СПОСОБ РАЗГОНА ОБЪЕКТА ИСПЫТАНИЙ РЕАКТИВНЫМ АППАРАТОМ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ACCELERATING TESTED OBJECT BY JET APPARATUS AND TEST BENCH TO THIS END

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для разгона объектов испытаний на ракетном треке.
Проблема таких испытаний заключается в достижении максимально возможных скоростей разгона объектов при использовании средств разгона с ограниченной номенклатурой специально разработанных твердотопливных ракетных двигателей с коротким (~1, 2 и 3 с) временем работы, фиксированных перегрузке разгона и длине разгонного участка.
Известен способ разгона объекта испытаний реактивным аппаратом (РА), выбранный в качестве прототипа для заявляемого способа, включающий определение количества ступеней ракетного поезда (реактивного аппарата), времени работы его ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) и скорости для заданных массы объекта испытаний (ОИ), типа РДТТ, длины разгонного участка и допустимой перегрузки; поступенный запуск РДТТ и разгон ОИ с их помощью на этом участке (см. А.Г.Бобровников, С.В.Куликов, Ю.И.Файков, Г.П.Шляпников. Некоторые вопросы проектирования экспериментальных баллистических установок, сборник докладов научной конференции «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения», Саров, ВНИИЭФ, 2000 г., стр.195-201).
Известен стенд для динамических испытаний, выбранный в качестве прототипа для заявляемого стенда, содержащий ракетный трек (РТ), предназначенный для разгона ОИ при помощи ракетного поезда, представляющего собой одно- или многоступенчатый реактивный аппарат - ракетную систему, установленную с возможностью перемещения по рельсовым направляющим РТ. Каждая ступень собрана из одного или нескольких ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), размещенных на ракетной тележке, выполненной с возможностью размещения ОИ и установленной посредством башмаков на рельсовых направляющих РТ (см. литературу, указанную выше, а также Ю.И.Файков, В.И.Дудай, В.М.Никулин, Г.П.Шляпников. Испытания ракетной и авиационной техники на ракетном треке, журнал «Известия российской академии ракетных и артиллерийских наук», №3(48), М.: РАРАН, 2006 г., стр.11-14).
Недостатком известного способа и стенда является то, что для объекта испытаний (ОИ) любой массы не всегда удается подобрать из имеющейся номенклатуры РДТТ многоступенчатый ракетный аппарат, обеспечивающий разгон ОИ на всей длине разгонного участка ракетного трека с допустимой перегрузкой. Практика показывает, что часто до 30% длины разгонного участка ракетного трека бывает неиспользованной.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа разгона реактивного аппарата и стенда, обеспечивающих разгон ОИ на всей длине разгонного участка с перегрузками, близкими к допустимым.
Технический результат при осуществлении способа и стенда заключается в повышении скорости разгона, эффективности использования ракетного трека и расширении номенклатуры используемых РДТТ.
c
c
Поставленная задача решается тем, что по заявляемому способу разгона объекта испытаний реактивным аппаратом, включающему определение количества его ступеней, времени работы его РДТТ и скорости для заданных массы ОИ, типа РДТТ, длины разгонного участка и допустимой перегрузки, поступенный запуск РДТТ и разгон ОИ с их помощью, время работы РДТТ РА определяют из условия t+t>Т>t, где t - время движения РА на разгонном участке, t - время работы ступени с наименьшим периодом работы двигателя, при поступенном запуске РДТТ после запуска РДТТ первой ступени удерживают РА на старте посредством разрушаемой связи в течение промежутка времени ΔТ=Т-t, затем разрушают связь.
c
c
От прототипа заявляемый способ отличается тем, что время Т работы РДТТ РА определяют из условия t+t>Т>t, где: t - время движения РА на разгонном участке, t - время работы ступени с наименьшим периодом работы двигателя, при поступенном запуске РДТТ после запуска РДТТ первой ступени, удерживают РА на старте посредством разрушаемой связи в течение промежутка времени ΔТ=Т-t, затем разрушают связь.
