени составило от 3,5 до 9 мм. Амплитуда колебаний с учетомдемпфера составляла 2 мм на уровне 4й ступени ракеты VEGA. В статьеуказывается, что данный эксперимент был наиболее трудоемким в программеразработки носителя VEGA.Данные аэродинамических экспериментов по определению ветровыхнагрузок на РКН, проведенных в СССР являются закрытыми.
Единственноймонографией на данную тему в открытой печати является работа К.П. Петрова поаэродинамике транспортных космических систем, в которой обобщены результатыпродувок в аэродинамических трубах, выполненных в ЦАГИ [71]. Однако дляновых ракетных комплексов, создаваемых в рамках международных проектовимеются некоторые опубликованные данные.Так значительный объем исследований по ветровому нагружению РКН«Зенит-3SL» был проведен в рамках проекта «Морской старт».
В работе Ю.М.Липницкого, А.А. Дядькина и соавторов [106] обсуждаются результатыэкспериментов по определению квазистатической ветровой нагрузки на ракету,установленную на морской пусковой установке. Максимальная скорость ветра вэксперименте составила 10 м/с. Эксперименты показали влияние на ветровые21нагрузки надстроек, расположенных на морской платформе в непосредственнойблизости от РКН. При азимуте ветра 0 градусов РКН воспринимает всю ветровуюнагрузку, при азимуте 180 градусов ракета оказывалась в вихревом следе занадстройкой - ангаром.
Для указанных азимутов приведено распределениенормальной силы по длине РКН и показано, что низкая надстройка приводит кснижению ветровой нагрузки на 30%. В работе В.К. Кузнецова и Н.К. Петрова [50]рассматриваются вопросы ветровой нагрузки РКН комплекса «Морской старт» вусловиях ветрового воздействия и качки. С учетом качки, в зависимости отнаправления движения волн, допустимая скорость ветра для старта РКН «Зенит3SL» принята равной 8 - 10 м/с.Нагрузки от ветра должны учитываться при решении задач статической идинамической прочности РКН.
Кроме задач прочности решаются задачи расчетавлияния ветра на точность системы наведения ракеты и расчета зазоров междуракетой и башней обслуживания для обеспечения безударного старта. Такжеважными являются задачи усталостной прочности.Важной практической задачей расчета вызываемых ветром колебаний РКНявляется выбор проектных параметров демпфирующих устройств. В работах [136,120, 125] анализируются способы гашения ветровых колебаний РКН Сатурн 5 ипредлагаются различные варианты демпферов. В работе G.A. Hrinda [117]предлагается конструкция демпфера ветровых колебаний нового поколения дляРКН Ares I.
Данная РКН, установленная на стартовой позиции, в силу своейкомпоновочной схемы имеет низкие собственные частоты: первые две изгибныеформы в двух взаимно ортогональных плоскостях равны 0,16 и 0,21 Гцсоответственно. Третья собственная частота равна 1,18 Гц. Рассматривается дваварианта демпферов: демпфер аналогичный применявшимся на РКН Сатурн 5 иAtlas 5, закрепляемый на башне обслуживания, а также новый демпфер,устанавливаемый на отдельной специальной башне. Исследуется эффективностьдемпфера при переходных режимах колебаний, возникающих при порывах ветра.Расчет переходного режима производился в программе MSC Nastran.
В качестве22входного воздействия был выбран единичный синусоидальный импульс,соответствующий по амплитуде максимальному порыву ветра, экспериментальноисследованному на стартовой позиции при 10-дневной экспозиции. Периодимпульса составил 6,25 сек, что соответствовало низшей частоте собственныхколебаний РКН (0,16 Гц). Направления приложения ветровой нагрузки быливыбраны 0, 90 и 45 градусов. После снятия нагрузки анализ режима затуханияколебаний проводился в течении 20 сек и 60 сек.
