Область техники
Изобретение относится к области техники, связанной с устройствами, в которых происходит взаимодействие высокоскоростных текучих сред с твердыми телами.
В основном изобретение относится к ракетной технике, в том числе к РКТ. При этом изобретение может быть использовано в устройствах, в которых происходит взаимодействие СПС с элементами ПУ.
Наиболее эффективно отличительные признаки изобретения могут быть реализованы при создании ПУ РКН легкого, среднего и тяжелого классов.
На базе изобретения могут быть построены элементы ПУ, а также такие ее конструктивные элементы, которые передают упругие механические волны, порождаемые как самими СПС, так и указанным взаимодействием.
Основное назначение изобретения - совершенствование газоотводов (газоходов), газоотводных лотков и газоотражателей, а также проемов ПУ и насадок, разрабатываемых в условиях ограничения по габаритам, в частности, размещенных на самоходных плавучих или притапливаемых платформах МСК, предназначенных для пуска РН с многосопловыми ДУ.
Уровень техники
Вся история развития РКТ неразрывно связана с задачей увеличения массы полезного груза, выводимого на орбиту. Поиск решений этой задачи в основном осуществляется в двух направлениях: 1) увеличение мощности ДУ; 2) уменьшение массы РН.
Движение в последнем направлении породило множество исследований, связанных со снижением в момент запуска РН нагрузок, возникающих при взаимодействии СПС с элементами ПУ и с хвостовой частью РКН.
Хорошие результаты были получены при разработке ПУ с двускатным газоотводным лотком французской РН Ариан, существенным развитием которой явился проект ОАО РКК «Энергия» им. С.П.Королева по созданию ПУ, выполненной с возможностью разделения СПС боковых и центрального блоков ДУ, что позволило заметно уменьшить не только массу защитного обтекателя РН, но и размеры газоотводного лотка (патент RU 218064 C1).
Такая ПУ принята в качестве прототипа. Его существенным признаком является наличие в нем газоотвода.
При этом газоотвод прототипа включает: а) проем, боковые стенки которого установлены за пределами границ сверхзвукового участка СПС при старте и последующем отходе РН от стартового сооружения; б) размещенный под таким проемом многоскатный, например двускатный, лоток, изолирующий в месте встречи с ним СПС области течения отдельных газодинамически взаимодействующих струй; в) с разделительным ребром, расположенным в проходящей между периферийными группами сопел плоскости симметрии ДУ; г) с отверстием, предназначенным для слива центральной струи СПС через дополнительный лоток или г') с желобом, находящемся под центральной группой сопел ДУ, притом, что образующие лотка и желоба совмещены с упомянутой плоскостью симметрии.
Заявляемые изобретения призваны усовершенствовать прототип, к недостаткам которого относится следующее.
1) Конструкция ПУ, боковые стенки проема которой на всем протяжении начального периода пуска РН (с момента запуска ДУ до отхода РН от ПУ) непременно будут находиться за пределами границ сверхзвукового участка СПС, не позволяет строить компактные установки, например, годные к применению в МСК. Дело в том, что при реализации такого признака требуется проем с большой площадью поперечного сечения, поскольку упомянутые границы при различных штатных ситуациях и с учетом эффекта Магнуса могут значительно отстоять от РН. И здесь важно то обстоятельство, что причиной возрастающего воздействия механических колебаний на РН в момент ее отхода от ПУ является не столько взаимодействие с боковыми поверхностями проема СПС, сколько их взаимодействие с его верхней поверхностью, например в области ее контакта с боковыми поверхностями, а также попадание последних во внутреннюю область характеристической поверхности вырывающихся по периферии ДУ из сопел продуктов сгорания ракетного топлива, составляющих впоследствии СПС.
2) Изолирование областей течения отдельных газодинамически взаимодействующих струй ДУ в месте их контакта с элементами ПУ - трудно решаемая задача, особенно в момент отхода РКН. Проблема заключается в том, что в связи с наличием внутреннего трения и вязкого течения (которым в общем случае пренебрегать нельзя) на практике в процесс газодинамического взаимодействия втянуто множество постоянно меняющих свое положение в пространстве микро- и макроструй, в том числе каждой отдельно взятой струи, вытекающей из любого сопла.
3) Установка упомянутого ребра в упомянутой плоскости также трудноосуществима, тогда как в случае незначительного отклонения первого от второй возможно возникновение биений. В то же время при точном расположении упомянутого ребра в упомянутой плоскости появляется симметрия возбуждения СПС механических колебаний с обеих сторон от такого ребра, что может привести к возникновению резонансных явлений.
4) Выполнение в лотке отверстия для слива центральной струи ДУ требует сильного приближения к ДУ лотка ПУ - динамика пуска РН предполагает обращение к различным процедурам управления потоком СПС, в том числе к их сведению (к оси РН), при котором область раздельного течения струй различных блоков ДУ находится уже в непосредственной близости от последней.
5) Совмещение образующих поверхности лотка и поверхности желоба с плоскостью симметрии РН предполагает расположение боковой плоской и вертикальной грани либо боковой вогнутой в толщу лотка поверхности желоба непосредственно посередине между центральной группой сопел ДУ. Такое конструктивное решение приводит к отклонению практически половины центральной струи ДУ в сторону струй периферийных сопел, определяя заметное взаимодействие между таковыми.
В то же время несмотря на указанные недостатки с учетом некоторой корректировки отличительные признаки прототипа могут дать заметный эффект и их сочтено целесообразным использовать в заявляемых изобретениях в качестве частных отличительных признаков.
Принцип работы прототипа заключается в следующем.
РН устанавливают на ПУ. После запуска ДУ во время старта и последующего отхода РН от ПУ за счет большой площади поперечного сечения проема и/или за счет сведения СПС к оси РН исключают попадание сверхзвуковых участков струй на боковые поверхности проема. В то же время стремятся изолировать друг от друга области течения газодинамически взаимодействующих СПС ДУ в месте их встречи с элементами ПУ. Для этого используют некий специальный двускатный лоток, отводящий в различных направлениях СПС периферийных сопел ДУ и некий дополнительный специальный лоток, например, выполненный в виде желоба для независимого отвода СПС центральной группы сопел ДУ.
