УСТРОЙСТВО РАЗДЕЛЕНИЯ И СБРОСА ГОЛОВНОГО ОБТЕКАТЕЛЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ
DEVICE TO SEPARATED AND JETTISON LAUNCH VEHICLE NOSE CONE

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при разработке ракет-носителей (РН).
Известно устройство разделения и сброса головного обтекателя РН, содержащее две створки, шарнирно установленные на РН и связанные между собой замками продольного стыка, средства разделения и сброса створок («Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов». Под редакцией В.П.Мишина. - М.: Машиностроение, 1991 г., стр.285÷289, рис.7.2б). В качестве средств разделения и сброса используются пороховые ракетные двигатели (ПРД), установленные на каждой из створок, и толкатели.
Устройство разделения и сброса головного обтекателя РН функционирует следующим образом. После сборки обтекателя (соединения створок между собой замками) обтекатель устанавливается на РН, причем каждая из створок закрепляется на РН шарнирно и одновременно обе створки жестко связываются с РН входящими в ее состав замками. В описываемом варианте устройства разделения и сброса головного обтекателя на него также устанавливается пороховой ракетный двигатель (ПРД) системы аварийного спасения. После старта, в процессе полета РН, обтекатель защищает установленный на РН КА от воздействия набегающего воздушного потока и акустического воздействия, создаваемого работой двигателей РН. В заданное время от обтекателя отделяется ПРД системы аварийного спасения. Затем происходит раскрытие замков крепления створок к РН и замков продольного стыка, после чего включаются установленные на створках ПРД. В результате воздействия на створки реактивной тяги от работы ПРД створки подвергаются воздействию вращающих моментов, в результате чего они начинают разворачиваться с ускорением в шарнирах крепления к РН. При достижении требуемого углового положения происходит раскрытие шарниров, отсоединение электрических связей и под воздействием толкателей створки отделяются от РН, одновременно вращаясь вокруг собственных центров масс. Сочетание скорости отделения и скорости вращения створок таково, что соударение створок с РН не происходит.
Описанная конструкция обтекателя имеет следующие недостатки. Поскольку в процессе полета скорость набегающего потока воздуха достигает больших величин, установленные в носовой части створок ПРД необходимо защищать от возможного аэродинамического нагрева и силового воздействия потока специальными обтекателями. Наличие подобного рода выступов именно в носовой части существенно увеличивает аэродинамическое сопротивление обтекателя, что ведет к уменьшению массы полезного груза, выводимого РН на орбиту. Использование в составе обтекателя ПРД, являющихся средствами повышенной опасности, усложняет проведение работ при наземной подготовке, транспортировке, что приводит к увеличению стоимости запуска РН. Кроме того, использование в составе средств разделения и сброса кроме ПРД еще и толкателей усложняет конструкцию обтекателя, увеличивает вес и снижает надежность.
Известно устройство разделения и сброса головного обтекателя РН, содержащее две створки, шарнирно установленные на РН и связанные между собой замками продольного стыка, шарнирно установленные на каждой из створок попарно толкатели, опирающиеся на фитинги РН регулируемыми в осевом направлении хвостовиками, имеющими сферическую законцовку (патент РФ №2231486 от 27.06.2004 г.). В качестве толкателей используются толкатели пружинного типа. Каждый из толкателей кроме пружины содержит корпус, шток и демпфер.
