Сихарулидзе Ю.Г. Баллистика и наведение летательных аппаратов (2-е изд., 2013) (1246775), страница 81
Текст из файла (страница 81)
В рассматриваемом диапазоне начальных расстоянийL0 = 100 ÷ 500 м фактическое удаление СН возрастает на 30 ÷ 40% в зависимостиот массы взрывчатой смеси. Чем больше начальная масса, тем выше скоростьраспространения ударной волны и, соответственно, меньше увеличение расстоянияLLV −CA от центра взрыва до СН в момент прихода ударной волны.Рис. 8.14. Расстояние от центра взрыва до СН в момент прихода ударной волныДля оценки мощности случайных и организованных взрывов обычно используется метод адекватных разрушений. Согласно этому методу, степень разрушенияхарактеризуется тротиловым эквивалентом, т.
е. массой тринитротолуола (тротила),которая создает данный уровень разрушений.При сравнении углеводородного горючего с тротилом следует сопоставитьэнергию детонации тротила с энергией экзотермической реакции углеводородав смеси с воздухом (или кислородом), т. е. удельная энергия экзотермическойреакции должна определяться для совокупной массы газовой смеси, включающейуглеводородное горючее и кислород (воздух)..Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»388Глава 8. Динамика воздушного стартаИз интегральной оценки эффективности взрыва по избыточному давлению нафронте ударной волны и времени ее распространения можно установить, что навысоте 10 км взрыв 10 т смеси керосина с кислородом примерно эквивалентенвзрыву 21.5 т тротила (рис.
8.15). Соответствующее сравнение взрыва 88 т топлива и 200 т тротила иллюстрирует рис. 8.16.Рис. 8.15. Избыточное давление и время движения ударной волны при взрыве 10 т топливаи 21.5 т тротилаОсновываясь на полученных результатах численного моделирования, можно оценить тротиловый эквивалент высотного взрыва в атмосфере равномерноперемешанной парогазовой смеси керосина с кислородом в стехиометрическомсоотношении [8.7]:1 кг топлива эквивалентен примерно 2.2 кг тротила.(8.4.4)Отсюда, с учетом соотношения масс окислителя и горючего в ракетном топливе(km = 2.62) можно получить, что1 кг керосина эквивалентен примерно 8 кг тротила.(8.4.5)Эти оценки являются верхним теоретическим пределом, который найден в предположении «идеальных» условий взрыва: смесь представляет собой однороднуюстехиометрическую массу, и в процессе взрыва она успевает прореагироватьполностью, т.
е. не происходит разброс горючего. Такие условия при взрывепарогазовой смеси в действительности никогда не выполняются..Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»8.4. Определение безопасного расстояния при включении маршевого двигателя389Рис. 8.16. Избыточное давление и время движения ударной волны при взрыве 88 т топливаи 200 т тротилаЕсли при взрыве конденсированных взрывчатых веществ (например, тротила)на образование ударной волны в атмосфере расходуется практически вся энергиявзрыва (более 90%), то при взрыве парогазовой смеси в открытом пространствезначительно меньшая доля энергии взрыва переходит в ударную волну, т. е.совершает работу при расширении газа от давления детонации до атмосферногодавления.По оценкам специалистов наибольший теоретический «выход» энергии парогазовой смеси составляет только 25 ÷ 40% (т.
е. отношение энергии воздушнойударной волны к общему энергетическому потенциалу смеси). Остальная частьэнергии взрыва расходуется на нагрев продуктов реакции и воздуха в ударнойволне, т. е. не оказывает прямого разрушающего действия на объекты, которыевстречаются на пути ударной волны.Анализ крупномасштабных промышленных взрывов показывает, что энергиявзрыва, перешедшая в ударную волну, составляет только 0.2 ÷ 7.5% от общейэнергии всей массы аварийных выбросов горючих продуктов, рассчитанной потеплоте их сгорания в воздухе.По официальным рекомендациям для приближенной оценки возможных разрушений при взрыве неорганизованных парогазовых облаков, количество высвобож-.Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»390Глава 8. Динамика воздушного стартадаемой энергии может составлять от 2% (нижний предел) до 10% (верхний предел)от общего значения энергетического потенциала.Для случайных (неорганизованных) взрывов условия адекватности уровняразрушения приближенно определяются следующим уравнением энергетическогобаланса ударных волн, порождаемых взрывами парогазовой смеси и тротила [8.7]:0.4mmxt zqmxt = 0.9mTNT qTNT .(8.4.6)Здесь коэффициенты 0.4 и 0.9 определяют доли энергии взрыва парогазовойсмеси и тротила, которая затрачивается непосредственно на формирование ударныхволн; mmxt и mTNT — массы горючего вещества во взрывчатой парогазовой смесии тротила; qmxt и qTNT =4.52 МДж/кг — значения удельной теплоты сгорания горючего в парогазовой смеси и тротила; z — доля общей массы горючего вещества,участвующая во взрыве.Для неорганизованных паровых облаков в открытом пространстве с большоймассой горючих веществ можно принять z = 0.1.
