Ракетная каретка с управляемым торможением Российский патент 2020 года по МПК F42B35/00 F41F3/04 G01M7/08 G01M15/00 F02K9/96 

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике, конкретно - к оборудованию для высокоскоростных трековых испытаний, и может быть использовано для разгона объектов испытаний на ракетном треке.

При трековых испытаниях различных объектов они устанавливаются на каретке ракетного трека и разгоняются с ее помощью до заданной скорости, после чего осуществляется торможение каретки с одновременной отстыковкой от нее объекта, и дальнейшее его самостоятельное перемещение в заданном направлении.

Преимущественно, проблема таких испытаний заключается в достижении заданных скоростей разгона объектов при фиксированных времени разгона, ускорении и длине разгонного участка. Однако, в определенных случаях необходимо не только достичь заданной скорости перед отстыковкой объекта испытаний от ракетной каретки, но и обеспечить перед отстыковкой соблюдение скоростного режима в течении заданного интервала времени (на заданном отрезке пути), т.е. определенным образом стабилизировать скорость перемещения каретки по треку.

Известен ряд конструкций ракетных кареток, в которых для оказания влияния на скоростные характеристики движения используются конструктивные элементы, обладающие определенными аэродинамическими свойствами.

Так в конструкции ракетной каретки /I/ использованы аэродинамические щитки, - по сути система крыльев с положительным углом атаки, создающие подъемную силу и разгружающие башмаки каретки при движении, что способствует уменьшению силы трения башмаков о рельсовые направляющие трека.

С одной стороны, это позволяет увеличить скорость движения каретки без изменения энергетики ее двигателя и длины рельсовых направляющих трека, а с другой - при достижении высоких значений скоростей, превышающих 3М может служить причиной быстрого износа нижних тормозных колодок или направляющих элементов башмаков, увеличению зазоров в системе «башмак - рельс», и как следствие к аварийному сходу каретки с направляющих. Кроме того, конструкция каретки предполагает жесткое крепление крыльев, отсутствие элементов их механизации, и таким образом невозможность регулирования скорости ее движения.

Наиболее близкой по конструкции к предлагаемому изобретению является ракетная каретка /2/, содержащая несущую платформу, установленную на опорно-направляющие башмаки с элементами тормозной системы, расположенные на ней ложементы для установки испытываемого изделия и ракетного двигателя, и систему антикрыльев.

Данная конструкция способна обеспечить устойчивое движение каретки без схода с направляющих при высоких скоростях движения (Μ ~ 6), однако такие недостатки как жесткое крепление системы антикрыльев, отсутствие элементов их механизации, и, как следствие, принципиальная невозможность регулирования скорости движения в ней не устранены.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение стабилизация и поддержание постоянной скорости движения рельсовых ракетных кареток в течение заданного времени (на заданной дистанции перемещения).

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной ракетной каретке, содержащей несущую платформу, установленную на опорно-направляющие башмаки с элементами тормозной системы, расположенные на ней ложементы для установки испытываемого изделия и ракетного двигателя, и антикрыло (систему антикрыльев), в соответствии с изобретением антикрыло выполнено с возможностью вертикального плоскопараллельного перемещения относительно платформы и воздействия на элементы управления тормозной системой.

Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.

Движение каретки на разгонном участке трека описывается зависимостью:

где:

F_Т - сила тяги разгонного двигателя (двигателей), Н;

F mp - сила трения каретки о рельсы, Н;

F_ВН - сила сопротивления обусловленная встречным ветровым напором, Н;

Μ_Σ - суммарная масса системы «каретка + двигатели + металлоконструкция + объект испытаний» в текущий момент времени, кг;

а - ускорение, м/с².

Для поддержания же постоянной скорости движения каретки на определенной дистанции перемещения необходимо соблюдение условия:

Сила трения каретки о рельсы в общем случае определяется зависимостью:

где f _mp - коэффициент трения опорных элементов каретки о рельсы; g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с².

В свою очередь сила сопротивления, обусловленная встречным ветровым напором описывается зависимостью:

где ρ - плотность воздуха, кг/м³;

j=1, 2, …, k - условный порядковый номер элемента металлоконструкции каретки;

S_Mj - площадь миделевого сечения j-ro элемента металлоконструкции каретки;

V - текущая скорость каретки, м/с;

C_Xj - аэродинамический коэффициент силы лобового сопротивления j -го элемента металлоконструкции.

Тогда выражение (2) с учетом (3) и (4) может быть представлено в виде

Если силу тяги разгонного двигателя F_T считать постоянной, тогда для обеспечения постоянной скорости движения каретки V необходимо обеспечить постоянство от времени выражения

При наличии в конструкции каретки антикрыла (системы антикрыльев), при его взаимодействии с набегающим потоком воздуха появляется прижимающая сила, увеличивающая вес каретки:

где Cγ - безразмерный коэффициент подъемной силы крыла; S_K - площадь крыла в плане, м². И тогда зависимость (5) приводится к виду:

Анализ полученного выражения показывает, что при прочих неизменных факторах, в случае жесткого закрепления антикрыла и соответствующем аэродинамическом его качестве, величиной F_П (F_П/g - псевдомасса) можно частично компенсировать изменение веса двигателя (потерю его массы по мере выгорания топлива), и сопутствующее приращение скорости каретки.

