Балабух Л.И., Алфутов Н.А., Усюкин В.И. - Строительная механика ракет (1061784), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Рассмотрены расчеты на прочность цилиндрических обечаек и днищ разной формы, а также сфероидальных и торообразных баков. $11Л. Конструктивные схемы и нагрузки Исходными данными для расчетов на прочность баков являются внешние нагрузки и температурное состояние конструкции. Баки в различных расчетных случаях нагружены: 1) давлением наддува р,; 2) давлением столба жидкости пдН, где и.„— осевая перегрузка; Н и 7 — соответственно высота столба и удельный вес жидкости; 3) силами реакции соседних отсеков. В поперечном сечении бака действуют изгибающий момент М, осевая сжимающая сила Л' и перерезывающая сила Я. От внутреннего давления р = ра+ паН (11.1) 10* момента М и сил У и Я в обечайке бака возникают меридиональные Т„окружные Т, и сдвигающие Ь погонные силы. Их наибольшие значения равны Т1 = — 1У! (2Ю) ~ Лй(лба) — раФ2); (11.2) Т, = (р + паН)К; (11.3) 5 =- ЯГ(лй).
(11.4) Положительные значения сил Т, и Т, соответствуют растягивающим напряжениям. Сдвигающая сила 5 в расчетах на прочность баков является менее важным фактором. Значения сил Т1 и Т, в первую очередь определяет выбор того или иного конструктивного варианта бака и, как показывают соотношения (11.2) и (11.3), зависят от давления наддува ра. При малых значениях давления наддува меридиопальная сила Т„возникающая в обечайке корпуса бака, оказывается сжимающей. Сжатая в осевом направлении обечайка может потерять устойчивость.
Напряжения, при которых происходит потеря устойчивости обечайки гладкого бака, весьма невелики. Для повышения устойчивости обе чайки можно применить панели стрингерной или вафельной конструк-- ции. Другой путь — увеличение давления наддува р, в баке. Большие давления р, приводят к растяжению обечайки вдопь образующей. При этом окружные силы Тз по формуле (11.3) оказываются большими. При больших окрУжных растягивающих усилиях баки целесообразно выполнять из высокопрочиых материалов.
Отсутствие осевого сжатия позволяет делать обечайки неподкреиленными. Давление наддува в'иих обычно выбирают так, чпобы в осевом направлении не возникали сжимающие напряжения от силы Ь' и момента М: Суммарные осевые напряжения при этом сравнительно невелики. Однако внутреннее давление создает большие окружные напряжения па =(ро+ и„тН) —, которые оказываются расчетными ф — радиус обечайки бака; Й вЂ” толщина стенки). Примером баков гладкой конструкции могут служить баки ракеты «Атлас» (рис. 11.1). Баки горючего (керосин) и окислителя (жидкий кислород) представляют собой единый блок длиной около 18 м и диаметром 3 м, В середине блока имеется полусферическая перегородка — днище, разделяющая емкости для горючего и окислителя. Обечайка бака изготовлена из 23 отдельных секций. Материал обечайки — нержавеющая холодно- катаная сталь с пределом прочности а„= 1400 МПа и пределом текучести от = 1120 МПа.
Толщина стенок переменная: в передней части Ь=0,25 мм; у заднего днища й =- 1,! мм. Во время всего периода эксплуатации, начиная с изготовлении, в баках поддерживается избыточное давление р„= 0,07 МПа для предотвращения потери устойчивости тонкостенной обечайки. Во время полета ракеты давление наддува в баке горючего р« =- 0,42 МПа, в баке окислителя ре = 0,18 МПа. Днища бака изготовлены сваркой секций из листов той же нержавеющей стали. Нижнее днище заднего бака н верхнее днище переднего имеют конусообразную форму.
Диаметр (3 м) н толщины стенок (0,25 мм) обечаек баков этого типа таковы, что конструкция практически не может работать на сжатие. Секции бака не спо. собны воспринимать сжимающее напряжение выше 20 МПа, что соответствует осевой силе й« = 48 кН, Давление наддува ра = — 0,18 МПа создает осевую растягивающую силу Уп =- !300 кН. Гладкие баки из высокопрочных материалов рассчитывают только на внутреннее давление, значение которого может существенно меняться по длине бака. Поэтому толщина обечайки у переднего днища отличается от толщины у заднего днища в несколько раз. При относительно небольших значениях внутреннего давления бак может быть выполнен из листового алюминиевого сплава.
Окружные напряжения здесь существенно меньше. Обечайка сжата в осевом на- 292 правлении, Расчет ведут в основном наустойчивость как сжатых цилиндрических оболочек с учетом внутреннего давления. Потеря устойчивости может происходить как в упругой, так и в пластической области работы материала.