Остальная часть горючих веществрассеивается или сгорает без взрыва при последующем пожаре.Используя уравнение (8.4.6), где qmxt = 43 МДж/кг — удельная теплота сгораниякеросина, qTNT =4.52 МДж/кг и z = 0.1, можно приближенно рассчитать тротиловый эквивалент взрыва 1 кг керосина в парогазовой смеси:meqvTNT = 0.42 кг,(8.4.7)т. е. взрыв 1 кг керосина эквивалентен взрыву 0.42 кг тротила.Полученная практическая оценка (8.4.7) для реальных условий взрыва примерно в 19 раз меньше полученной ранее верхней теоретической оценки (8.4.5)для «идеальных» условий взрыва керосина (8 кг).
Обе оценки удовлетворительносогласуются с учетом заданных условий (в 10 раз меньше из-за участия во взрыве1/10 массы керосина и еще в два раза меньше из-за различного выхода энергиив ударную волну при взрыве парогазовой смеси и тротила). Именно практическуюоценку удельного тротилового эквивалента (8.4.7) следует использовать для расчетамощности взрыва по известной массе вылившегося горючего (керосина).Если предположить, что в результате взрыва двигателя первой ступени разрушаются баки обеих ступеней РН «Полет» и все топливо выливается в атмосферу(около 88 т), то масса керосина составит около 24 т.
Следовательно, массатротила, эквивалентная взрыву топлива всей РН на высоте 10 км, равна 10 т.Пересчет эквивалентной массы тротила для взрыва на поверхности Земли даетвеличину 2.8 т из-за увеличения плотности атмосферы примерно в четыре раза.Результаты математического моделирования взрыва 10 т тротила на высоте10 км представлены в табл. 8.7.
Все величины соответствуют точке на расстоянии250 м от центра взрыва [8.7].Если расстояние от РН до СН в момент включения двигателя первой ступенисоставляет 250 м и произошел взрыв двигателя, то в момент, когда ударная волнаот взрыва РН достигнет СН, пройденный ею путь окажется равным примерно350 м. Поэтому избыточное давление на фронте ударной волны в момент, когдаволна догоняет СН, будет порядка 0.02 кгс/см2 . При отражении ударной волны от.Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»8.4. Определение безопасного расстояния при включении маршевого двигателя391Таблица 8.7Параметры воздуха на расстоянии 250 м от центра взрыва 10 т тротилаПараметрыИзбыточноедавление, кгс/см2Скорость, м/сПлотность, кг/м3Скоростной напор, кгс/м2Температура, KВремя от начала взрыва, с0.620.680.901.111.441.660.034425.860.45115.36230.90.00898.910.4231.71225.2−0.0057−4.370.4070.39221.8−0.0008−0.930.4130.018223.10.00030.060.4140.0001223.30.00020.110.4140.0003223.3Примечание.
Отрицательные величины соответствуют отрицательной фазе ударной волны.элементов конструкции СН происходит локальное усиление давления, которое реально воздействует на эти элементы. На высоте 10 км давление проходящей волныудваивается при отражении от препятствия, которое перпендикулярно направлениюдвижения волны. Если угол падения волны меньше 90◦ , то давление отраженнойволны снижается.
При угле падения волны около нуля градусов давление наконструкцию равно давлению проходящей волны.Для уменьшения нагрузок на конструкцию СН желательно уменьшить уголмежду направлением движения волны и строительной горизонталью СН (продольной осью) в момент прихода ударной волны. Оптимальным решением являетсяориентация СН по линии визирования РН—СН в момент, когда ударная волнадогоняет СН.Это условие практически выполняется в проекте «Воздушный старт». С учетомкоэффициента запаса прочности k = 1.5 и того факта, что угол падения ударнойволны на отдельные элементы конструкции СН больше нуля, можно принять расчетную величину избыточного давления от ударной волны для расчета прочностиконструкции СН: Δpds = 0.04 кгс/см2 . Эта величина в 1.5 раза меньше допустимогодавления для самолета Ан-124-100 (0.06 кгс/см2 ). Следовательно, ударная волна,возникающая при взрыве РН в момент включения двигателя, не представляетопасности для конструкции СН, если относительное расстояние в этот моментне менее 250 м.Скоростной напор непосредственно за ударной волной не превышает15÷6 кгс/м2 на расстоянии 250÷350 м.
