Балабух Л.И., Алфутов Н.А., Усюкин В.И. - Строительная механика ракет (1061784), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Меридиональные силы Т и силы сдвига 5, возникающие в сечениях конического сухого отсека, определяются формулами (12 б) Для цилиндрического отсека у=0 и г=й=сопз1 и соотношения (12.1) ... (12.3) упрощаются: ( Ж Л Т,=- — ( + — соз гр; (12А) 2л1с дйз 5= — з(пгр; лЯ Т = — р1«.. (12.6) Силы Т„5 и Тз являются исходными для расчета отсеков. Расчет цилиндрических сухих отсеков, находящихся в средней части корпуса, ведется па наибольшее значение эквивалентной сжимающей силы У„,. При выооре расчетных случаев для конических участков переходных отсеков определяющими являются эквивалентная сжимающая сила Л'зк, и внешнее давление р.
Корпусдвигательного отсека рассчитывают на случай стоянки на стартовом столе, когда отсек нагружен силой реакции от веса ракеты и изгибающим моментом от ветровой нагрузки. Стыковые соединения сухих отсеков рассчитывают, как правило, наслучай наземной транспортировки. Рассмотрим некоторые конструктивные варианты сухих отсеков, основной расчетной силой для которых является меридиональная сила Ть а силы Тз и 5 хотя не равны нулю, но значительно меньше силы Т,. Примером наиболее простого варианта сухого отсека является гладкий отсек в виде неподкрепленной оболочки.
Несущая способность конструкции, нагруженной осевой сжимающей силой, определяется ее устойчивостью. Критические напряжения для цилиндрической и слабо конической оболочки можно найти по зависимостям ~ 8,б. Для неподкреплеппой оболочки, например из магниевого сплава, с параметром К~Й=ЗОО, где Л вЂ” радиус; 6 — толщина оболочки, критическое напряжение о,р=20 МПа, т. е. очень мало.
Если критические напряжения сжатия сравнить с пределом текучести материала, то отношение о р/о =0,1... 0,2. По этому отношению можно судить о неэффективности в весовом отношении конструкции гладких неподкреплснпых отсеков, нагруженных осевой сжимающей нагрузкой. Однако эти конструкции благодаря простой технологии изготовления все же применяют в виде коротких переходных цилиндрических участков, соединяющих баки с сухими отсеками.
Неподкреплепные гладкие отсеки ставят в тех случаях, когда они составляют небольшую долю в весовом балансе конструкции. Примером гладкого сухого отсека может служить часть отсека ракеты «Аджена», примыкающая к баку. Ракета «Лджена» применяется как последняя ступень носителей «Титан-2, -3» и «Лтлас».
Основной оуек корпусы представляет собой цилиндрическую оболочку диаметром В= й00 мм, состоящую из двух частей. Передняя часть выполнена из листов магниевого сплава толщиной 6= 1,8 мм и продольных подкрепляющих элементов — стрингеров. Задняя часть отсека изготовлена также из листов магниевого сплава, но не имеет подкреплений. Толщина оболочки здесь 6=2,5 мм.
На торцах пеподкрспленного отсека имеются шпангоуты. К заднему шпангоуту по периметру прикреплен блок баков. Через этот шпангоут на корпус передается усилие от тяги ракетного двигателя. Расчетная нагрузка для корпуса — сжимающая. 31а Н аиболее широко ие только в баллистических ракетах, йо и в дру.
гих летательных аппаратах применяются стрингерные и лонжеронные отсеки. Конструкции этих отсеков обычно состоят из обшивки, подкрепленной продольными элементами — стрингерами или лонжеронами (как правило, из прессованных профилей), а также поперечными кольцами — шпангоутами. При конструировании отсека очень трудно обеспечить устойчивость обшивки между подкрепляющими элементами. Иногда приходится допускать потерю устойчивости обшивки при сравнительно малой нагрузке. Основными несущими элементами вэтом случае являются продольные подкрепления.
Конструкцию такого типа будем называть л он ж ер он н о й. Малый вес отсека достигается тем, что У ,,', ,4~ удается допустить высокие напряжения в лонжеронах. О ~ ~' Если в соответствии с требованиями эксплуатации потеря устойчивости обшивки недопустима, приходится идти О по другому пути: применять более тол- стую обшивку с частыми продольными О подкреплениями. Это увеличивает критические напряжения обшивки.
Одновременно оказывается возможным уменьРис, 12 1 шить размеры сечений продольных элеЯМФф и ментов. Для увеличения общей устойчивости отсек разбивается на несколько участков шпангоутами. Конструкцию этого типа называют стр и н гери ой. Критические напряжения для стрингерной и лонжеронной конструкций значительно выше критических напряжений для такой же по весу гладкой оболочки.
В этих конструкциях удается достичь относительногочуровня критических напряжений о„„/от = 0,4 ... 0,5. Стрингерные и лонжеронные конструкции отсеков уже много лет применяют в самолетостроении; теперь их используют при создании многих типов ракет. Межбаковый отсек сбрасываемой топливной ступени транспортного корабля «Спейс Шаттл» имеет форму цилиндра длиной 6,87 и и диаметром 8,4 м (рис. 12.1). Он состоит из панелей обшивки, главного к четырех промежуточных шпангоутов, четырех лонжеронов и поперечной силовой балки.