Безусловно, реализация на практике способа запуска, описанного в прототипе, должна значительно снизить воздействие на РН механических колебаний, порождаемых взаимодействием СПС друг с другом и с элементами ПУ, однако сложность реализации такого способа (о чем, в частности, говорилось выше), а также отсутствие сведений о конструкции соответствующих специальных лотков, например лотка, изолирующего газодинамически взаимодействующие струи центральной группы сопел ПУ, не позволяет ориентироваться на него при осуществлении коммерческих запусков, выполняемых в условиях ограниченных временных и финансовых ресурсов.
Сущность изобретений
Мотив создания изобретения - повышение рентабельности пусков РКН.
Цель изобретений - эффективная «утилизация» энергии СПС при снижении воздействия на РКН и ПУ механических колебаний, порождаемых СПС, и взаимодействие последних с элементами ПУ, а также при уменьшении размеров ПУ и площади, занимаемой РКК.
Эффект от реализации изобретений связан с возможностью уменьшения массы РН и с возможностью снижения требований к ударной и вибрационной прочности и устойчивости ЗИП РКК, деталей, узлов и агрегатов РН и полезной нагрузки, выводимой в космос, а также с увеличением свободы выбора места пуска РКН, с улучшением экологических показателей пуска, с повышением воспроизводимости удачных пусков, с сокращением цикла подготовки к последующим пускам.
Технический результат изобретений заключается в:
a) вырождении спектра механических колебаний, порождаемых СПС, а также взаимодействии последних с элементами ПУ;
b) вырождении спектра собственных частот ПУ;
c) эффективном преобразовании энергии СПС в энергию поперечных механических колебаний различной поляризации при создании условий для самогашения таких колебаний за счет изменения фазы колебаний, прошедших текучие среды;
d) эффективном экранировании РКН от механических колебаний за счет минимизации площади проема;
e) эффективном отводе механических колебаний от РН, в том числе в заданном отклонении высокочастотных колебаний от РН и лучистой энергии;
f) изолировании основных струй ДУ в заданной степени;
g) разрушении сверхзвуковой структуры струи до ее взаимодействия с основным газоотражателем.
Заявляемый технический результат достигается тем, что модернизируют газоотвод и/или лоток, и/или газоотражатель, и/или проем, и/или насадку, и/или другие элементы ПУ для РН.
При этом рабочие поверхности элементов ПУ выполняют содержащими фрагментарное покрытие с фрагментами как минимум двух видов, притом что фрагменты различных видов выполнены из различных материалов и/или такие поверхности составляют из набора, включающего как минимум два вида однотипных конструктивных элементов, притом, что элементы различных видов выполнены из различных материалов.
В другом исполнении дополнительно или независимо от описанной выше модернизации в толщу материала элементов ПУ в непосредственной близости от их рабочих поверхностей включают как минимум два вида однотипных вставок, притом что вставки различных видов выполнены из различных материалов.
Фрагменты, элементы, вставки различных видов располагают либо случайно, либо чередуют между собой.
Также возможно преимущественное сосредоточение фрагментов, элементов, вставок определенного вида в центре поперечного или на периферии продольного сечения газоотвода, у (вблизи) ребра лотка или на одной из его рабочих поверхностей, в (вблизи) центре рабочей поверхности газоотражателя или на периферии последней, в верхней части продольного сечения проема или посередине такого сечения, на различных его поверхностях, в верхней части его рабочих поверхностей или посередине таковых, вблизи отверстия для подачи в СПС жидкости или на одной из рабочих поверхностей либо стенок насадки для подачи жидкости непосредственно в СПС.
Упомянутые фрагменты, элементы, вставки могут иметь различную форму и/или объем.
В иных исполнениях газоотражатель или стенки насадки выполняют из неоднородного материала, в толще которого скорость звука имеет градиент, а соприкасающиеся друг с другом внутренние стенки проема выполняют из различного материала.
В свою очередь многоскатный лоток, установленный в ПУ с возможностью преимущественного отведения СПС как минимум пары блоков или сопел ДУ в противоположных направлениях, выполняют таким, чтобы разные его скаты имели разный профиль рабочих поверхностей. При этом рабочие поверхности различных скатов могут быть выполнены с разной шероховатостью.
Также заявляемый технический результат может быть достигнут при введении в ПУ для РН следующих конструктивных особенностей.
В толщу материала как минимум одного из элементов ПУ включают резервуар, заполненный средой, не проводящей поперечные механические колебания, возбуждаемые взаимодействием СПС с элементами ПУ, либо возбуждаемые в элементах ПУ механическими колебаниями, сопровождающими пуск РН.
При этом элемент ПУ может содержать резервуар, заполненный разряженным газом или легкоплавким материалом.
Элемент ПУ может содержать и несколько упомянутых резервуаров, например больше 6.
Так, например, он может содержать резервуары, заполненные как минимум двумя видами легкоплавкого материала, отличающимися температурой плавления.
В свою очередь резервуары могут быть выполнены как минимум двух видов, причем объем резервуаров одного из видов может превосходить объем таковых другого более чем на 20%.
В другом случае рабочую поверхность как минимум одного из элементов ПУ выполняют с макронеровностями периодической структуры, например волнообразной, или с профилем по форме профиля эшеллетов.
При этом макронеровности могут выполнять с переменным периодом. В то же время, если элемент ПУ включает несколько рабочих поверхностей, выполненных с упомянутыми макронеровностями, то на различных поверхностях макронеровности могут быть выполнены с различным шагом и/или профилем. Также различный шаг или профиль могут иметь макронеровности в том случае, когда они выполнены на рабочих сторонах различных элементов ПУ.
Заявленный технический результат достигается и при реализации усовершенствованного способа пуска РН с ПУ. Указанное усовершенствование заключается в том, что до, во время либо после запуска ДУ в СПС подают потоки жидкости. Причем осуществляют раздельную подачу различных потоков жидкости в различные СПС, соответствующие различным блокам либо соплам ДУ.