Ограничение на запуск двигателей самолетаАн-124-100 на аэродроме при ветре из задней полусферы составляет 30 м/с, т. е.скоростной напор равен 56 кгс/м2 . Поэтому можно ожидать, что взрыв РН привключении ее двигателя не приведет к «задуванию» двигателей СН ударной волнойсо стороны сопла и их помпажу.Наибольшую сложность представляет анализ обтекания СН потоком воздуха,когда ударная волна догоняет его сзади. Такие эффекты, как уменьшение подъемнойсилы и силы лобового сопротивления, можно оценить в первом приближении,а более сложные вопросы, связанные с изменением устойчивости и управляемостиСН, требуют дополнительных исследований..Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»392Глава 8.
Динамика воздушного старта8.4.3. Оценка действия осколков на СН. Для оценки вероятности попаданияв СН осколков, образующихся при взрыве РН, необходимо знать распределениеих масс, форм, а также величин и направлений начальных скоростей. Указанныеисходные данные трудно установить как расчетами, так и экспериментально.Поэтому ниже приводятся только приближенные оценки, основанные на качественном анализе для определения вероятности поражения СН осколками, которыеобразуются после взрыва РН в момент включения двигателя первой ступени [8.7].Предположим сначала, что при взрыве РН образуется только один осколок,который с равной вероятностью может лететь из центра взрыва в любом направлении. Используя оценку телесного угла СН из центра взрыва, можно в первомприближении определить вероятность попадания осколка в СН:(1)pСН =0.0024= 1.9 · 10−4 .4π(8.4.8)Здесь 0.0024 стерадиан — телесный угол, под которым виден СН из центравзрыва на расстоянии 250 ÷ 350 м, 4π — полный телесный угол.Следует учесть, что в момент включения двигателя первой ступени РН ориентирована практически по линии визирования РН—СН.
В случае взрыва РНосновная масса осколков будет направлена перпендикулярно оси симметрии, т. е.перпендикулярно линии визирования. Поэтому полученная оценка (8.4.8) должна(1)быть уменьшена, по крайней мере, на порядок: pCH = 1.9 · 10−5 .Осколок, попавший в СН, представляет опасность только в случае разрушениясистем и агрегатов, которые определяют живучесть СН. К ним относятся системауправления, двигатели, система подачи топлива, система электропитания, топливные баки с керосином.Система управления имеет четырехкратное резервирование и организованатаким образом, что одним осколком невозможно разрушить все четыре каналауправления.Даже в случае останова одного двигателя самолет Ан-124-100 может долететьдо аэродрома на трех оставшихся двигателях.Когда происходит десантирование РН, в СН остается примерно 30 т топливав центральном расходном баке. Из него топливо попадает в двигатель по своемутрубопроводу (т. е.
нет резервирования трубопроводов питания двигателей). Поэтому в случае разрушения трубопровода топливо перестает поступать в двигательи будет выбрасываться наружу. В лучшем случае происходит останов двигателяи потеря части топлива, что осложняет достижение аэродрома. В худшем случаеможет произойти возгорание топлива и даже взрыв. Поэтому разрушение осколкомтрубопровода питания двигателя представляет реальную опасность для СН.Система электропитания полностью резервируется, и попадание осколка в одинблок электропитания не представляет опасности для СН.Чтобы исключить возможность взрыва паров керосина при попадании раскаленного осколка в топливный бак, предусмотрена система заполнения свободногопространства бака азотом, который вырабатывается на борту.Следовательно, наибольшую опасность для СН представляет попадание осколкав трубопровод питания двигателя. С учетом того, что площадь трубопровода.Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»Литература к главе 8393существенно меньше площади поперечного сечения СН, оценку вероятностипопадания осколка в жизненно важную систему СН можно уменьшить еще на(1)порядок: pCH = 1.9 · 10−6 .Чтобы осколок достиг кабины экипажа, он должен предварительно пробитьфюзеляж, пол грузовой кабины, транспортно-пусковой контейнер РН и пол кабиныэкипажа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