Колебания носка РКН проходилис максимальными амплитудами порядка 4 м. Использование демпфера позволилоснизить амплитуду в два раза до 2 м. Демпфирующее устройство AVS (Anti VortexShedding) РКН VEGA описано в работе J.L. Leofanti с соавторами [121]. Устройстворазмещено в кормовой части ракеты в месте ее соединения со стартовой площадкойи позволяет изменять низшую частоту собственных колебаний и отстраиваться отвихревого резонанса.Многие расчетных схемы предполагают схематизацию РКН на стартовойпозиции консольно заделанной балкой. В самых ранних работах, например, вработе W.H.Reed [130], представлены результаты расчетов откликов балочноймодели РКН Сатурн 5 на продольный и поперечный порывы ветра, полностьюкоррелированные по высоте.
В работе показана существенная разница врезультатах, полученных с учетом только одного, низшего, тона колебаний и двухнизших тонов.Расчеты ветровых нагрузок производятся в соответствии со стандартами.Ветровые нагрузки на пусковую установку в российской практике определяютсяпо ОСТ 92-9249-80 [68]. Ветровые нагрузки на РКН в США определяются нормамиNASA SP-8008 [128].В ОСТ рассматривается два типа ветрового воздействия: рабочее ипредельное. При рабочем ветровом воздействии допускается эксплуатацияагрегатов или выполнение ими отдельных операций рабочего цикла.
Припредельном ветровом воздействии агрегаты должны сохранять свою прочность,23устойчивость и обеспечивать другие предъявляемые требования. Ветроваянагрузка определяется как сумма статической и динамической составляющих. Подстатическойветровойнагрузкойпонимаетсяаэродинамическоесиловоевоздействие на конструкцию, вызываемое осредненным ветровым потоком сдвухминутным периодом осреднения. Под динамической ветровой нагрузкойпонимается переменное во времени нагружение конструкции, обуславливаемоепорывами ветрового потока с периодом меньше двух минут и инерционнымисилами от вынужденных колебаний, вызываемых этими порывами.Для проведения расчетов ветровой нагрузки конструкция разбивается на рядучастков.
Как показано на Рис. 1.3 расчетная схема представляется в видесосредоточенных сил и масс, приведенных к серединам соответствующихотрезков.Рис. 1.3. Расчетная схема ветровой нагрузки [27]: Fj – ветровая нагрузка на jэлемент конструкции, fij – относительная ордината i-й формы колебаний вj-й точке.Полная ветровая нагрузка на j-й элемент конструкции с круговым сечениемопределяется по формуле:2422 = с + √+ ∑ ,(2.1)=1где с – статическая нагрузка на j-й участок конструкции, –пульсационная нагрузка на j-й участок конструкции, – инерционная нагрузкана j-й участок конструкции при колебаниях по на i-й форме, – число учитываемыхформ колебаний.Стоит отметить, что ветровая нагрузка в ОСТ [68] приводится кквазистатической.
Для учета вклада пульсационной нагрузки предлагаетсяиспользовать следующее выражение: = ∙ ∙ с ∙ A,(2.2)где – число стандартов нормального распределения, соответствующеезаданной вероятности непревышения , – коэффициент вариации скоростногонапора, с – статическая нагрузка на j-й участок конструкции, A – коэффициентамасштаба конструкции.Для инерционной нагрузки предлагается использовать следующеевыражение: = ∙ ∙ ∙ ∙ ,√(2.3)где – число стандартов нормального распределения, соответствующеезаданной вероятности непревышения , – масса j-ого участка конструкции, – приведенное ускорение середины j-ого участка при колебаниях по i-ой форме, – спектральный коэффициент, – коэффициент, учитывающий несинхронностьпульсаций ветрового воздействия на конструкцию, – коэффициент затухания.В научно-техническом отчете [26] конструкция стартового комплекса РКН«Рокот» моделируется конечно-элементной моделью, а ветровое воздействие напредставляется детерминированным гармоническим процессом, эквивалентнымслучайному процессу на частотах, соответствующих первым собственным25частотам конструкции.
Для определения параметров эквивалентного расчетноговетрового воздействия в отчете проводится предварительная оценка параметровсвободных квазигармонических колебаний системы с учетом нелинейностейсвязей.Для вычисления локальных ветровых нагрузок на стержневые элементыферменных конструкций стартового комплекса в работе В.А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