Поставленная задача решается также тем, что заявляемый стенд для динамических испытаний содержит РТ, по крайней мере, одну ступень РА с, по крайней мере, одним РДТТ, размещенным на ракетной тележке, выполненной с возможностью размещения ОИ, установленной посредством башмаков на рельсовых направляющих РТ, дополнительно содержит установленный сзади первой ступени по ходу движения РА газодинамический тормоз, включающий основание, взаимодействующее посредством фрикционных башмаков с рельсовыми направляющими РТ, парус в виде плиты, закрепленной на основании напротив сопел РДТТ первой ступени перпендикулярно их продольной оси, при этом площадь паруса и его расстояние до сопел РДТТ первой ступени выбраны из условия обеспечения равенства продольной составляющей сил, действующих на парус от газовых струй при работе РДТТ первой ступени, суммарной тяге двигателей этой ступени; газодинамический тормоз соединен с первой ступенью РА разрушаемой в заданный момент связью. Газодинамический тормоз стенда дополнительно может содержать контейнер, жестко закрепленный на основании газодинамического тормоза и заполненный утяжеляющим балластом.
Газодинамический тормоз может быть соединен с первой ступенью РА разрушаемой в заданный момент связью в виде разрывных болтов.
От прототипа заявляемый стенд отличаются тем, что дополнительно содержит установленный сзади первой ступени по ходу движения РА газодинамический тормоз, включающий основание, взаимодействующее посредством фрикционных башмаков с рельсовыми направляющими РТ, парус в виде плиты, закрепленной на основании напротив сопел РДТТ первой ступени перпендикулярно их продольной оси, при этом площадь паруса и его расстояние до сопел РДТТ первой ступени выбраны из условия обеспечения равенства продольной составляющей сил, действующих на парус от газовых струй при работе РДТТ первой ступени, суммарной тяге двигателей этой ступени; газодинамический тормоз соединен с первой ступенью РА разрушаемой в заданный момент связью. Газодинамический тормоз стенда дополнительно может содержать контейнер, жестко закрепленный на основании газодинамического тормоза и заполненный утяжеляющим балластом.
Газодинамический тормоз может быть соединен с первой ступенью РА разрушаемой в заданный момент связью в виде разрывных болтов.
c
c
Определение для заданных массы ОИ, типа РДТТ, длины разгонного участка и допустимой перегрузки количества ступеней РА, времени работы ее РДТТ из условия t+t>Т>t, где: t - время движения РА на разгонном участке, t - время работы ступени с наименьшим периодом работы двигателя, при поступенном запуске РДТТ после запуска РДТТ первой ступени, удерживание РА на старте посредством разрушаемой связи в течение промежутка времени ΔТ=Т-t, последующее разрушение этой связи и разгон РА с ОИ позволяет произвести разгон ОИ до максимально возможной скорости, так как в этом случае разгон ОИ производится на всей длине разгонного участка с максимально возможным в пределах допустимого ускорением.
Выполнение стенда для динамических испытаний, содержащим РТ, по крайней мере, одну ступень РА с, по крайней мере, одним РДТТ, размещенным на ракетной тележке, выполненной с возможностью размещения ОИ и установленной посредством башмаков на рельсовых направляющих РТ, установка сзади первой ступени дополнительно тормоза, соединенного с первой ступенью РА разрушаемой в заданный момент связью, позволяет произвести необходимую задержку первой ступени в течение промежутка времени ΔТ и, соответственно, произвести разгон ОИ на всей длине разгонного участка с максимально возможным ускорением до максимально возможной скорости.
