Межступенной отсек ракеты

 

Использование: в ракетно-космической технике. Сущность изобретения: межступенной отсек ракеты, содержащий стержневую ферму с передним и задним торцевыми шпангоутами и резьбовые соединительные элементы, снабжен двумя дополнительными передним и задним перестыковочными кольцами, скрепленными резьбовыми элементами с передним и задним шпангоутами фермы соответственно, пластинчатыми криволинейными створками с узлами крепления с внешней стороны межступенного отсека и узлом отделения. В торцевых шпангоутах фермы и в перестыковочных кольцах выполнены отверстия, ориентированные вдоль продольной и радиальных осей, распределенные по периметру и сообщенные между собой, в которых размещены резьбовые соединительные элементы. Узлы крепления каждой створки скреплены с задним шпангоутом фермы и с передним перестыковочным кольцом. Узел отделения выполнен в виде кольцевого удлиненного детонированного заряда, уложенного в ответном кольцевом пазу перестыковочного кольца, выполненного между радиальными отверстиями и скрепленного с передним шпангоутом фермы. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при проектировании межступенных отсеков ракет космического назначения, преимущественно с ракетными двигателями на твердом топливе.

Для ракет с тандемной схемой соединения ступеней межступенной отсек крепится одним своим торцем (задним) к переднему торцу корпуса двигательной установки предыдущей ступени ракеты, а другим торцем (передним) межступенной отсек крепится к заднему торцу корпуса двигательной установки последующей ступени, при этом сопловой блок двигательной установки последующей ступени размещен внутри объема межступенного отсека.

По функциональному назначению межступенной отсек обеспечивает, во-первых, восприятие эксплуатационных нагрузок, как при наземной эксплуатации, так и в течение работы двигательной установки предыдущей ступени (предыдущих ступеней) на активном участке траектории, обеспечивает, во-вторых, аэродинамическую форму ракеты между соединяемыми ступенями, обеспечивает, в-третьих, защиту соплового блока двигательной установки последующей ступени от воздействия твердых частиц, например, града при прохождении градового облака, на активном участке траектории и наконец межступенной отсек должен обеспечивать разделение ступеней после окончания работы двигательной установки предыдущей ступени, при этом время, необходимое для разделения ступеней (временная пауза между окончанием работы двигательной установки предыдущей ступени и началом работы двигательной установки последующей ступени), должно быть по возможности минимальным, особенно для межступенного отсека, соединяющего первую (стартовую) и вторую (одну из разгонных) ступень ракеты.

Объясняется это тем, что при обеспечении минимума временной паузы упрощается система управления (управляющие органы) ракеты, т.к. ракета после окончания работы двигательной установки стартовой ступени находится еще в достаточно плотных слоях атмосферы и для управления ракетой при достаточно длительной паузе требуются эффективные органы управления и соответственно при уменьшении длительности паузы снижаются требования по эффективности органов управления.

Известен межступенной отсек, содержащий подкрепленную продольным и поперечным набором силовую оболочку с передним и задним шпангоутами, при помощи которых отсек соединяет ступени ракеты (см. Л. И. Балабух и др. "Строительная механика ракет.", изд. Высшая школа, Москва 1965, стр. 317, фиг. 36.2) [1] Недостатком данного технического решения является то, что требуется достаточно сложная система отделения отсека. С целью минимизации паузы такой отсек необходимо делить на части (створки) путем рубки его, например, с помощью детонирующих удлиненных зарядов (ДУЗ) на несколько створок, для чего необходимо два поперечных ДУЗа и как минимум три или четыре продольных ДУЗа. При этом ДУЗы, особенно продольные, должны быть достаточно мощными, чтобы обеспечить разлет створок. Отметим, что при осуществлении рубки, например только поперечной, у переднего шпангоута межступенного отсека длительность паузы увеличивается на время, необходимое для отхода последующей ступени от предыдущей на расстояние, не меньшее длины межступенного отсека.

Таким образом, при использовании известного межступенного отсека [1] необходимо выбирать между двумя техническими решениями: использовать достаточно сложную систему продольно-поперечного разделения отсека при минимальной паузе или при достаточно простой системе поперечного деления у переднего шпангоута использовать достаточно эффективные органы управления при увеличенной паузе.

