Ступени ракет — носителей или о сосисках по чуть-чуть.
Поболтаем немного о конструкции ракет космического назначения.
Будучи немного огорченным из-за брошенного камня в мой огород на тему «ступени ракеты-носителя» в посту http://pikabu.ru/story/otdelenie_bokovyikh_blokov_raketyinositelya_4358814#comment_69629676 заливаю сей пост.
Исключительно в познавательных целях.
Для начала: ракета-носитель (далее РН) являет собой многоступенчатый (состоит из нескольких частей) аппарат (ракету), который своим существованием обязан выводить полезную нагрузку в космическое пространство.
Каждая ступень ракеты — это по своей сути отдельная ракета, которая сочленена с другой ступенью (ракетой).
Почему «многоступенчатая» ракета-носитель? Просто потому, что одноступенчатой ракеты-носителя, способной доставить полезную нагрузку на орбиту пока не изобрели.
Имеются проекты одноступенчатых РН на стадии разработки, но в эксплуатацию проекты по запуску одноступенчатых ракет так и не поступили (пока что) по причине их крайне малой эффективности.
Идея применять многоступенчатые ракеты появилась довольно давно. В 1650 году была опубликована книга польского артиллериста Казимира Сименовича «Первая книга великого искусства артиллерии».
В книге опубликовано изображение видения многоступенчатой ракеты Казимиром. В качестве топлива применялся порох, сама ракета несла в начинке фейерверк)
Изобретение такой ракеты повлияло на дальнейшие развитие ракетостроения.
Позже в 1929 году Циолковский выпустит книгу под названием «Космические ракетные поезда», в которой рассуждал на темы применения многоступенчатых ракет в целях освоения космоса.
Термином космический поезд Эдуард Константинович назвал агрегат ракет, выполняющих разгон по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведется сначала первой — головной ракетой; по использовании ее горючего, она отцепляется на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвертая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы выйти в космическое пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызывается стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, с которым легче бороться.
Логика применения многоступенчатых ракет очевидна и мысли Константина Эдуардовича были правильными.
Современные ракеты-носители работают именно по этому принципу с той разницей, что естественно по земле они, как поезд не разгоняются, а стартуют вертикально с стартового комплекса.
Первая ступень поднимает до определенной высоты и разгонят всю РН, по мере расхода топлива масса первой ступени снижается и после выгорания всего топлива происходит отделение первой ступени. Далее включаются двигатели второй ступени, и она дополнительно сообщает нужное ускорение уже разогнанной РН для вывода третей ступени на необходимую высоту и сообщения ей необходимой скорости, аналогично первой ступени, вторая так же отделяется от РН после расхода топлива. Третья ступень уже разгоняет космический аппарат и выводит его на орбиту. Это упрощенная схема вывода КА (космического аппарата) на орбиту. В ряде случае к КА дополнительно сочленяется разгонный модуль, который сообщит КА дополнительное ускорение при выводе на более высокую орбиту.
По принципу сочленения ступеней ракеты-носители разделяют на тандемные и пакетные.
Тандемное сочленение – это последовательное соединение ступеней. Запуск двигателей ступеней происходит поочередно. В качестве одного из примеров выступает РН «SATURN-V», которая осуществляла «доставку» астронавтов модуля «Аполлон» на Луну.
Каждая ступень представляет собой отдельный блок – ракету. Запуск двигателей последующей ступени происходит только после отделения отработанной предшествующей ступени.
Всего ступени – 3. Не 4, ни 5, как часто думают многие, а именно 3 ступени и космический аппарат (КА) – «Аполлон».
Первая ступень (S-IC) имела 5 двигателей F1 компании Rocketdyne. Сама ступень производилась компанией «Боинг» на заводе Michoud Assembly Facility в Новом Орлеане в штате Луизиана. Прогон в аэродинамической трубе проходил в Сиэтле. Ступень была создана конструкторами из Космического центра Маршала, ведущего центра НАСА.
Вторая ступень (S-II) производилась компанией North American Aviation. В движение ступень приводилась пятью двигателям J-2 от компании Rocketdyne на жидком водороде и кислороде. Сборка производилась в Сил-Бич в штате Калифорния.