Выполнение тормоза газодинамическим, установленным сзади первой ступени РА по ходу движения, включающим основание, взаимодействующее посредством башмаков с рельсовыми направляющими РТ, парус в виде плиты, закрепленной на основании напротив сопел РДТТ первой ступени перпендикулярно их продольной оси, выбор при этом площади паруса и его расстояния до сопел РДТТ первой ступени из условия обеспечения равенства продольной составляющей сил, действующих на парус от газовых струй при работе РДТТ первой ступени, суммарной тяге двигателей этой ступени, позволяет на порядок уменьшить воздействие нагрузок на конструкцию ракетного трека при задержке первой ступени.
Выполнение башмаков, посредством которых основание газодинамического тормоза взаимодействует с рельсовыми направляющими РТ, фрикционными (тормозными) позволяет компенсировать силами трения этих башмаков о рельсовые направляющие погрешности в расчетном выборе площади паруса и, соответственно, обеспечить неподвижность РА в процессе задержки в течение промежутка времени ΔT. Силами трения этих башмаков также тормозится газодинамический тормоз, который разгоняется до некоторой скорости после разрушения его связи с первой ступенью РА.
Введение в газодинамический тормоз контейнера, жестко закрепленного на основании газодинамического тормоза и заполненного утяжеляющим балластом, позволяет уменьшить скорость разгона газодинамического тормоза после разрушения его связи с первой ступенью РА и, соответственно, уменьшить его тормозной путь.
Соединение газодинамического тормоза с первой ступенью РА разрушаемой в заданный момент связью в виде разрывных болтов позволяет быстро (за ~1 мс) разрушить связь и, соответственно, исключить влияние этой связи на время задержки.
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг.1 и 2 изображены общий вид сбоку и сверху размещения первой и второй ступеней РА и газодинамического тормоза на РТ;
- на фиг.3 изображена разрушаемая с помощью разрывного болта связь газодинамического тормоза и первой ступени РА;
- на фиг.4 изображен вид РА слева;
- на фиг.5 изображен вид газодинамического тормоза справа.
Стенд для динамических испытаний содержит ракетный трек 1 с двумя рельсовыми направляющими 2, на которые устанавливается с возможностью свободного перемещения вдоль трека реактивный аппарат. Реактивный аппарат содержит (в данном примере) две ступени (первая Г и вторая Д), состоящие каждая из двух (в данном примере) ракетных двигателей 3 на твердом топливе, размещенных на ракетной тележке, установленной посредством башмаков 4 на рельсовые направляющие 2 РТ 1. В данном примере корпуса РДТТ 3 связаны посредством силовых шпангоутов 5 между собой и являются силовыми элементами ракетной тележки. Спереди к ракетной тележке второй ступени крепится объект испытаний (не показан).
Стенд дополнительно содержит установленный сзади первой ступени РА по ходу движения газодинамический тормоз, включающий основание 6, взаимодействующее посредством фрикционных башмаков 7 с рельсовыми направляющими 2 РТ 1, парус 8 в виде плиты, закрепленной на основании 6 напротив сопел РДТТ 3 первой ступени перпендикулярно их продольной оси. Площадь паруса 8 и его расстояние L до сопел РДТТ 3 первой ступени Г выбраны из условия обеспечения равенства продольной составляющей сил, действующих на парус от газовых струй при работе РДТТ 3 первой ступени, суммарной тяге двигателей 3 этой ступени. Газодинамический тормоз соединен с первой ступенью Г разрушаемой в заданный момент связью в виде поворотных относительно осей 9 тяг 10, закрепленных к ракетной тележке разрывными болтами 11. Фрикционные башмаки 7 затягиваются так, чтобы сила трения не превышала допустимую продольную нагрузку на рельсовые направляющие 2 (в данном примере ~40 т). На основании 6 газодинамического тормоза может быть дополнительно установлен и жестко закреплен контейнер 12, заполненный утяжеляющим балластом 13, например бетоном.