Функционирует устройство разделения и сброса головного обтекателя РН следующим образом. Как и в описанной выше конструкции, собранный обтекатель устанавливается на РН, причем каждая из створок закрепляется на РН шарнирно и одновременно обе створки жестко связываются с РН входящими в ее состав замками. Затем на створки шарнирно устанавливаются толкатели, которые находятся в состоянии, когда пружины сжаты до исходного положения, а штоки зафиксированы относительно корпусов от выдвижения. После этого, регулируя положение хвостовиков, совмещают их сферические законцовки с фитингами, устраняя люфты в системе «обтекатель - толкатели - РН» до нуля и создавая некоторое гарантированное поджатие за счет деформации пружин. По окончании этой операции фиксация штоков относительно корпусов толкателей снимается, в результате чего РН и обтекатель оказываются под воздействием усилий со стороны пружин толкателей. Затем производится установка РН на стартовое устройство и заправка ее компонентами. При проведении этих операций корпус РН подвергается деформациям от действия гравитационных сил и возникновения в корпусе РН температурных напряжений, вследствие чего расстояние между осями подвески толкателей на створках и фитингами РН может колебаться. Изменение этого расстояния компенсируется изменением длины толкателей за счет растяжения или сжатия пружин толкателей. После запуска РН, по истечении заданного времени происходит раскрытие замков продольного стыка и замков крепления створок к РН. Под воздействием усилий толкателей створки начинают разворачиваться в шарнирах крепления створок к РН. Одновременно происходит удлинение толкателей и разворот их продольных осей относительно первоначального положения. При этом благодаря шарнирной установке толкателей на створках и взаимодействию с фитингами РН сферических законцовок хвостовиков толкатели разгружаются от воздействия изгибающих моментов, что способствует их нормальной работе. При развороте створок на заданный угол происходит раскрытие шарниров крепления створок к РН и под воздействием усилий толкателей створки начинают отходить от РН, одновременно вращаясь вокруг своих центров масс. Для обеспечения требуемых траекторий движений створок в процессе их сброса и уменьшения искажений этого процесса необходимо в конце рабочего хода толкателей погасить скорость их раздвижения, для чего используются демпферы. По окончании раздвижения толкателей их хвостовики выходят из фитингов РН и створки вместе с толкателями продолжают независимое от РН движение по инерции.
Эта конструкция устройства разделения и сброса головного обтекателя обладает следующими недостатками. Для того чтобы обеспечить безударный сброс обтекателя с минимальными возмущениями движения РН, этот процесс должен длиться весьма ограниченный отрезок времени. В то же время створки обтекателя имеют значительную массу и момент инерции. Следовательно, для сброса обтекателя за короткое время должна быть совершена значительная работа, при том, что и рабочий ход толкателей должен быть достаточно велик. В качестве источника работы в толкателях использованы пружины. Диаграмма работы пружины представляет собой треугольник, поэтому по мере растяжения пружины усилие, ею развиваемое, обратно пропорционально величине растяжения. Соответственно для того чтобы при совершении рабочего хода усилие пружины снижалось незначительно, необходимо использовать пружину большой длины. В то же время для обеспечения значительных усилий пружина должна иметь большой внешний диаметр и большое сечение витка. С учетом того, что в состав толкателя входят и другие элементы (корпус, шток и др.), габариты и масса толкателя оказываются весьма существенными, а использование в составе обтекателя, как минимум, четырех толкателей значительно увеличивает габариты и массу обтекателя. Кроме того, поскольку толкатели устанавливаются снаружи створок, несмотря на закрытие их гаргротами, увеличение поперечного сечения толкателя вызывает увеличение аэродинамического сопротивления обтекателя, что ведет к снижению массы полезного груза РН.
Поскольку после установки толкателей на створки, стыковки толкателей с РН и их расфиксации, на створки обтекателя и РН со стороны толкателей действуют значительные усилия, то необходимо усиление элементов конструкции РН и обтекателя, подвергающихся действию этих усилий, а это ведет к увеличению массы обтекателя и РН.
Использование пружины в качестве источника энергии для работы толкателя имеет еще один недостаток. Особенности технологии изготовления пружин таковы, что основные параметры пружин (в первую очередь максимальное усилие, развиваемое пружиной) могут колебаться в пределах 10%. Усилия, действующие при работе толкателей на РН, не проходят через ее центр масс, а следовательно, создают вращающие моменты, стремящиеся закрутить РН вокруг центра масс. Если эти усилия и плечи, на которых они действуют, одинаковы, то сумма моментов будет равна нулю. Если же усилия могут отличаться в некотором диапазоне, то возможны ситуации, когда сумма моментов, учитывая значительные величины усилий и диапазон их возможных изменений, будет достигать больших значений. Возникающая закрутка будет вызывать отклонение продольной оси РН в пространстве от программного и должна парироваться органами управления РН. Во избежание потери управления управляющие моменты должны превышать возмущающие, что при большой величине возмущающих моментов требует использования соответствующих управляющих органов, а это ведет к увеличению массы конструкции РН и снижению массы ее полезного груза. Кроме того, парирование возмущений программного движения РН происходит в течение некоторого времени, что приводит к искажению заданной траектории полета. Как результат, происходит искажение параметров орбиты выведения, которую должна обеспечить РН. При значительных искажениях соответственно может потребоваться коррекция орбиты средствами выводимого КА, что приведет к незапланированному расходу топлива.