Естественно, что антикрыло по отношению к металлоконструкции ракетной каретки и несомым ею двигателем и объекту испытаний (изделию) должно быть установлено таким образом, чтобы вектора силы тяжести Μ_Σ⋅g и прижимающей силы F_П располагались на одной прямой.

Для обеспечения лучшей управляемости антикрыло может быть установлено с возможностью регулирования угла атаки, или снабжено элементами механизации, - предкрылками, закрылками и т.п. (по аналогии с крыльями авиатехники).

Выполнение же антикрыла (или системы антикрыльев) с возможностью вертикального плоскопараллельного перемещения относительно несущей платформы и воздействия на элементы управления тормозной системой позволит:

- во-первых, обеспечить неизменность аэродинамического качества крыла при его перемещении относительно каретки, - прижимающая сила будет определяться, при прочих неизменных факторах, только скоростью набегающего ветрового потока;

- во-вторых, вследствие этого перемещения, дать возможность механического воздействия на элементы управления тормозной системы, и тем самым - поддержания постоянной скорости движения рельсовых ракетных кареток на определенной дистанции за счет регулирования усилия торможения посредством приведения в действие тормозных колодок, - замены пары трения «башмак-рельс» парой «тормозная колодка-рельс» и изменения исходного коэффициента трения опорных элементов.

Конструкция устройства поясняется следующей графической информацией:

На фиг. 1 схематично представлен вид сбоку ракетной каретки с испытываемым изделием - объектом испытаний.

На фиг. 2 также схематично представлен вариант размещения антикрыла с сопутствующими устройствами на опорной платформе каретки в предстартовой позиции.

На фиг. 3 - представлена схема взаимодействия антикрыла с элементами управления тормозной системой каретки.

Штриховыми стрелками на иллюстрациях показано направление передачи энергетических или материальных потоков к тормозным устройствам каретки.

Для упрощения изображения непосредственно система торможения -привод (или источник энергии, в качестве какового целесообразно использовать сжатый воздух), конструкция элементов привода и управления, а также конструкция тормозных элементов каретки на иллюстрациях условно не показаны.

Каретка (фиг. 1) содержит несущую платформу 1, установленную на опорно-направляющие башмаки 2 с элементами тормозной системы 3, расположенные на ней ложементы 4, 5 для установки испытываемого изделия 6 и ракетного двигателя 7, и антикрыло 8.

Для обеспечения возможности вертикального плоскопараллельного перемещения относительно платформы антикрыло 8 (фиг. 2, 3) установлено на двух вертикальных стойках 9, проходящих сквозь направляющие втулки 10 полых опор 11, и опирающиеся на размещенные в полостях опор упругие элементы 12.

Антикрыло 8 снабжено штоком 13, взаимодействующим в заданных условиях с нажимным элементом 14 исполнительно-регулирующего устройства 15 тормозной системы 3, расположенной внутри башмаков 2, опирающихся на рельсовые направляющие 16.

Работа устройства с использованием пневматического привода тормозной системы, организованной по «классической» схеме (например, автомобильной), непосредственный процесс торможения и последующей стабилизации скорости ракетной каретки, осуществляется следующим образом.

В тормозной системе имеется запас сжатого воздуха в баллоне, размещенном на несущей платформе ракетной каретки 1. При этом регулятором давления (редуктором) в системе поддерживается предусмотренное давление воздуха.

Несущая платформа каретки 1 с антикрылом 8 с сопутствующими устройствами 9…13, приводом (источником энергии) тормозной системы и исполнительно-регулирующим устройством 14, 15, с помощью опорно-направляющих башмаков 2 с элементами тормозной системы 3 устанавливается на рельсовые направляющие 16.

Антикрыло 8 устанавливается под заданным углом атаки (в случае механизированного крыла - в необходимые позиции устанавливаются предкрылки, закрылки...), обеспечивающим при достижении заданной скорости V, получения прижимной силы F_П, и вызванного ей перемещения штока 13 - X, необходимого для осуществления воздействия на элементы управления тормозной системой.

На ложементах 4, 5 закрепляются испытываемый объект (изделие) 6 и ракетный двигатель 7.

При запуске ракетного двигателя 7 каретка начинает ускоренное движение. Набегающий при этом на нее ветровой поток воздействует на антикрыло 8 и «генерирует» прижимающую силу F_П, величина которой, как выше показано, пропорциональна, при прочих неизменных условиях, квадрату скорости V.

Под действием силы F_П антикрыло 8 совершает вертикальное плоскопараллельное перемещение вниз в направлении опорной платформы 1. Стойки 9 антикрыла, двигаясь сквозь направляющие втулки 10 полых опор 11, опираются на размещенные в них упругие элементы 12, сжимают их, и таким образом усилие F_П передается на платформу 1 в дополнение к весу и позволяет частично компенсировать потерю массы двигателя 7 по мере выгорания топлива, и соответствующее приращение скорости каретки, т.е. ее ускорение.