Известен межступенной отсек ракеты, содержащий стержневую ферму с передним и задним торцевыми шпангоутами и резьбовые соединительные элементы для соединения отсека с предыдущей и последующей ступенями ракеты, см. Л.И. Балабух "Строительная механика ракет.", изд. Высшая школа, Москва, 1965, стр. 337, фиг. 39.1 [2] принятый за прототип.

Недостатками технического решения, принятого за прототип, является то, что отсутствует защита соплового блока последующей ступени от воздействия твердых частиц, например града, при прохождении ракетой градового облака на активном участке траектории и происходит ухудшение аэродинамических характеристик ракеты.

Технической задачей изобретения является улучшение функциональных характеристик путем обеспечения защиты соплового блока от внешних воздействий при одновременном улучшении аэродинамических характеристик и обеспечении минимальной паузы.

Решение технической задачи заключается в том, что в известном межступенном отсеке ракеты, содержащем стержневую ферму с передним и задним торцевыми шпангоутами и резьбовые соединительные элементы, отсек снабжен двумя дополнительными передним и задним перестыковочными кольцами, скрепленными резьбовыми элементами с передним и задним шпангоутами фермы соответственно, пластинчатыми криволинейными створками с узлами крепления с внешней стороны, межступенного отсека и узел отделения, при этом в торцевых шпангоутах фермы и в перестыковочных кольцах выполнены отверстия, ориентированные вдоль продольной и радиальных осей, распределенные по их периметру и сообщенные между собой, при этом отверстия, ориентированные вдоль продольной оси, выполнены с торцев шпангоута фермы и с обеих торцев каждого перестыковочного кольца, а из них отверстия, выполненные в перестыковочных кольцах с торцев, контактирующих с торцами шпангоутов фермы, расположены соосно с аналогичными отверстиями шпангоутов фермы, при этом резьбовые элементы, соединяющие перестыковочные кольца со шпангоутами фермы, размещены соответственно в отверстиях, расположенных соосно относительно друг друга в контактирующих шпангоутах и перестыковочных кольцах и в сообщенных с ними радиальных отверстиях, а резьбовые соединительные элементы межступенного отсека размещены в остальных отверстиях перестыковочных колец, при этом узлы крепления каждой створки скреплены с задним шпангоутом фермы и с передним перестыковочным кольцом, а узел отделения выполнен в виде кольцевого удлиненного детонирующего заряда, уложенного в ответном кольцевом пазу перестыковочного кольца, выполненного между радиальными отверстиями и скрепленного с передним шпангоутом фермы.

Частные признаки, характеризующие конструкцию межступенного отсека ракеты.

Стержни фермы пересекаются между собой и жестко скреплены в местах пересечения.

Стержни и шпангоуты фермы выполнены из углепластика, а перестыковочные кольца из металла.

Отношение суммарной площади просветов между стержнями к общей площади боковой поверхности фермы между торцами шпангоутов, скрепленных со стержнями, находится в пределах 0,3.0,5.

Радиально ориентированные отверстия фермы выполнены цилиндрическими.

Радиально ориентированные отверстия в перестыковочном кольце, скрепленном с задним шпангоутом фермы, выполнены в виде пазов прямоугольными и открытым с торцев, при этом пазы одного торца смещены по периметру относительно пазов, выполненных на другом торце перестыковочного кольца, а размер пазов, выполненных со стороны торца, контактирующего с торцем заднего шпангоута фермы в поперечном направлении меньше аналогичного размера пазов, выполненных с противоположного торца этого перестыковочного кольца, при этом резьбовые элементы, соединяющие перестыковочное кольцо с ответным элементом, размещены в пазах, выполненных с торца, контактирующего с задним шпангоутом фермы и в сообщающихся с ними осевых отверстиях, а резьбовые элементы, соединяющие перестыковочное кольцо с задним шпангоутом фермы, размещены соответственно в оставшихся пазах, сообщаемых с ними осевых отверстиях и в соосных с ними отверстиях заднего шпангоута.

Узлы крепления каждой створки с передним перестыковочным кольцом и задним шпангоутом фермы выполнены разрушаемыми.

Узлы крепления каждой створки к заднему шпангоуту фермы выполнены шарнирными.

Шарнирный узел крепления створки жестко скреплен с резьбовыми элементами, установленными в радиальных отверстиях заднего шпангоута фермы.