Задачей изобретения является устранение имеющихся недостатков, а именно снижение массы устройства разделения и сброса головного обтекателя РН, уменьшение его аэродинамического сопротивления и снижение возмущений движения РН при разделении и сбросе обтекателя.
Поставленная задача разрешается тем, что в устройстве разделения и сброса головного обтекателя ракеты-носителя, содержащем закрепленные на ней с возможностью вращения створки, толкатели, шарнирно установленные на наружной поверхности створок, опирающиеся на фитинги РН регулируемыми в осевом направлении, связанными со штоками толкателей хвостовиками, имеющими сферические законцовки, каждый толкатель выполнен в виде пневмоцилиндра, поршень которого снабжен уплотнителем, выполненным в виде герметизирующего кольца, установленного в антифрикционный вкладыш, контактирующий внешней поверхностью с корпусом пневмоцилиндра, в поршне с возможностью поступательного перемещения и регулировки положения размещен подпружиненный упор, взаимодействующий с корпусом, причем между штоком и корпусом выполнен калиброванный зазор, а на каждой створке с ее внутренней стороны установлен аккумулятор давления, связанный через клапан открытия и пневмомагистрали с установленными на той же створке пневмоцилиндрами.
Суть изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство разделения и сброса головного обтекателя, установленное на РН, на фиг.2 показан пневмоцилиндр в разрезе, на фиг.3 изображена выноска А с разреза пневмоцилиндра.
Устройство разделения и сброса головного обтекателя РН состоит из двух створок 1, установленных в шарнирах 2 на РН 3 и связанных между собой замками продольного стыка 4. На каждой из створок 1 с внешней стороны шарнирно закреплена пара толкателей, выполненных в виде пневмоцилиндров 5, опирающихся на фитинги 6 РН 3 регулируемыми хвостовиками 7, имеющими сферические законцовки 8, а с внутренней стороны на каждой из створок 1 установлен аккумулятор давления 9 с клапаном открытия 10. Каждый из пневмоцилиндров 5 состоит из шарнирно закрепленного на створке 1 корпуса 11, поршня 12, снабженного уплотнителем, выполненным в виде герметизирующего кольца 13, установленного в антифрикционный вкладыш 14, контактирующий внешней поверхностью с корпусом 11. В поршне 12 установлена гайка 15, в которой с возможностью поступательного перемещения размещен подпружиненный упор 16, поджатый тарельчатыми пружинами 17. С поршнем 12 жестко связан шток 18, в который ввинчен хвостовик 7, а между корпусом 11 и штоком 18 имеется калиброванный зазор К. Каждый из пневмоцилиндров 5 соединен пневмомагистралью 19 с аккумулятором давления 9, установленным на той же створке 1.
Устройство разделения и сброса головного обтекателя РН функционирует следующим образом. После установки на внутренних поверхностях створок 1 аккумуляторов давления 9, стыковки створок 1 между собой замками продольного стыка 4, шарнирного закрепления на створках 1 пневмоцилиндров 5 и соединения их с пневмомагистралями 19, подходящими от аккумуляторов давления 9, производится установка обтекателя в шарниры 2 РН 3 и закрепление его на РН 3 путем закрытия замков РН 3. Перед установкой обтекателя хвостовики 7 пневмоцилиндров ввинчиваются в их штоки 18 на величину, обеспечивающую стыковку с фитингами 6 РН 3. После установки обтекателя на РН 3 производится вывинчивание хвостовиков 7 из штоков 18, за счет чего производится совмещение сферических законцовок 8 с фитингами 6 РН 3. При этом после доведения зазора между законцовками 8 хвостовиков 7 и фитингами 6 до нуля, производится вывинчивание хвостовиков 7 еще на некоторую величину, благодаря чему подпружиненные упоры 16, взаимодействуя с корпусом 11, поджимают тарельчатые пружины 17 на некоторую величину, вследствие чего создается гарантированное усилие поджатия хвостовиков 7 к фитингам 6. Следует отметить, что при установке в поршни 12 подпружиненных упоров 16 благодаря регулированию положения гаек 15 добиваются одинаковости гарантированного усилия поджатия подпружиненных упоров 16 к гайкам 15. Это необходимо, поскольку тарельчатые пружины 17 имеют большие колебание по величине жесткости. Вследствие того что подпружиненные упоры 16 при этом могут выступать над поршнем12 на разную величину, длина вывинчивания хвостовиков 7 при доведении зазора между законцовками 8 и фитингами 6 может быть разной, а при создании затем гарантированного усилия поджатия величина вывинчивания хвостовиков 7 одинакова, благодаря чему усилие гарантированного поджатия для всех пневмоцилиндров 5 одинаково.