При этом обеспечивают различие скорости подачи как минимум пары упомянутых потоков и/или различие физических параметров жидкости как минимум одной пары из них.
В то же время могут осуществлять пульсирующую подачу жидкости. Причем как минимум в одну пару упомянутых различных СПС такую подачу могут осуществлять с различной фазой относительно момента взаимодействия жидкости соответствующего потока с СПС.
В ПУ могут использовать стартовый стол с проемом, конфигурация поперечного сечения которого преимущественно совпадает с конфигурацией поперечного сечения поверхности, представляющей собой усредненную поверхность заданного уровня газодинамических (в том числе квазистационарных) и/или температурных, и/или ударно-волновых параметров в момент отхода РН от ПУ.
Также в ПУ могут использовать как минимум двухскатный лоток, как минимум одно разделительное ребро которого могут располагать с отклонением от плоскости симметрии ДУ, проходящей между периферийными группами сопел, превышающем одну тысячную среднего диаметра сверхзвукового участка всех СПС, текущих до взаимодействия с элементами ПУ.
В другом исполнении могут использовать лоток, в котором предварительно выполнены как минимум одно отверстие или один желоб, предназначенные для преимущественного пропускания или отведения СПС соответственно как минимум одного из блоков или сопел ДУ, при этом такие отверстие или желоб могут быть расположены под соответствующим блоком или соплом.
Для разрушения сверхзвукового течения СПС до их взаимодействия с основным газоотражателем, например со скатами лотка, используют следующий способ.
РН устанавливают на ПУ. Запускают ДУ. До, во время либо после упомянутого запуска в СПС подают потоки жидкости. При этом обеспечивают попадание в СПС на уровне ее первой ударно-волновой структуры (первой бочки) насадки с полостью, по которой подают упомянутую жидкость.
В различные струи СПС, соответствующие различным блокам или соплам ДУ, могут подавать различные потоки жидкости, для чего целесообразнее использовать различные насадки.
Могут обеспечивать непрерывное преимущественно равномерное истечение упомянутой жидкости из отверстий, расположенных как минимум на одной рабочей поверхности насадки.
При этом могут обеспечивать удаление основного газоотражателя от хвостовой части РН до ее обезвешивания на расстояние, более чем в два раза превосходящем удаление от упомянутой части насадки.
При подаче жидкости могут разрушать структуру сверхзвукового течения СПС на уровне их первой ударно-волновой структуры. Для этого непосредственно на выходе упомянутой насадки могут создавать потоки жидкости с преобладанием нормальной по отношению к течению СПС составляющей скорости.
При помощи потоков с нормальной составляющей скорости могут обеспечивать формирование на расстоянии, более чем вдвое превышающем удаление насадки от хвостовой части РН до ее обезвешивания, аэрозольного паро-газового облака, распространяющегося за пределы поперечных габаритов СПС.
Структуру сверхзвукового течения СПС на уровне их первой ударно-волновой структуры могут разрушать, используя упомянутую насадку в качестве вспомогательного газоотражателя. Для этого такую насадку могут выполнять с профилем верхней рабочей поверхности по форме профиля выпуклого эшеллета, тогда как при установке в ПУ могут обеспечивать падение СПС на большие грани упомянутой поверхности. При этом из щелей, выполненных в меньших гранях, могут дополнительно подавать упомянутую жидкость с целью охлаждения рабочей поверхности насадки.
При подъеме РН над СС могут преимущественно окружать СПС парогазовым облаком. С этой целью из-под РН могут осуществлять подачу потоков жидкости, преобладающая составляющая скорости которых со- и/или противоположно направлена истечению СПС.
В результате посредством упомянутых потоков жидкости, преобладающая составляющая скорости которых направлена противоположно истечению СПС, могут создавать водяную и/или аэрозольную парогазовую завесу, преимущественно в пределах которой будет осуществляться отход РН от ПУ.
Для реализации представленного способа необходимо получить проем с описанной выше конфигурацией. Определить такую конфигурацию расчетным путем весьма непросто. Однако можно прибегнуть к эксперименту. Для этого можно обратиться к следующему способу определения конфигурации как минимум одной рабочий поверхности как минимум одного из элементов ПУ для РН, согласованной с конфигурацией поверхности заданного уровня газодинамических (в том числе квазистационарных) и/или температурных, и/или ударно-волновых параметров СПС, взаимодействующих с этой рабочей поверхностью, при запуске ДУ или во время ее работы до отхода РН от ПУ либо в момент отхода РН от ПУ (СС).
Суть данного способа заключается в том, что используют мало- и/или средне-, и/или крупномасштабные модели ПУ и РН (РКН). При этом деталь, одна из поверхностей которой является упомянутой рабочей, изготавливают из материала, разрушаемого и/или неупругого деформируемого, и/или оплавляемого воздействием на него СПС, как минимум один из упомянутых параметров которых соответствует упомянутому заданному уровню.
Так, например, упомянутую деталь могут изготавливать из пористого материала, причем размер пор такого материала может уменьшаться в направлении от рабочей поверхности вглубь детали.
В другом случае упомянутую деталь могут изготавливать из композитного материала, например, из тугоплавкого материала с вкраплениями легкоплавкого материала. Вкрапления при этом могут преимущественно располагать вытянутыми в одном направлении, тогда как саму деталь могут располагать в ПУ таким образом, чтобы вкрапления оказались преимущественно ориентированы вдоль или поперек течения СПС.
Также для реализации данного способа могут использовать детали, в толще которых имеется большое количества пустот, окруженных тонкими стенками, а могут использовать детали, изготовленные из многослойного материала.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения
Принятые обозначения:
ДУ - двигательная установка.
ЗИП - запасные части и приспособления пусковых установок или ракетно-космических комплексов.
МСК - стартовый ракетный комплекс морского базирования.
ОП - отличительные признаки, соответствующие пунктам формулы изобретения.
ПУ - пусковая установка для запуска ракет-носителей.