На фиг. 1 изображен общий вид межступенного отсека; на фиг. 2 сечение А А на фиг.1; на фиг. 3 сечение Б Б на фиг.1; на фиг. 4 сечение В В на фиг.1; на фиг. 5 сечение Г Г на фиг.1; на фиг. 6 вид по стрелке Д на фиг.5; на фиг. 7 сечение Е Е на фиг.1; на фиг. 8 сечение Ж Ж на фиг.1; на фиг. 9 межступенной отсек после отделения.

Межступенной отсек ракеты содержит стержневую ферму 1 с передним 2 и задним 3 торцевыми шпангоутами и резьбовые соединительные элементы для соединения отсека с предыдущей 4 и последующей 5 ступенями ракеты. Отсек снабжен двумя дополнительными передним 6 и задним 7 перестыковочными кольцами, скрепленными резьбовыми элементами соответственно с передним 2 и задним 3 шпангоутами фермы 1, пластинчатыми криволинейными створками 8 с разрушаемыми 9 и шарнирными 10 узлами крепления к отсеку с внешней его стороны и узлом отделения от последующей ступени, при этом в торцевых шпангоутах 2 и 3 фермы и в перестыковочных кольцах 6 и 7 выполнены ориентированные вдоль продольной и радиальных осей отверстия 11, 12, распределенные по их периметру и сообщенные между собой, из которых отверстия 11, ориентированные вдоль продольной оси, выполнены соответственно с торцев каждого шпангоута 2 и 3 фермы 1 и с обеих торцев каждого перестыковочного кольца 6, 7, а из них отверстия, выполненные в перестыковочных кольцах 6 и 7 с торцев, контактирующих с торцами шпангоутов 2 и 3 фермы 1, расположены соосно с аналогичными отверстиями шпангоутов 2, 3 фермы 1, при этом резьбовые элементы 12 (болты, шпильки), соединяющие перестыковочные кольца 6, 7 со шпангоутами 2, 3 фермы 1, размещены соответственно в их продольных отверстиях 11, расположенных соосно друг другу в контактирующих шпангоутах 2, 3 и кольцах 6, 7 и в сообщенных с ними радиальных отверстиях 12, а резьбовые элементы 14, соединяющие отсек с последующей 5 и предыдущей 4 ступенями ракеты, размещены в остальных продольных 11 и радиальных 12 отверстиях перестыковочных колец 6, 7, при этом шарнирные узлы 10 крепления каждой створки 8 размещены у одной ее поперечной кромки и скреплены с задним шпангоутом 2 фермы 1, а разрушаемые узлы 9 крепления каждой створки 8 скреплены с передним перестыковочным кольцом 6, узел отделения выполнен в виде кольцевого удлиненного детонирующего заряда 15, уложенного в ответном кольцевом пазу 16 перестыковочного кольца 6, скрепленного с передним шпангоутом 2 фермы 1 и выполненного между радиальными отверстиями 12 этого кольца 6.

Стержни фермы пересекаются между собой и жестко скреплены между собой в узлах пересечения.

Стержни и шпангоуты 2, 3 фермы 1 выполнены из углепластика, а перестыковочные кольца 6, 7 из металла.

Отношение суммарной площади просветов между стержнями к общей площади боковой поверхности фермы между торцами шпангоутов, скрепленных со стержнями, находится в пределах 0,3 0,5.

Радиально ориентированные отверстия 12 фермы 1 выполнены цилиндрическими, а резьбовые элементы 13 ввернуты в цилиндрические гайки 17, резьбовые отверстия которых ориентированы своей продольной осью перпендикулярно продольной оси гайки 17, которые размещены в цилиндрических радиальных отверстиях шпангоутов 2, 3 фермы 1.

Радиально ориентированные отверстия 12 в перестыковочном кольце 7, скрепленным с задним шпангоутом 3 фермы 1, выполнены в виде прямоугольных и открытых с торцев пазов, при этом пазы 12, выполненные с одного торца, смещены по периметру относительно пазов 12, выполненных с другого торца этого кольца 7, размер пазов 12, выполненных со стороны торца, контактирующего с торцем заднего 3 шпангоута фермы 1, в поперечном направлении меньше аналогичного размера пазов 12, выполненных с противоположного торца этого кольца 7, при этом резьбовые элементы 14, соединяющие перестыковочное кольцо 7 с предыдущей ступенью 4 ракеты, размещены в пазах 12, выполненных с торца, контактирующего с задним шпангоутом 3 фермы 1 и в сообщающихся с ними осевых отверстиях 11, а резьбовые элементы 13, соединяющие перестыковочное кольцо 7 с задним шпангоутом 3 фермы 1, размещены соответственно в оставшихся пазах 12, сообщающихся с ними осевых отверстиях 11 и в соосных с ними отверстиях 12 заднего шпангоута 3.