c
c
Способ разгона объекта испытаний реактивным аппаратом осуществляется при работе стенда для динамических испытаний следующим образом. Перед проведением эксперимента для заданных массы ОИ и допустимой перегрузки, с учетом имеющихся типов РДТТ и длины разгонного участка определяют количество ступеней, скорость реактивного аппарата, их состав (по количеству и типу РДТТ) так, чтобы общее время Т работы РДТТ 3 PA удовлетворяло условию t+t>Т>t, где: t - время движения РА на разгонном участке, t - время работы ступени с наименьшим периодом работы двигателя. Далее запускают два двигателя РДТТ 3 первой ступени Г, при этом удерживают РА на старте посредством разрушаемой связи в течение промежутка времени ΔТ=Т-t. Удерживание на старте РА производится за счет ее соединения разрушаемой связью с газодинамическим тормозом, выбора площади паруса и расстояния L от него до сопел РДТТ первой ступени из условия равенства продольной составляющей сил, действующих на парус 8 от газовых струй при работе РДТТ 3 первой ступени Г, суммарной тяге (до 200 т) двигателей 3 этой ступени. Погрешности при расчетном выборе паруса 8 компенсируются силами трения фрикционных башмаков 7 (~20 т в данном примере), и в результате исключается перемещение газодинамического тормоза и РА. По истечении времени ΔТ в заданный момент разрушают связь первой ступени Г с газодинамическим тормозом путем инициирования подрыва разрывных болтов 11. После подрыва разрывных болтов 11 тяги 10 поворачиваются относительно осей 9, первая ступень Г отсоединяется от газодинамического тормоза и начинает двигаться, разгоняя РА с ОИ. На парус 8 газодинамического тормоза еще в течение ~0,1 с действует спадающая от ~200 т до 0 сила давления струи газов отъезжающих ракетных двигателей. Она разгоняет газодинамический тормоз (масса его за счет жестко закрепленного контейнера 12 с утяжеляющим балластом 13 в данном примере равна 20 т) в обратную сторону до скорости ~3,5 м/с на пути ~0,2 м. Затем газодинамический тормоз тормозится на пути ~0,6 м силами трения фрикционных башмаков 7. После окончания работы РДТТ 3 первой ступени Г запускают РДТТ второй ступени Д с ОИ и так разгоняют ОИ на длине разгонного участка ракетного трека до максимально возможной скорости. Так, например, разгон ОИ на ракетном треке с разгонным участком длиной 3 км с постоянной перегрузкой 50g может быть произведен за 3,46 с до скорости 1730 м/с (оценка для упрощения производится без учета изменения ускорения за счет изменения массы топлива и тяги двигателей в процессе разгона). Исходя из имеющихся в номенклатуре двигателей (см. выше) можем выбрать ракетную систему с общим временем работы 3 с. Нетрудно определить, что в этом случае ОИ разгонится до скорости ~1500 м/с на пути ~2250 м. Получаем неиспользование ~750 м разгонного участка и, как следствие, недобор скорости ~230 м/с (~15%). Следует отметить, что добавка скорости 230 м/с к 1500 м/с требует в 14 раз больше энергии, чем просто разгон ОИ той же массы до скорости 230 м/с. Если выбрать ракетную систему с общим временем работы Т=4 с и задержать ее на старте на ΔT=0,54 с, то в итоге получим максимально возможную скорость разгона ОИ 1730 м/с при заданных перегрузке и длине разгонного участка.
Следует отметить, что предложенный способ и стенд для его реализации можно использовать не только для получения максимальных скоростей, но и для разгона ОИ на имеющихся ракетных треках с использованием широкого ассортимента выпускаемых промышленностью твердотопливных ракетных двигателей с временами работы 6 с и более, например, вместо их утилизации.
Таким образом, предложенный способ разгона объекта испытаний реактивным аппаратом и стенд для его осуществления позволяют повысить эффективность использования ракетного трека (полностью использовать разгонный участок), увеличить на 15-20% скорость разгона и расширить номенклатуру применяемых на РТ РДТТ.