РКК - ракетно-космический комплекс.
РКН - ракета космического назначения.
РКТ - ракетно-космическая техника.
РН - ракета-носитель.
СПС - в основном - высокотемпературные струи продуктов сгорания ракетного топлива, истекающие из ДУ или из ее блоков с ультразвуковыми скоростями. В удалении от ДУ сверхзвуковая структура СПС нарушается, и к ним подмешиваются окружающие текучие среды. В ряде случаев в материалах заявки под СПС понимается смесь последних в первом толковании с упомянутыми здесь средами.
СС - стартовый стол, на который перед пуском устанавливают РН (в частном случае выполняет функцию опоры РКН).
ТР - технический результат, упомянутый в разделе Сущность изобретения.
В материалах заявки используются следующие понятия, которые представляется необходимым уточнить.
Вблизи - на расстоянии, соизмеримом с размерами наименьшего из упоминаемых объектов.
Вырожденный спектр - в идеале - сплошной, равномерный спектр. На практике такой спектр все же имеет локальные максимумы и границы (по частоте).
Легкоплавкие материалы - материалы, температура плавления которых лежит ниже температуры нагрева выполненных из таких материалов элементов конструкции ПУ при взаимодействии элементов ПУ с СПС.
Макронеровности - неровности с высотой не менее 1 мм.
Механические колебания - упругие волны, распространяющиеся в сжимаемых и несжимаемых средах, а также в твердых телах, в частном случае связанные с переносом вещества.
Момент отхода - период времени длительностью порядка 10 с, начало которого совпадает с началом подъема РН.
Насадка - элемент конструкции ПУ, с помощью которого непосредственно в СПС вводят потоки жидкости. В технической литературе насадка называется также патрубком. Выполняет функцию охлаждения СПС. В представляемых изобретениях насадке отводится также и функция вспомогательного газоотражателя.
Непосредственная близость - расстояние более чем на порядок меньшее габаритов ПУ или соответствующего элемента ПУ.
Однотипные элементы конструкции - элементы конструкции, в основном выполняющие схожие функции.
Преимущественно - в основном - наиболее вероятно во времени или в пространстве.
Проем - пропускающий СПС отводной элемент конструкции ПУ, в или над которым перед стартом устанавливают РН. В частном случае под проемом в материалах заявки понимается внутренняя часть СС.
Рабочая поверхность - такая поверхность элементов ПУ, которая входит в контакт с СПС либо с механическими колебаниями, возбуждаемыми СПС или их взаимодействием с элементами ПУ.
Различные материалы - материалы с различной скоростью распространения в них звука.
Разряженный газ - газ, давление которого на порядок меньше атмосферного.
Тугоплавкий - не плавящийся при температуре СПС (порядка 3,5 тыс.°С).
Элементы ПУ - в основном это элементы конструкции ПУ, механически взаимодействующие с СПС, или элементы конструкции ПУ, воспринимающие механические колебания, порождаемые как упомянутым здесь взаимодействием, так и самими СПС (проем, лоток, газоотвод, газоотражатель, насадка для подачи в СПС жидкости и пр.).
Заявляемая ПУ может входить в состав РКК. При этом она может быть устроена следующим образом.
Она может содержать включающий проем СС, на который перед пуском устанавливают РКН. При этом под СС может быть расположен газоотвод (в частном случае проем также можно рассматривать в качестве конструктивного элемента газоотвода).
Под или в проем от СС могут отходить насадки, предназначенные для подвода в СПС потоков жидкости. Причем число насадок может быть равно числу блоков ДУ или числу сопел последней.
Газоотвод может включать многоскатный лоток и газоотражатель.
Верхняя поверхность СС, боковая поверхность проема, скаты лотка, наружная поверхность газоотвода и передняя поверхность газоотражателя после запуска ДУ некоторые уже до, некоторые только после отхода РН от ПУ окажутся вовлеченными во взаимодействие с СПС.
Во время такого взаимодействия будут порождаться механические колебания (далее - колебания), оказывающие воздействие на узлы и агрегаты РКК и РКН.
Амплитудно-частотный спектр колебаний в заданной точке пространства будет зависеть от ряда обстоятельств, среди которых в аспекте заявляемых изобретений необходимо выделить следующие:
1) Условия взаимодействия СПС с элементами ПУ.
2) Условия распространения колебаний по конструкции ПУ.
3) Направления распространения колебаний.
4) Собственные частоты элементов конструкции ПУ.
Важны также и собственные частоты РКН, окружающих объектов, например Земли, которые также необходимо учитывать при осуществлении модернизации ПУ на базе отличительных признаков изобретений.
Влияя на каждое из данных обстоятельств в некоторой степени (в ряде случаев на десятые доли процента, в ряде случаев на проценты, а при комплексном подходе и на десяток, а то и десятки процентов) можно влиять и на упомянутый спектр.
Такому влиянию и посвящены представляемые изобретения.
Так, рабочие поверхности элементов ПУ выполняют содержащими фрагментарное покрытие с фрагментами как минимум двух видов, притом что фрагменты различных видов выполнены из различных материалов и/или такие поверхности составляют из набора, включающего как минимум два вида однотипных конструктивных элементов, притом что элементы различных видов выполнены из различных материалов.
Это приводит к некоторому вырождению спектра собственных частот таких элементов ПУ и спектра излучения колебаний при взаимодействии этих элементов с СПС.
Для различных покрытий могут использоваться различные конструкционные материалы, традиционно применяемые в данной области техники.
Помимо этого с указанной целью могут быть использованы и различные керамические и металлокерамические материалы, например, на основе ванадия, вольфрама, германия, железа, кобальта, молибдена, никеля, ниобия, палладия, тантала, титана, хрома и циркония с включением нитридов, сульфидов и оксидов, таких как SiO2, Na2O, К2O, Са2O, Al2О3, В2O3, PbO, BaO, ZnO, As2O3, La2O3, а также сплавы перечисленных металлов и пр.
В качестве упомянутых элементов могут быть использованы плиты из различного, в том числе и из перечисленного выше, материала.