Узлы крепления каждой створки с передним перестыковочным кольцом выполнены разрушаемыми, а узел крепления к заднему шпангоуту фермы - шарнирными.

Узлы крепления каждой створки с передним перестыковочным кольцом и задним шпангоутом фермы выполнены разрушаемыми (вариант, на фигуре не показан).

Шарнирный узел 10 крепления створки 8 жестко скреплен с резьбовыми элементами 17, установленными в радиальных отверстиях 12 заднего шпангоута 3 фермы 1.

Если в качестве резьбовых элементов 13 и 14 используются шпильки, то в радиальных пазах 12 перестыковочных колец 6, 7 размещаются гайки 18, в которых ввернуты резьбовые элементы 13 и 14.

По окончании работы двигательной установки предыдущей ступени 4 по команде от системы управления подается команда на срабатывание ДУЗа 15, в результате чего осуществляется перерубание переднего перестыковочного кольца 6 по пазу 15, в котором уложен ДУЗ 15 и практически одновременно с этим осуществляют запуск двигательной установки последующей 5 ступени ракеты и происходит разрушение разрушаемых узлов 9 крепления створок 8. Разрушаемые узлы 9 выполнены в виде резьбовых элементов с поперечными сечениями, обеспечивающими их разрушение при действии на них расчетной нагрузки.

Под действием давления газов от работающей двигательной установки последующей ступени створки 8 осуществляют организованное вращательное движение вокруг шарнирных узлов 10 крепления.

Соотношение между площадью проходного сечения просветов между стержнями фермы 1 к полной площади боковой поверхности отсека между торцами шпангоутов 2 и 3, с которыми скреплены стержни, в пределах 0,3.0,5 обеспечивает расчетный выход на режим полной тяги двигательной установки последующей ступени 4.

Изготовление стержней и шпангоутов 2, 3 фермы 1 из углепластика обеспечивает стойкость ее элементов при действии на нее горячих газов работающей двигательной установки и исключает неорганизованное разрушение.

Изготовление перестыковочных колец 6 и 7 из металла, а стержней и шпангоутов 2 и 3 фермы 1 из углепластика позволяют с одной стороны обеспечить стойкость конструкции при высокотемпературном нагружении, а с другой стороны обеспечить пристыковку и отстыковку отсека.

Очевидно, что для обеспечения монтажа (демонтажа) отсека, гайки (головки болтов) необходимо располагать в радиально ориентированных пазах, размер которых по периметру примерно в три раза должен превышать размер под ключ гайки (головки болта). Это требование обеспечивает размещение в пазах ключа и поворот гайки при ее завинчивании (отвинчивании).

Выполнение подобных пазов в конструкциях из композитных материалов практически не осуществляется, так как при этом происходит перерезание волокон угленити (стеклонити) и существенно снижается прочность конструкции.

Как показала практика проектирования конструкций из композитных материалов, наиболее оптимальным с точки зрения прочности является выполнение в них цилиндрических радиально ориентированных отверстий для размещения в них резьбовых элементов, что приводит к минимально возможному ослаблению прочности конструкции.

В металлических перестыковочных кольцах выполнение удлиненных радиально ориентированных пазов не является проблематичным.

Выполнение в заднем перестыковочном кольце 7 радиальных пазов, выполненных с противоположных его торцев со смещением друг относительно друга в поперечном направлении позволяет существенно (в 1,5 раза) снизить его габаритный размер в продольном направлении.

Выполнение пазов, выполненных с одного торца, меньшего размера в поперечном направлении по сравнению с пазами, выполненными с другого торца, позволяет при уменьшенных габаритах в продольном направлении разместить максимально возможное число резьбовых элементов и исключает тем самым ограничение по прочности.

Эксплуатационные характеристики при этом не ухудшаются, так как пристыковку самого перестыковочного кольца 7 к заднему шпангоуту 3 фермы 1 можно осуществлять с помощью торцевого ключа, а пристыковка отсека к предыдущей ступени 4 обеспечивается за счет выполнения оставшихся радиальных пазов соответствующего размера в радиальном направлении.