Третья ступень (S-IVB) производилась компанией Douglas Aircraft в Хантингтон-Бич в Калифорнии. Как и на второй, здесь стоял двигатель J-2, но один. Он работал на тех же водороде и кислороде. Третья ступень умещалась в самолёт Pregnant Guppy, а две другие приходилось доставлять на мыс Канаверал по воде
Полётом трёх ступеней управлял инструментальный модуль конструкции Космического центра Маршала и сборки IBM. Конструкторы решили разделить системы навигации корабля и ракеты по ряду причин. В их числе была надёжность. Решение спасло жизни: во время полёта «Аполлона-12» в ракету ударила молния. Компьютер «Аполлона» отключился, а «Сатурна-5» — нет.
Космический аппарат «Аполлон» (Apollo)
Сам же КА состоит из 3х основных частей:
Командный модуль с системой аварийного спасения – возвращаемая капсула. Именно в ней находится экипаж весь полет, за исключением спуска на Луну и в нем возвращается на Землю.
Сервисный модуль – по своей сути это разгонный модуль, несет в себе двигатели, топливо, системы жизнеобеспечения. Осуществляет транспортировку КА до Луны и обратно. После отделения командного модуля сгорает в атмосфере.
Лунный модуль – аппарат, спускаемый на поверхность Луны. При том сам лунный модуль состоит из двух ступеней. Посадочная/стартовая ступень – осуществляет спуск второй (взлетной) ступени на поверхность и возвращение ее на орбиту, где взлетная ступень стыкуется с сервисным модулем.
Продолжение поста размещаю в комментариях в течении 5 минут из-за лимита на картинки.
Источник
Есть отделение первой ступени
Первая ступень РН включает четыре боковых блока.Боковые блоки на слэнге монтажников — «морковки».
Конструктивно-компоновочная схема бокового блока состоит из силового конуса, несущего конического бака окислителя, межбакового отсека, несущего конического бака горючего, отсека баков перекиси водорода и жидкого азота и цилиндрического хвостового отсека специальной формы.
В хвостовом отсеке каждого бокового блока размещается жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) однократного включения типа РД-107, работающий на жидком кислороде и керосине и оснащенный четырьмя маршевыми камерами и двумя рулевыми соплами.
Для управления полетом на каждом боковом блоке с внешней стороны, противоположной центральному блоку, на небольшом пилоне хвостового отсека установлен аэродинамический руль, выполненный в виде треугольного крыла малого удлинения. Для привода руля имеется электрическая рулевая машина.
Монтаж технологической скобы на горизонтальном пакете в МИКе:
вверху и справа — на Байконуре,
слева — во французской Гвиане.
При запуске двигателей нагрузка на кронштейны по мере нарастания тяги двигателей постепенно уменьшается и при снятии нагрузки силовые опоры, вращаясь под действием противовесов, выходят из «карманов» в верхней части боковых блоков и отклоняются в стороны, позволяя ракете покинуть стартовое сооружение — «тюпьпан» раскрывается.
Нет никаких механических приводов, отводящих опоры при старте — разведение обеспечивается силой земного притяжения.
В проекте рассматриваются два варианта «установки» ракеты на старте: ракета, наполненная топливом, стоящая на «юбке», прикрывающей двигатели, или ракета, подвешенная на спецфермах за силовое кольцо, расположенное в районе крепления ускорителей. Многократные обсуждения со стартовиками привели проектантов к решению, что последний вариант, несмотря на необычность и оригинальность, обеспечивает лучшие конструктивные характеристики баков ракеты и большую полезную массу (С.С.Крюков, К.Д.Бушуев, И.П.Фирсов, П.И.Ермолаев, С.П.Пармузин, А.Д.Гулько, А.В.Костров, Н.Панин, А.В.Пуртов, В.А.Семашко, А.П.Абрамов). Главный после обсуждений принимает этот вариант. Внимательно рассматривается динамика старта (П.А.Ершов) и отход ферм при запуске двигателей. По расчетам инженеров-механиков фермы должны отходить, а ракета медленно набирать скорость.