Так, например, могут использоваться бетонные плиты (скорость звука порядка 5000 м/с) и плиты, материал которых представляет собой композицию бетона и ситаллов (скорость звука порядка 4000 м/с).
Похожий результат может быть получен и если в толщу материала элементов ПУ в непосредственной близости от их рабочих поверхностей будут включены как минимум два вида однотипных вставок, притом что вставки различных видов выполнены из различных материалов.
Это могут быть вставки, например, из железа (5900 м/с) и латуни (4500 м/с), а также графита, алюминия, инвара и пр.
Возможно и включение в толщу материала элементов ПУ лишь вставок одного вида, скорость распространения звука в материале которых отлична от таковой основного материала элементов ПУ. Однако достигаемый при этом результат выражен существенно менее, а подобрать требуемое для обнаружения соответствующего эффекта сочетание материалов с учетом распространенных для элементов ПУ довольно сложно.
Предпочтительным расположением вставок является случайное - хаотичное.
Так, например, арматура газоотвода должна быть выполнена с различным периодом следования из различных по площади поперечного сечения объектов, выполненных из различных материалов.
В другом исполнении похожий результат может быть достигнут, если из различного материала выполнены соприкасающиеся друг с другом основные (имеющие большую площадь поверхности) внутренние стенки проема.
В общем случае фрагменты, элементы, вставки различных видов могут быть расположены случайно или могут чередоваться между собой.
Так, например, два вида плит могут быть уложены на рабочей поверхности в шахматном порядке, а могут - рядами один вид за другим и так циклично.
В частных случаях, в основном, определяемых требованиями к технологичности и ремонтопригодности конструкции, а также особенностями параметров СПС, целесообразно обеспечивать преимущественное сосредоточение фрагментов, элементов, вставок определенного вида в центре поперечного или на периферии продольного сечения газоотвода, у (вблизи) ребра лотка или на одной из его рабочих поверхностей, вблизи (в) центре рабочей поверхности газоотражателя или на периферии последней, в верхней части продольного сечения проема или посередине такого сечения, на различных его поверхностях, в верхней части его рабочих поверхностей или посередине таковых, вблизи отверстия насадки для подачи в СПС жидкости или на одной из рабочих поверхностей либо на одной из стенок такой насадки.
Так, при пуске РН, ДУ которой имеет одно сопло, можно ограничиться выстиланием нижней части односкатного газоотвода преимущественно плитками одного вида (но, желательно, разной площади), а боковых - плитками другого вида, тогда как периферийных - третьего.
При этом лучший результат будет достигнут, если упомянутые фрагменты, элементы, вставки будут иметь различную форму и/или объем.
Сочетание всех упомянутых приемов позволит снизить амплитуду ряда локальных максимумов упомянутого спектра на несколько процентов при общем уменьшении энергии колебаний на доли процента.
Хороший результат может быть достигнут, если некоторые элементы ПУ изготавливают из неоднородного материала (это, правда, не отменяет целесообразность использования упомянутых фрагментов, элементов и вставок).
При этом чем ближе такой элемент к ДУ, тем более выражен достигаемый эффект.
Из неоднородного материала (в толще которого вследствие упомянутой неоднородности скорость звука имеет градиент) может быть выполнена насадка (стенки, окружающие полость насадки, по которой течет жидкость).
Для этого в процессе изготовления такой насадки, например методом экструзии, могут менять состав композиции металлов, подаваемой к формообразующей матрице.
Уменьшение акустического давления на хвостовую часть РН только при переходе к такой насадке может составить более 1 дБ.
Также из неоднородного материала, например седиментативными методами, может быть изготовлен и газоотражатель.
Описанные выше подходы влияют и на распространение колебаний по конструкции ПУ, препятствуя возникновению резонансных явлений (но здесь требуется комплексный подход, предполагающий также использование внутренних резервуаров со средами, не пропускающими поперечные колебания).
Условия же взаимодействия СПС с элементами ПУ во многом определяются также профилем рабочих поверхностей последних.
В этой связи имеет смысл скаты используемого в ПУ многоскатного лотока, предназначенного для преимущественного отведения СПС как минимум пары блоков или сопел ДУ в противоположных направлениях, выполнять с разным профилем рабочих поверхностей.
Так, например, левый скат двускатного лотка может иметь выпуклый профиль в направлении, перпендикулярном течению СПС, а правый - вогнутый.
При этом следует сохранять симметрию отвода соответствующих СПС (с точки зрения давления на лоток и моментов).
Этого можно достичь подбором формы профиля скатов в направлении течения СПС.
Немалое значение имеет здесь также микро- и макрошероховатость рабочих поверхностей различных скатов, которая помимо прочего влияет и на возбуждение определенных колебаний.
В этой связи может оказаться полезным рабочие поверхности различных скатов и других элементов ПУ выполнять с разной шероховатостью, в том числе вводимой искусственно (а не получающейся в результате использования стандартных техпроцессов изготовления лотка).
На условия взаимодействия СПС с элементами ПУ особенно в части преобразования энергии СПС в энергию колебаний различного вида (продольных, поперечных) большое влияние оказывает наличие на рабочих поверхностях макронеровностей периодического характера.
В этой связи может оказаться целесообразным рабочую поверхность как минимум одного из элементов ПУ выполнить с макронеровностями периодической структуры, например, волнообразной.
При этом общая картина макронеровностей такой поверхности может быть получена, например, как результат суперпозиции перпендикулярно распространяющихся синусоидальных волновых процессов с одинаковой частотой, направленных под углом 45° к направлению течения по упомянутой поверхности СПС.
В то же время с точки зрения минимизации ударных нагрузок целесообразно выполнять макронеровности с пилообразным профилем, ориентированным коротким ребром в сторону истекания СПС (СПС должны накатывать на широкую грань макронеровностей).
Макронеровности могут быть выполнены и с переменным периодом.
Так, например, по мере удаления от ДУ период макронеровностей на рабочей поверхности газоотвода может увеличиваться. Это может быть достигнуто, например, выстиланием рабочей поверхности газоотвода плитами различного размера.