Размещение ДУЗа между радиально ориентированными пазами переднего перестыковочного кольца 6 обеспечивает уменьшение перерубаемой площади кольца и быстрый спад давления газов, образующийся при срабатывании ДУЗа.

Наличие створок 8 обеспечивает хорошую аэродинамическую форму отсека и защиту соплового блока последующей ступени 5 от внешних воздействий.

В настоящее время разработаны рабочие чертежи на межступенной отсек в полном соответствии с формулой изобретения, изготовлены опытные образцы и проведен полный цикл отработки с положительными результатами.

Формула изобретения

1. Межступенчатый отсек ракеты, содержащий стержневую ферму с передним и задним торцевыми шпангоутами и резьбовые соединительные элементы, отличающийся тем, что отсек снабжен двумя дополнительными передним и задним перестыковочными кольцами, скрепленными резьбовыми элементами с передним и задним шпангоутами фермы соответственно, пластинчатыми криволинейными створками с узлами крепления с внешней стороны межступенчатого отсека и узел отделения, при этом в торцевых шпангоутах фермы и в перестыковочных кольцах выполнены отверстия, ориентированные вдоль продольной и радиальных осей, распределенные по их периметру и сообщенные между собой, при этом отверстия, ориентированные вдоль продольной оси, выполнены с торцев шпангоута фермы и с обоих торцев каждого перестыковочного кольца, а из них отверстия, выполненные в перестыковочных кольцах с торцев, контактирующих с торцами шпангоутов фермы, расположены соосно с аналогичными отверстиями шпангоутов фермы, при этом резьбовые элементы, соединяющие перестыковочные кольца со шпангоутами фермы, размещены соответственно в отверстиях, расположенных соосно относительно друг друга в контактирующих шпангоутах и перестыковочных кольцах и в сообщенных с ними радиальных отверстиях, а резьбовые соединительные элементы межступенчатого отсека размещены в остальных отверстиях перестыковочных колец, при этом узлы крепления каждой створки скреплены с задним шпангоутом фермы и с передним перестыковочным кольцом, а узел отделения выполнен в виде кольцевого удлиненного детонирующего заряда, уложенного в ответном кольцевом пазу перестыковочного кольца, выполненного между радиальными отверстиями и скрепленного с передним шпангоутом фермы.

2. Отсек по п. 1, отличающийся тем, что стержни фермы пересекаются между собой и жестко скреплены в местах пересечения.

3. Отсек по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что стержни и шпангоуты фермы выполнены из углепластика, а перестыковочные кольца из металла.

4. Отсек по пп. 1 3, отличающийся тем, что отношение суммарной площади просветов между стержнями к общей площади боковой поверхности фермы между торцами шпангоутов, скрепленных со стержнями, находится в пределах 0,3 0,5.

5. Отсек по пп. 1 4, отличающийся тем, что радиально ориентированные отверстия фермы выполнены цилиндрическими.

6. Отсек по пп. 1 5, отличающийся тем, что радиально ориентированные отверстия в перестыковочном кольце, скрепленном с задним шпангоутом фермы, выполнены в виде пазов прямоугольными и открытыми с торцев, при этом пазы одного торца смещены по периметру относительно пазов, выполненных на другом торце перестыковочного кольца, а размер пазов, выполненных со стороны торца, контактирующего с торцом заднего шпангоута фермы в поперечном направлении меньше аналогичного размера пазов, выполненных с противоположного торца этого перестыковочного кольца, при этом резьбовые элементы, соединяющие перестыковочное кольцо с ответным элементом, размещены в пазах, выполненных с торца, контактирующего с задним шпангоутом фермы, и в сообщающихся с ними осевых отверстиях, а резьбовые элементы, соединяющие перестыковочное кольцо с задним шпангоутом фермы, размещены соответственно в оставшихся пазах, сообщаемых с ними осевых отверстиях и в соосных с ними отверстиях заднего шпангоута.

7. Отсек по пп. 1 6, отличающийся тем, что узлы крепления каждой створки с передним перестыковочным кольцом и задним шпангоутом фермы выполнены разрушаемыми.

8. Отсек по пп. 1 6, отличающийся тем, что узлы крепления каждой створки к заднему шпангоуту фермы выполнены шарнирными.

9. Отсек по пп. 1 6, отличающийся тем, что шарнирный узел крепления створки жестко скреплен с резьбовыми элементами, установленными в радиальных отверстиях заднего шпангоута фермы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9