Проектанты обсуждают и анализируют варианты вывоза ракеты из монтажно-испытательного корпуса (МИК) на старт: вертикально «стоя» или горизонтально. Главный после анализа расчетов прочности в группе В.Ф.Гладкого принимает горизонтальный вариант. Теперь не надо на полигоне, как в Подлипках, строить высотный корпус, который поспешили построить. Мы неоднократно видели, как огромная махина на специальных тележках движется на старт двигателями вперед. За разработку стартового хозяйства берется конструкторское бюро Бармина.
Двигатели боковых блоков работают около двух минут после старта, после чего отключаются. Выключение происходит по результатам сравнения текущего значения скорости с расчетным. После отключения двигателей боковые блоки отделяются от центрального блока и сбрасываются.
Разделение первой (боковых блоков — ББ) и второй ступеней ракет семейства Р-7 сводится к боковому отводу четырех отработавших ракетных блоков первой ступени от ракетного блока второй ступени, продолжающей работу, по схеме с разворотом относительно верхнего силового пояса связей.
Для обеспечения отделения и разворота ББ относительно верхнего узла связей важной конструктивной особенностью ракет типа Р-7 является несовпадение оси ББ и вектора тяги маршевых двигателей ББ на 3,5 градуса — оси двигателей первой ступени наклонены к верхнему узлу связей так, что его тяга создает момент относительно этого узла — на рисунке ниже слева.
Разделение начинается с перевода двигателей ББ на режим пониженной тяги (величина разная для разных типов РН на основе Р-7, у пилотируемых «Союзов-ФГ», например — порядка 80 %) и выключения рулевых двигателей боковых блоков. Разрываются нижние силовые связи (пиросредствами, в первых образцах конца 50-х годов — пневмоприводами). Тяга двигателей ББ направлена таким образом, что она создает момент относительно верхних силовых опорных узлов и нижняя часть пакета раскрывается — на рисунке ниже справа — «а»). При этом движение ББ в нужной плоскости от ЦБ задается силовым цилиндром в шаре ББ, выскальзывающем из канавок опоры на ЦБ.
Система отделения боковых блоков РН состоит из следующих элементов:
1. Верхний узел связи каждого ББ с центральным блоком (ЦБ), представляющий собой шаровую опору, передающую усилие на ЦБ от ББ. При отделении (после разрыва нижних силовых связей) ББ разворачивается на верхнем узле связи. На начальном этапе его движения верхний узел связи препятствует также вращению ББ вокруг собственной продольной оси.
2. Датчик начала отрыва шарнира. На шаровой опоре каждого ББ для повышения надежности расположено по три датчика, каждый из которых фиксирует перемещение шаровой опоры на величину 5 мм. При перемещении опоры более, чем на 5 мм, в систему управления и систему измерения подается соответствующий сигнал. Датчик вводит обратную связь в систему управления процессом отделения ББ.
3. Реактивное сопло бака окислителя, расположенное в верхней части бака окислителя ББ, при открытии которого происходит стравливание газа наддува бака, что приводит к возникновению реактивной силы Fo, которая отводит носовую часть ББ от ЦБ.
4. Реактивное сопло бака горючего, расположенное в верхней части бака горючего ББ и предназначенное для создания дополнительной реактивной тяги Fг за счет истечения газов наддува бака горючего.
5. Нижние силовые связи ББ с ЦБ, предназначенные для соединения ББ и ЦБ в “пакет” и разделения “пакета”. Замок нижних силовых связей по команде от системы управления позволяет разорвать эту связь для отделения отработавших блоков.
Система отделения ББ функционирует следующим образом. При достижении РН заданной скорости (1600…1900 м/с), определяемой программой управления, от системы управления подается команда на снижение тяги основного двигателя ББ до 75-85% от номинального значения, также переводятся в нейтральное положение и выключаются рулевые камеры двигательной установки каждого ББ.
После команды на снижение тяги подается команда на замки нижних силовых связей, которые освобождают хвостовую часть ББ. Из-за наличия эксцентриситета тяги P основного двигателя ББ относительно верхнего узла связи создается момент, разворачивающий ББ.
Через некоторое время подается команда на отключение основного двигателя, в результате чего прекращается подача окислителя в камеру сгорания двигательной установки ББ.