Усилие сжатия упругих элементов 12, передаваемое на платформу 1, естественно равно F_П, но может быть определено и как:

где k - суммарная жесткость упругих элементов, Н/м;

X - линейная деформация (изменение длины) упругого элемента, м.

С учетом выражений (6, 8) легко выявляется зависимость между текущей скоростью каретки и линейной деформацией упругих элементов в опорах, равной величине перемещения крыла по вертикали:

Шток 13, соединенный с антикрылом 8, выполнен с возможностью регулирования длины. Для конкретных испытаний его длина устанавливается таким образом, чтобы при достижении кареткой заданной скорости V, и соответствующего перемещения антикрыла на величину X, торец штока приходил в соприкосновение с нажимным элементом 14 исполнительно-регулирующего устройства 15 тормозной системы 3, расположенной внутри башмаков 2.

При превышении кареткой заданной величины скорости V соответственно увеличиваются как величина прижимающей силы F_П, так и вызванного ей линейного перемещения X антикрыла 8 совместно со штоком 13. При этом шток 13, начинает взаимодействие с нажимным элементом 14.

При надавливании штока 13 на нажимной элемент 14 (по сути - педаль тормоза), последний взаимодействует (открывает) с системой клапанов, размещенных в корпусе исполнительно-регулирующего устройства 15, вследствие чего сжатый воздух из баллона по соответствующим пневмомагистралям заполняет полости тормозных цилиндров (камер), смонтированных внутри опорно-направляющих башмаков 2. Попадая под заданным давлением в тормозные цилиндры сжатый воздух приводит в действие поршни приводов тормозных колодок, - пара трения «башмак - рельс» заменяется парой «тормозная колодка - рельс», имеющей большой коэффициент трения. Каретка замедляется, т.е. уменьшается величина ее скорости V, а одновременно и действующей на антикрыло прижимающей силы F_П.

Под действием упругих элементов 12 антикрыло 8 совместно со штоком 13 поднимается вверх относительно несущей платформы 1, при этом нажимной элемент 14, также снабженный возвратной пружиной, на обратном ходе (вверх) осуществляет перекрытие клапанов подачи сжатого воздуха, и открытие клапанов сброса давления из цилиндров тормозной системы 3 в атмосферу.

При начале последующего очередного разгона, вышеописанный процесс взаимодействия антикрыла с элементами тормозной системы каретки повторяется.

Таким образом предлагаемая конструкция обеспечивает надежное и безопасное подтормаживание высокоскоростных рельсовых ракетных кареток, следствием чего является стабилизация и возможность поддержания постоянной скорости движения рельсовых ракетных кареток в течение заданного времени (или на заданной дистанции перемещения).

Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:

1) Патент РФ №2244910, G01M 7/08, Стенд для ударных испытаний, 2005 г.

2) D.J. Rigali, L.V. Feltz «High-Speed Monorail Rocket Sleds for Aerodynamic Testing at High Reynolds Numbers», Journal of Spacecraft and Rockets, 1968 г., T. 5, №11, стр. 1341-1346. - прототип.

Изобретение относится к испытательной технике, к оборудованию для высокоскоростных трековых испытаний и может быть использовано для разгона объектов испытаний на ракетном треке. Ракетная каретка содержит несущую платформу, установленную на опорно-направляющие башмаки с элементами тормозной системы, расположенные на ней ложементы для установки испытываемого изделия и ракетного двигателя, и антикрыло или систему антикрыльев. Антикрыло выполнено с возможностью вертикального плоскопараллельного перемещения относительно платформы и воздействия на элементы управления тормозной системой. По отношению к металлоконструкции ракетной каретки, и несомому ею ракетному двигателю, и испытываемому изделию антикрыло установлено с расположением прижимающей силы антикрыла на одной прямой с вектором силы тяжести каретки. Антикрыло может иметь возможность регулирования угла атаки или снабжено элементами механизации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ракетная каретка, содержащая несущую платформу, установленную на опорно-направляющие башмаки с элементами тормозной системы, расположенные на ней ложементы для установки испытываемого изделия и ракетного двигателя и антикрыло или систему антикрыльев, отличающаяся тем, что антикрыло выполнено с возможностью вертикального плоскопараллельного перемещения относительно платформы и воздействия на элементы управления тормозной системой.

2. Ракетная каретка по п. 1, отличающаяся тем, что антикрыло по отношению к металлоконструкции ракетной каретки, и несомому ею ракетному двигателю, и испытываемому изделию установлено с расположением прижимающей силы антикрыла на одной прямой с вектором силы тяжести каретки.

3. Ракетная каретка по п. 1, отличающаяся тем, что антикрыло установлено с возможностью регулирования угла атаки.

4. Ракетная каретка по п. 1, отличающаяся тем, что антикрыло снабжено элементами механизации.