На участке активного полета ракеты в атмосфере часть бака пад зеркалом жидкости испытывает интенсивный аэродинамический нагрев. Механические характеристики материала обечайки при этом значительно снижаются. Расчет на прочность должен проводиться с учетом влияния температуры. Гладкие баки из листового алюминиевого сплава применяются на ракетах ' кЮпитер», «Редстоун» и др. Цилиндрические участки баков состоят из нескольких секций. Днища представляют собой сегменты сферы и соединены с цилиндрической обечайкой через переходное кольцо. Для повышения напряжений, вызывающих потерю устойчивости бака от осевого сжатия, обечайку подкрепляют продольными и поперечными элементами, Такие баки называют с т р и н г е р н ы м и.
Обечайки стрингерных баков сжаты вдоль образующей. Давление наддува здесь сравнительно невелико. Осевая сжимающая сила по длине бака практически не меняется. При работе на сжатие все сечения равноопасны с точки зрения потери устойчивости, Поэтому такие баки часто выполняют из панелей со слабо изменяющимся сечением. Примером стрингерной конструкции служит бак жидкого водорода сбрасываемой топливной ступени транспортного корабля «Спейс Шаттл» (рис.
11.2). Цилиндрический отсек диаметром 3,4 мм и длиной 23,5 м собран из четырех цилиндрических секций, каждая из которых сварена из восьми алюминиевых панелей. Каждая секция имеет 96 монолитных продольных стрингеров. Поперечными элементами жесткости являются тринадцать промежуточных шпангоутов 2-образного сечения.
Для цилиндрических баков ракет больших диаметров, работающих при небольшом давлении наддува, целесообразно применять так называемую в а ф е л ь и у ю ~конструкцию. Обечайкп бака можно изготовлять из плит алюминиевого сплава. В процессе химического фрезерования ячеек прямоугольной или ромбовидной формы часть материала удаляется. Остающиеся часто расположенные ребра делают оболочку анизотропной.
Обечайку рассчитывают на устойчивость как цилиндрическую конструктивно-анизотропную оболочку, нагруженную осевым сжимающим усилием и внутренним давлением. Значение ги критического напряжения в оболочке зависит, в первую очередь, от изгибной жесткости продольных ребер и жесткости на растяжение окружных ребер.
Баки вафельной конструкции применены в ракетах «Сатурн», «Тор» и др. В ракете «Сатурн» самые большие баки — баки ускорителя первой ступени Б-1С. Диаметр баков составляет 10 и. Изготовлены они из сварнваемого, обладающего высокой удсльпой прочностью прн низких температурах и не имеющего склонности к хрупкому разрушению алюминиевого сплава. Передний бак состоит из двух кольцевых секций, каждая секция — из четырех листов. Обечайка другого варианта бака состоит из листов вафельной конструкции с усиливающими ребрами в продольном и поперечном направлениях, Ребра высотой 50 мм обра. зуют квадратные клетки при толщине оболочки 4,6 мм. Полусферические днища баков высотой 3700 мм изготовлены из того же материала. Передний бак горю~его третьей ступени ракеты «Сатурн-5» — вафельной конструкции, с ячейками ромбовидной формы.
Бак окислителя — чечевицеобразной формы, собршшый из двух полусферических днищ. Соединение днищ друг с другом и с обечайкой осуществляется через прессованный шпангоут таврового сечения. Верхнее днище — трехслойное: внешние слои, в виде тонколистовых полусфер, соединены через промежуточный сотовый слой из стеклопластика, нгршощий также роль теплоизолятора. Рассмотренные баки выполнены по так называемой несущей схеме.
Их особенность состоит в том, что обечайка бака является одновременно и корпусом ракеты, воспринимающим осевое сжатие и изгиб. Баки, расположенные внутри корпуса, воспринимающего внешние нагрузки, называют и о д в е с н ы м и. На бак действуют лишь внутреннее давление и местные силы, передаваемые узлами крепления. При известном давлении наддува, осевой силе и изгибающем моменте погонные силы Т, и Т, в обечайке подвесного бака определяются по зависимостям (11.2), (11.3). В некоторых новых конструкциях ракет встречаются баки сложной конфигурации: сфероидальные, торообразные. Расчет подобных баков па прочность проводится в основном на расчетный случай максимального внутреннего давления. Например, в изображенном па рис, 11,2 топливном отсеке транспортного корабля «Спейс Шаттл» передний бак окислителя имеет сфероидальную форму.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