В то же время, если элемент ПУ включает несколько рабочих поверхностей, выполненных с макронеровностями, то на различных поверхностях макронеровности следует выполнять с различным шагом и/или профилем.
Так, на разных скатах лотка макронеровности могут иметь разный период или характер изменения такового, например на одном скате по мере удаления от ДУ период макронеровностей увеличивают, а на другом - уменьшают.
Также различный шаг или профиль могут иметь макронеровности в том случае, когда они выполнены на рабочих сторонах различных элементов ПУ.
Это в значительной степени способствует исключению резонансных явлений при решении задачи возбуждения взаимодействием СПС с элементами ПУ в последних поперечных колебаний.
Еще одно назначение макронеровностей - влияние на направление распространения колебаний.
Простое решение, связанное с приданием верхней поверхности СС профиля эшеллета, позволяет значительно ослабить воздействие высокочастотных колебаний на РКН при ее отходе от ПУ. (Здесь помимо заданного направления отражения при произвольном направлении поверхности также могут работать и интерференционные эффекты.)
Такое решение особенно эффективно в нештатных ситуациях при горизонтальном дрейфе РКН относительно СС.
Учет особенностей работы эшелеттов полезен и при проектировании профиля макронеровностей, упомянутых выше (т.е. выполненных и на других элементах ПУ).
Огромное влияние на распространение колебаний по конструкции ПУ оказывает наличие в ней сред, не проводящих поперечные колебания. Здесь необходимо упомянуть и об изменении фазы на 180° при зарождении на границе такой среды с твердым телом вторичных поперечных колебаний.
Поэтому в толщу материала как минимум одного из элементов ПУ могут специально включать резервуар, заполненный средой, не проводящей поперечные механические колебания, возбуждаемые взаимодействием СПС с элементами ПУ либо возбуждаемые в элементах ПУ механическими колебаниями, сопровождающими пуск РН.
Такой резервуар может, например, включать газоотражатель. При этом, если его в обменном режиме заполнять водой, то можно параллельно решать и задачу с отводом тепла.
Помимо воды в резервуаре элемента ПУ может содержаться разряженный газ или легкоплавкий материал и пр.
С точки зрения вырождения спектра собственных частот целесообразно, чтобы элемент ПУ содержал и несколько резервуаров с непроводящими поперечные колебания средами. При этом число таких резервуаров может быть больше шести.
Методика расчета распространения различных видов колебаний при условии их зарождения в различных сильно отстоящих друг от друга местах конструкции ПУ при сложном профиле рабочих поверхностей довольно трудна. В этой связи отработка конкретных конструкций элементов ПУ с упомянутыми специальными резервуарами - дело эксперимента и здесь не описывается.
Однако, очевидна целесообразность заполнения различных резервуаров различными видами легкоплавкого материала, отличающимися температурой плавления и другими физическими параметрами (в том числе скоростью звука в них).
Так, например, часть резервуаров может быть заполнена свинцом, часть - оловом, часть - нафталином, часть - сплавом Вуда.
Для решения задачи вырождения спектра собственных колебаний резервуары следует выполнять как минимум двух видов, притом что объем резервуаров одного из видов должен превосходить объем таковых другого более чем на 20%.
Использование в газоотражателе специально расположенных друг относительно друга с учетом формы и расположения рабочей и свободной поверхностей четырех разноразмерных резервуаров, три из которых наполняются в обменном режиме охлаждающими жидкостями с различными физическими параметрами (здесь в первую очередь важны коэффициент сжимаемости и динамическая вязкость), а четвертый заполнен разряженным воздухом, позволяет почти на 5% снизить уровень, порождаемого газоотводом интегрального шума при уменьшении более чем на 15% локальных спектральных максимумов последнего.
Использование таких резервуаров целесообразно практически во всех элементах ПУ, в том числе и в насадке.
Существенное влияние на условия взаимодействия СПС с элементами ПУ и отчасти на направление распространения колебаний, а также на условия распространения СПС, определяющие порождаемые ими колебания, оказывает предлагаемый способ пуска РКН.
При реализации такого способа РН устанавливают на СС. До, во время либо после запуска ДУ в СПС подают потоки жидкости. Причем осуществляют раздельную подачу различных потоков жидкости в различные СПС, соответствующие различным блокам либо соплам ДУ. Это - известное решение.
Отличие заключается в том, что обеспечивают различие физических параметров (теплоемкости, удельной теплоты парообразования, плотности) жидкости как минимум пары упомянутых потоков.
При этом используют различные растворы и/или суспензии.
В то же время целесообразно обеспечить и различие скорости подачи как минимум пары упомянутых потоков.
Так, например, могут осуществлять пульсирующую подачу жидкости, причем как минимум в одну пару упомянутых различных СПС такую подачу следует осуществлять с различной фазой относительно момента взаимодействия жидкости соответствующего потока с СПС.
Для этого каждая насадка посредством системы нагнетания может быть связана со своим резервуаром, а может включать дозатор-распределитель.
Для иллюстрации принципа работы заявляемых вариантов ПУ ниже рассмотрены два способа пуска. В основном же заявляемые варианты ПУ по принципу работы мало чем отличаются от прототипов. Отличие обнаруживает себя на уровне взаимодействия СПС с элементами ПУ (о чем было сказано выше), тогда как падение СПС на рабочие поверхности элементов ПУ и течение первых по вторым и в прототипе, и в заявляемых объектах схожи.
С целью эффективного среднестатистического экранирования РКН от механических колебаний (за счет минимизации площади проема) в ПУ могут использовать стартовый стол с проемом, конфигурация поперечного сечения которого преимущественно совпадает с конфигурацией поперечного сечения поверхности, представляющей собой усредненную поверхность заданного уровня газодинамических (в том числе квазистационарных) и/или температурных, и/или ударно-волновых параметров СПС в момент отхода РН от ПУ.