При установке РН 3 на пусковое устройство, а также при проведении заправки РН 3 и после нее происходит деформация корпуса РН 3, в результате чего происходит смещение связок «поршень 12 + шток 18 + хвостовик 7» относительно корпусов 11 пневмоцилиндров 5, которое компенсируется сжатием или растяжением пакетов тарельчатых пружин 17 благодаря взаимодействию подпружиненных упоров 16 с корпусами 11. В процессе полета в заданное время производится раскрытие замков продольного стыка, расфиксируется стык створок 1 с РН 3 и одновременно открываются клапаны открытия 10. Сжатый воздух из аккумуляторов давления 9 подается в полости между поршнями 12 и корпусами 11, в результате чего со стороны пневмоцилиндров 5 на РН 3 и створки 1 начинает действовать расталкивающая сила требуемой величины. Благодаря одинаковой длине пневмомагистралей, одинаковому давлению заправки аккумуляторов 9, одинаковому усилию гарантийного поджатия достигается одинаковость усилий, действующих со стороны пневмоцилиндров 9 на створки 1 и РН 3. В процессе перемещения поршня 12 преодолевается усилие трения, возникающее в результате давления на стенку корпуса 11 уплотнителя поршня 12. Величина этого усилия кроме уровня давления определяется также коэффициентом трения между уплотнителем и стенкой корпуса 11. Использование в качестве уплотнителя герметизирующего кольца 13, создающего поджимающее усилие, установленного в антифрикционный вкладыш 14, выполненный, например, из фторопласта, позволяет снизить абсолютную величину трения и, как следствие, абсолютную величину разницы в усилиях, развиваемых разными пневмоцилиндрами 5, которая может возникать из-за разницы упругих и фрикционных свойств герметизирующих колец 13.
Под воздействием усилий от пневмоцилиндров 5 происходит разворот створок 1, причем благодаря близости по величине этих усилий возмущения движения РН 3 минимальны.
Поскольку между корпусом 11 и штоком 18 имеется калиброванный зазор К, то в момент старта РН 3 объем внутри корпусов 11, расположенный за поршнями 12 вокруг штоков 18, заполнен воздухом с атмосферным давлением. По мере подъема РН 3 над земной поверхностью давление окружающей среды падает и воздух из полостей за поршнями 12 начинает вытекать через зазор К наружу. Однако вследствие того, что отрезок времени от момента старта до момента начала сброса обтекателя невелик, а величина зазора К весьма мала, к моменту начала сброса обтекателя давление в полостях за поршнями 12 снизится незначительно. Поэтому в процессе движения поршней 12 в полостях за ними давление начнет возрастать при одновременном увеличения сброса воздуха через калиброванный зазор К. Соотношение между давлением в аккумуляторах давления 9, геометрическими параметрами пневмоцилиндров 5 и величиной зазора К выбраны так, что при обеспечении требуемой динамики разворота и отделения створок 1 скорость движения поршней 12 в конце рабочего хода снижается практически до нуля, что также способствует уменьшению возмущений движения РН 3. В остальном процесс сброса створок 1 происходит так же, как и у прототипа.
Предложенная конструкция устройства разделения и сброса головного обтекателя РН прошла экспериментальную отработку, в результате которой были подтверждены ее работоспособность и заявленные преимущества, а именно:
1. За счет уменьшения массы устройства разделения и сброса масса обтекателя снижена на 150 кг.
2. Благодаря малому поперечному сечению пневмоцилиндров и размещению аккумуляторов давления на внутренних поверхностях створок уменьшено аэродинамическое сопротивление обтекателя.
3. Существенно снижены возмущения движения РН в процессе сброса обтекателя, за счет чего повышена точность параметров орбиты выведения КА.