По мере закрытия клапана подачи топлива и выгорания остатков топлива происходит снижение тяги. В некоторый момент времени тяга падает до такого уровня, при котором ББ начинает «отставать» от ЦБ, носовая часть ББ выходит из верхнего узла связи скользит по поверхности ЦБ (участок А 0 — А 1 ), при этом срабатывают датчики начала отрыва ББ.
После выключения основного двигателя ББ срабатыванием датчика на шаровидном окончании ББ подается команда на открытие сопла бака горючего, которое создает дополнительную силу, тормозящую и разворачивающую ББ.
Затем подается команда на открытие реактивного сопла бака окислителя и сила тяги реактивного сопла бака окислителя создает момент, разворачивающий ББ и отводящий его носовую часть от ЦБ (участок А 1 — А). (Исправлены некоторые фактологические ошибки источника)
1 — боковой блок;
2 — центральный блок;
4 — шариковый замок;
12 — крышка бака.
Отделение боковых блоков от центрального происходит в следующей последовательности:
— положение А — боковой блок прикреплен к центральном у блоку. Вверху — с помощью наконечника 11 и кронштейна 7, внизу — с помощью тяг 3 и шарикового замка 4. Такое крепление сохраняется вплоть до команды на отделение и сброс боковых блоков;
— положение Б — подается команда на выключение ЖРД боковых блоков и на открытие шарикового замка 4. Нижняя часть бокового блока за счет того, что тяга ЖРД не проходит через верхний узел крепления и имеется последействие, при выключении ЖРД отходит от центрального блока, а сам боковой блок сдвигается вниз и наконечник 11 выходит из гнезда кронштейна 7 на центральном блоке. Сжатая пружина 8 отводит шток 9 от переключателя 10, который подает сигнал на открытие замка крышки 12. Крышка кислородного бака откидывается, поворачиваясь на петлях. Газы наддува бака окислителя бокового блока вырываются из сопла, создавая реактивную силу Rr;
— положение В — боковой блок отстает от центрального блока. Нижний конец бокового блока отведен в сторону, а сила Rr создает момент для отвода верхнего конца бокового блока от центрального;
— положение Г — сила Rr продолжает закручивать боковой блок, который полностью отходит от центрального и падает на Землю.
ББ на
поле
падения
космодрома
Восточный на
Дальнем
Востоке.
Видны
элементы
тяг нижней
силовой
связи.
В красном
кружке —
кронштейн,
которым ББ
упирается
в зуб на ЦБ.
Несмотря на то, что в основу проекта ракеты Р-7 был положен конкретный, достаточно проработанный вариант конструктивно-компоновочной схемы, проектные поиски продолжались для отыскания оптимальных или хотя бы приемлемых решений по отдельным локальным проблемам. Одной из таких проблем была проблема сброса боковых блоков (бустеров) после их отработки на первой ступени. Сбрасывать их надо было одновременно и так, чтобы избежать возмущающего толчка на продолжающий работать центральный блок Д и уж тем более чтобы избежать его повреждения. Именно эту проблему решал С.Ф. Пармузин, сотрудник группы И.С. Прудникова.
Очень сложно оказалось решить вопрос отделения от центрального блока (второй ступени) боковых блоков. Тут проектанты (П.И. Ермолаев, С.Ф. Пармузин, И.П. Фирсов) предложили использовать для этого тягу последействия (после выключения ДУ). В результате боковые блоки веером отходят от центрального блока, а чтобы не произошло соударения блоков, открывается сопло и за счет газов наддува в баке окислителя блоки отводятся дальше от центрального блока, в верхней части освобождаются захваты.
Однако в результате внешних возмущений блоки могут врезаться в центральный, и тогда. авария! И вот возникает предложение оттолкнуть блоки: можно механически — но это лишняя масса пироболтов, можно за счет газов, которые скопились в баке.
Второй вариант не требует дополнительной массы и принимается. В баке предусматривается небольшое сопло, направленное на центральный блок, оно открывается — и оставшиеся в баке газы отталкивают каждый блок от центрального. Таким образом была спроектирована система разделения без замков и специальных толкателей. Натурные испытания подтвердили правильность принятой схемы отделения блоков. За все время эксплуатации всех модификаций ракеты Р-7 аварии из-за отказов системы разделения ступеней и сброса боковых блоков не было.
Источник