Для эффективного изолирования основных струй ДУ в ПУ могут использовать как минимум двухскатный лоток, как минимум одно разделительное ребро которого с целью исключения биений и резонансных явления располагают с отклонением от плоскости симметрии ДУ, проходящей между периферийными группами сопел, превышающем одну тысячную среднего диаметра сверхзвукового участка всех СПС, текущих до взаимодействия с элементами ПУ.
При этом могут использовать лоток, в котором предварительно выполнены как минимум одно отверстие или один желоб, предназначенные для преимущественного пропускания или отведения СПС соответственно как минимум одного из блоков или сопел ДУ, притом что такие отверстие или желоб располагают под соответствующим блоком или соплом.
Взаимодействие СПС сверхзвуковой структуры с элементами ПУ - основной источник колебаний. Для разрушения сверхзвукового течения СПС до их взаимодействия с основным газоотражателем, например со скатами лотка, используют следующий способ.
РН устанавливают на ПУ. Запускают ДУ. До, во время либо после упомянутого запуска в СПС подают потоки жидкости. При этом обеспечивают попадание в СПС на уровне ее первой ударно-волновой структуры (первой бочки) насадки с полостью, по которой подают упомянутую жидкость.
Для этого ПУ может содержать патрубок с наклонным водоводом, например, прямоугольного сечения.
В различные струи СПС, соответствующие различным блокам или соплам ДУ, могут подавать различные потоки жидкости, для чего целесообразнее использовать различные насадки.
Могут обеспечивать непрерывное преимущественно равномерное истечение упомянутой жидкости из отверстий, расположенных как минимум на одной рабочей поверхности насадки.
Для этого на насадке могут использоваться щелевые отверстия, расположенные со стороны набегающей газовой струи. Такие отверстия по мере приближения к центру СПС могут становиться все короче и короче, следуя за сужением поперечного сечения самой насадки.
При этом могут обеспечивать удаление основного газоотражателя от хвостовой части РН до ее обезвешивания на расстоянии, более чем в два раза превосходящем удаление от упомянутой части насадки.
При подаче жидкости могут разрушать структуру сверхзвукового течения СПС на уровне их первой ударно-волновой структуры. Для этого непосредственно на выходе упомянутой насадки могут создавать потоки жидкости с преобладанием нормальной по отношению к течению СПС составляющей скорости.
Так, например, могут использовать специальный цилиндрический дозатор-распределитель, устанавливаемый на выходе насадки вдоль течения СПС. В нем могут быть расположены вращающиеся лопасти, обеспечивающие подачу через боковые поверхности дозатора потоков жидкости горизонтального напора.
При помощи потоков с нормальной составляющей скорости могут обеспечивать формирование на расстоянии, более чем вдвое превышающем удаление насадки от хвостовой части РН до ее обезвешивания, аэрозольного парогазового облака, распространяющегося за пределы поперечных габаритов СПС.
Для этого необходимо обеспечить расход жидкости на охлаждение, по крайней мере, соответствующий массе истекающих продуктов сгорания.
Структуру сверхзвукового течения СПС на уровне их первой ударно-волновой структуры могут разрушать, используя упомянутую насадку в качестве вспомогательного газоотражателя.
Для этого такую насадку могут выполнять с профилем верхней рабочей поверхности по форме профиля выпуклого эшеллета, тогда как при установке в ПУ могут обеспечивать падение СПС на большие грани упомянутой поверхности, в то время как из щелей, выполненных в меньших гранях, могут дополнительно подавать упомянутую жидкость с целью охлаждения рабочей поверхности насадки.
При подъеме РН над СС могут преимущественно окружать СПС парогазовым облаком.
С этой целью из-под РН могут осуществлять подачу потоков жидкости, преобладающая составляющая скорости которых со- и/или противоположно направлена истечению СПС.
Для этого над проемом могут располагать кольцевой коллектор, соединенный посредством трубопровода с резервуаром. Подача воды в такой коллектор может осуществляться методом вытеснения. На верхней и нижней (в ином исполнении - на боковой у верхней или нижней) поверхностях коллектора по окружности могут быть расположены поочередно направленные в разные стороны косые отверстия, обращенные соответственно вверх (на верхней поверхности) и вниз (на нижней) (или в ином исполнении - наоборот, для защиты от СПС самого коллектора). Оси соседних отверстий могут пересекаться. При этом оси всех отверстий могут принадлежать замкнутой поверхности вращения.
В результате посредством упомянутых потоков жидкости, преобладающая составляющая скорости которых направлена противоположно истечению СПС, могут создавать водяную и/или аэрозольную парогазовую завесу, преимущественно в пределах которой будет осуществляться отход РН от ПУ.
Для реализации представленных способов необходимо получить проем с описанной выше конфигурацией. Также для заданной изоляции основных струй ДУ необходимо определить конфигурацию скатов лотка или рабочей поверхности газоотвода, форма которых соответствует упомянутой усредненной поверхности.
В этой связи в рамках настоящего описания рассматривается способ определения конфигурации как минимум одной рабочей поверхности как минимум одного из элементов ПУ для РН, согласованной с конфигурацией поверхности заданного уровня газодинамических (в том числе, квазистационарных) и/или температурных, и/или ударно-волновых параметров, взаимодействующих с этой рабочей поверхностью СПС при запуске ДУ, или во время ее работы до отхода РН от ПУ, или в момент отхода РН от ПУ (СС).
Данный способ предназначен для подготовки к осуществлению описанного выше способа пуска РН.
Суть его заключается в следующем.
Используют мало- и/или средне-, и/или крупномасштабные модели ПУ и РН, например РКН.
При этом деталь, одна из поверхностей которой является упомянутой рабочей, изготавливают из материала, разрушаемого и/или неупругодеформируемого, и/или оплавляемого воздействием на него тех участков СПС, как минимум один из упомянутых параметров которых превышает упомянутый заданный уровень.
Так, например, из такого материала изготавливают модель СС. При подъеме над ним модели РН с работающей моделью ДУ СПС вырабатывают материал модели СС в части обусловленной конфигурацией области пространства, в пределах границ которой один или несколько параметров СПС превосходят некоторый заданный уровень, определяемый стойкостью материала модели СС.