Все панели изготовлены ив алюминиевого сплава, их соединяют сваркой с торцовыми шпангоутами, которыми отсек болтами стыкуется с баком окислителя и баком горючего. Толщина панелей переменная, в каждой из них имеется два внутренних лонжерона и 18 наружных стрингеров треугольного сечения. Одним из вариантов подкрепленной коиструкпии является панельная конструкция. Для сухих Отсеков применяют прессованные или механически и химически фрезерованные панели.
Частые продольные подкрепления в стрингерно-панельной конструкции и- продольные и поперечные в вафельной конструкции позволяют избежать потери устойчивости обшивки. При расчете на общую устойчивость такую конструкцию можно считать конструктивно-анизотропной оболочкбй. 816 Выше мы отмечали, что при сжатии отсека, имеющего продольные и поперечные подкрепления, трудно обеспечить устойчивость тонкой обшивки между подкреплениями. При работе отсека на сжатие обшивка, потерявшая устойчивость, частично выключается из работы.
Чтобы повысить местные критические напряжения этой обшивки, нужно существенно уменьшить расст<ганне между подкреплениями. Такая конструкция приближается к гофрированной. Существует несколько вариантов сухих отсеков гофрированной конструкции. Оболочка (двух- или трехслойная) состоит из одного слоя гофра и одного или двух слоев гладкой обшивки. Листы соединены с помощью сварки или склеивания. Материал - — алюминиевые сплавы или нержавеющая сталь. Применяют гофры различного сечения трапециевидные, синусоидальные, омегообразные и др. Иногда используют конструкции в виде гофрированной обшивки, подкрепленной 111'</1,' '. ' ',: "»', мощными лонжеронами. При расчете на общую устойчивость« замкнутые цилиндрические и конические гофриро- Рис.
12.2 ванные отсеки рассматривают как конструктивно-ортотропные оболочки. Задача выбора профиля гофра состоит в том, чтобы обеспечить высокие местные критические напряжения плоских и скругленных элементов гофра. Гофрированные панели, применяемые в качестве обшивки и имеющие по краям силовые элементы, рассчитывают как конструктивно-анизотропные пластины или пологие оболочки.
При ориентировке гофров вдоль действия сжимающей нагрузки удается получить весьма высокие критические напряжения. Относительные критические напряжения можно повысить до значения <т„р/<т, = 0,7 ... 0,8. Для отсеков, нагруженных преимущественно осевым сжатием, конструкция с продольным направлением гофров является одной из наиболее эффективных в весовом отношении.
На ракетах «Сатурн», «Центавр», «Атлас» широко применяют отсеки, целиком состоящие из гофров, а также конструкции в виде гофрированной обь инки, подкрепленной мощными лонжеронами. Переходный отсек между второй и третьей ступенями ракеты-носителя «Сатурн» (рис.12,2) [171 состоит иа двухсекционной цилиндрической оболочки длиной 1140 мм и диаметром ббЗО мм и конической оболочки длиной 1140 мм и диаметром верхней части 5560 мм. Коническая часть спереди примыкает к баку окислителя третьей ступени, а цилиндрическая часть — к баку гор<очсго второй ступени. В конической части переходного отсека имеется восемь лонжеронов, равномерно расположенных по периметру. Между ними поставлено по семь лонжеронов меньшего сечения.
Цилиндрический отсек имеет вдвое меньше продольных элементов. В торцовых сечениях конической и цилиндрической частей отсека, а 817 также в месте перехода конуса в Пилиидр поставлены замкнутые круговые шпангоуты. Примерно посредине длины каждого отсека установлены шпангоуты меньшей жесткости. Шпангоуты в местах пересечения с лонжеронами скреплены болтами через фитинги. Обшивка — трехслойная из стальных листов (рис. 12.3).
Наружный и внутренний листы имеют толщину 0,2 мм, промежуточный гофрированный слой из листа толщиной 0,05 мм пилообразного сечения приварен к этим листам в вершинах гофра. Каждый элемент продольного гофра гофрирован еще в поперечном направлении. Трехслойный лист суммарной толщиной 4 мм равен по весу сплошному стальному листу толщиной 0,535 мм, ~о имеетжесткость на изгиб в продольном направлении в 140 раз больше. При испытаниях этого трехслойного материала иа растяжение получено разрушающее напряжение 1000 МПа. При сжимающих нагрузках вдоль гофров напряжения, соответствую.
щие потере устойчивости, достигали 560 МПа при нормальной температуре. Рис. 12.3 Для отсеков, нагруженных осевыми силами и давлением, целесообразно применять сотовыи кояструк14ии. Они широко используются как в основных, так и во вспомогательных элементах корпуса носителей и космических аппаратов. Преимущество сотовых панелей, состоящих из листов, прикрепленных сваркой или склеиванием к двум сторонам заполнителя малого веса, заключается в большой жесткости и хорошей местной устойчивости таких панелей, Обычно при проектировании рассчитывают сплошную или каркасную конструкцию, а затем преобразуют ее в эквивалентную конструкцию с сотовым заполнителем. В качестве заполнителя применяют металлы и пластмассы. Наиболее рациональная форма ячеек заполнителя для изотропно нагруженных отсеков — шестигранные соты и вафли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