Следует отметить, что толщина такой детали в общем случае должна быть не менее 5% от диаметра среза сопла (не менее 0,05 калибра).
Упомянутую деталь могут изготавливать из пористого материала (например, из пористого бетона), причем размер пор такого материала может уменьшаться от рабочей поверхности вглубь детали.
Подбирая размер пор, добиваются заданной стойкости материала.
В другом случае упомянутую деталь могут изготавливать из композитного материала, например из тугоплавкого материала с вкраплениями легкоплавкого материала.
Стойкость материала в данном случае задают, подбирая число вкраплений и их размер.
При этом вкрапления могут преимущественно располагать вытянутыми в одном направлении.
Этого могут добиваться добавлением в основной материал упомянутой детали материала вкраплений до их перехода в твердую фазу при движении с ускорением.
Саму деталь с вытянутыми вкраплениями целесообразно располагать в ПУ таким образом, чтобы вкрапления оказались преимущественно ориентированы вдоль (при определении оптимальной конфигурации лотков, газоотводов) или поперек (при определении оптимальной конфигурации проема СС) течения СПС.
Также для реализации данного способа могут использовать детали, в толще которых имеется большое количества пустот, окруженных тонкими стенками.
Такой материал наиболее удобен при работе с маломасштабными моделями.
А могут использовать детали, изготовленные из многослойного материала.
Такой тип материала наиболее технологичен.
При этом различные слои такого материала могут быть одинаковыми по стойкости к воздействию СПС, а могут отличаться: стойкость каждого последующего от наружной поверхности слоя может возрастать.
Ожидается, что реализация всех представленных независимых объектов одновременно позволит снизить интегральное воздействие колебаний на РН и ПУ, а также узлы и агрегаты РКК на 15-20%, тогда как по локальным максимумам спектра - в 1,5-2 раза, в то время как воплощение изобретений приведет к удорожанию соответствующих комплектующих не более чем на 2%.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАКЕТЫ С МНОГОКОНТУРНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ДВИГАТЕЛЕЙ | 2010 |
|
RU2423300C1 |
| СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГРУНТ СТАРТОВОЙ ПОЗИЦИИ И ПУСКОВУЮ УСТАНОВКУ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ СТАРТУЮЩЕЙ РАКЕТЫ ПОД УГЛАМИ, БЛИЗКИМИ К ВЕРТИКАЛЬНОМУ УГЛУ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2012 |
|
RU2481540C1 |
| СПОСОБ ПОЖАРОПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ В ХВОСТОВЫХ ОТСЕКАХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ И СИСТЕМА ПОЖАРОПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ В ХВОСТОВЫХ ОТСЕКАХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ | 2003 |
|
RU2247687C1 |
| СПОСОБ ЗАПУСКА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ С МОРСКОГО СУДНА | 1995 |
|
RU2131375C1 |
| ПУСКОВАЯ КОРАБЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАКЕТ И СПОСОБ ЕЕ РАЗВЕРТЫВАНИЯ | 2002 |
|
RU2232968C1 |
| РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ | 2006 |
|
RU2403966C2 |
| СТАРТОВЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРЕДСТАРТОВОЙ ПОДГОТОВКИ И ПУСКА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ С КОСМИЧЕСКОЙ ГОЛОВНОЙ ЧАСТЬЮ | 2006 |
|
RU2318707C1 |
| СПОСОБ СТАРТА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ С МНОГОСОПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ И РАКЕТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2001 |
|
RU2180644C1 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАПУСКА РАКЕТ С ЛУНЫ И СПОСОБ ПОДГОТОВКИ РАКЕТЫ К ЗАПУСКУ | 2007 |
|
RU2354593C1 |
| КОСМИЧЕСКАЯ ГОЛОВНАЯ ЧАСТЬ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ | 2007 |
|
RU2355607C1 |
Группа изобретений относится к области ракетной техники, в частности к пусковым установкам (ПУ) для запуска ракет-носителей (РН). Рабочие поверхности элементов ПУ, взаимодействующих при пуске со струями продуктов сгорания (СПС) двигательной установки (ДУ) (газоотвода, лотка, газоотражателя, проема, насадки, расположенной в проеме или под ним), выполнены с покрытием, состоящим из фрагментов, выполненных из материалов, отличающихся по скорости распространения звука в них, или составлены из набора конструктивных элементов, выполненных из материалов, отличающихся по скорости распространения звука в них, или в непосредственной близости от рабочих поверхностей элементов ПУ содержатся вставки, выполненные из материалов, отличающихся по скорости распространения звука в них. Указанные фрагменты, конструктивные элементы или вставки могут быть расположены случайным образом либо фрагменты, конструктивные элементы или вставки, выполненные из материалов с одинаковой скоростью распространения звука в них, расположены сосредоточенно, либо фрагменты, конструктивные элементы или вставки, выполненные из материалов, отличающихся по скорости распространения звука в них, чередуются между собой. После запуска ДУ в СПС осуществляют подачу потоков жидкости для разрушения структуры сверхзвукового течения СПС на уровне их первой ударно-волновой структуры. При подъеме РН над столом окружают СПС парогазовым облаком. Кроме того, определяют конфигурации рабочих поверхностей деталей ПУ с использованием моделей ПУ и РН. Для моделирования детали изготавливают, в частности, из материала, разрушаемого или не упруго деформируемого, или оплавляемого под воздействием СПС. Изобретение обеспечивает снижение интегрального воздействия колебаний на РН и ПУ. 11 н. и 39 з.п. ф-лы.
| СПОСОБ СТАРТА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ С МНОГОСОПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ И РАКЕТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2001 |
|
RU2180644C1 |
| ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО | 2001 |
|
RU2215674C2 |
| СТАРТОВЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И ПУСКА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ С КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ | 2004 |
|
RU2270792C1 |
| СТАРТОВЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРЕДСТАРТОВОЙ ПОДГОТОВКИ И ПУСКА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ С КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ | 2003 |
|
RU2242411C2 |
