Соотношение стартовой массы и времени теплового воздействия

Вес , т		60 – 600	600 – 1000
Время , с	2 – 3	3 – 10	5 – 12

Для ракеты "Сатурн-5":

;

;

; ;

;

.

С увеличением тяги одного двигателя при постоянной суммарной тяге двигательной установки время теплового воздействия возрастает за счет возрастания . Для отечественных ракет-носителей

; .

При аварийном старте (отказ одного двигателя двигательной установки) продолжительность возрастает из-за понижения перегрузки и может достигать . На эту продолжительность должна рассчитываться облицовка газоотражателя, при этом

;

где ; ; ; ; – избыточное давление на отражателе.

На интенсивность теплообмена при старте оказывает влияние акустическое воздействие, излучаемое струями двигательной установки. В некоторых случаях это воздействие может увеличивать интенсивность теплообмена на порядок. При этом число достигает .

Рассмотрим основные применяемые теплозащитные покрытия и значения их эффективной энтальпии :

· ТТПС-15 (полиэтилен с MgO и ZnO). Температура разрушения , , (холодное отвердение);

· ПКМ-6 (органо-керамическая композиция) , , (холодное отвердение );

· бетоны , , .

Специфическим газодинамическим процессом является процесс образования при запуске двигательной установки волн сжатия (). Процесс формируется от движения фронта продуктов сгорания сначала по соплу, а затем по каналам стартового сооружения. Этот процесс принято называть ударно-волновым. Ударно-волновое давление, действующее на кормовую часть ракеты носителя, определяет ее прочность. Время нарастания давления . Скорость движения фронта волн

,

в основном, близка к – скорости звука ( при малых ). Эти характеристики необходимо учитывать в динамике воздействия нагрузок на конструкции.

При отражении волны давления от выходного среза канала газохода образуются волны разрежения. Действие отраженных волн разрежения и эжектирующее действие массы газа формирующейся струи приводит к появлению интенсивного разрежения, по уровню близкого к уровню избыточного давления (от до ). Наибольшая интенсивность ударных волн имеет место в газоходах пускового устройства. Так, на первом шахтном пуске ракеты, которая впоследствии использовалась для запуска космических аппаратов "Космос", недостаточная прочность стакана шахты из-за неправильного учета уровня и динамики нагружения привела к потере устойчивости цилиндрического стакана и аварии.

Для некоторых стартовых систем с минимальными размерами ("Протон" и др.) интенсивность ударно-волновых процессов приводит к необходимости снижения воздействия на ракету с помощью специальных экранов. Аналогичные мероприятия осуществлялись после первого пуска на старте "Спейс шаттла" (апрель 1981 года).

К акустическим и пульсационным относятся процессы пульсаций давления, связанные с излучением турбулентной сверхзвуковой струей акустической энергии, с возбуждением колебаний в каналах и объемах стартового сооружения, в которых движутся газовые струи, а также с пульсациями в зонах действия струй на элементы пускового устройства и ракеты и в вихревых зонах. Значительное влияние на уровень акустических нагрузок оказывает отражение акустических волн от поверхностей площадки и стартового стола.

Акустическое излучение сверхзвуковой турбулентной струи характеризуется коэффициентом , дающим суммарную мощность акустического поля от мощности струи (или ).

Для ракеты-носителя "Сатурн-5" ( ) мощность акустического излучения достигает .

Воздействие на струи двигательной установки газоотводных устройств (газоотражателей, газоходов), в основном, приводит к уменьшению кинетической энергии и к уменьшению мощности акустического излучения. Однако здесь появляются такие новые факторы, как отражение акустической энергии, а также изменение направленности и новые дополнительные излучения от зон пульсаций давления на преграде. Все это приводит к тому, что акустические нагрузки на ракету-носитель (особенно корму) существенно превышают акустические нагрузки в полете. Так, акустические нагрузки при старте на больше, чем нагрузки от струй двигательной установки в полете. Эти нагрузки превосходят также акустические нагрузки от пульсаций в аэродинамическом потоке. Характерные акустические нагрузки от различных источников для ракет-носителей приведены в таблице 1.2.

Как видно из таблицы 1.2, акустические давления при старте, как правило, превышают давление в полете. Кроме того, они имеют существенно большую площадь воздействия на носитель, чем пульсации на выступающих элементах, в зонах отрыва и др. Кроме того, мощность акустических процессов при старте может существенно увеличиваться при возникновении автоколебательных процессов, то есть процессов с обратной связью.

Так, при возникновении автоколебаний в шахте для запуска ракеты-носителя спутников "Космос" наблюдался уровень пульсаций давления до . Такие условия запуска создавали аварийные ситуации, а также недопустимые отклонения в работе системы управления и элементов космического аппарата (ложные сигналы, погрешности в точности выведения и т.п.).

Здесь следует отметить, что последствия действия высоких акустических нагрузок на ракету трудно прогнозируемы, а иногда непредсказуемы. Это связано с тем, что:

· во-первых, сами пульсации имеют широкий спектр, и для струй двигательной установки он характеризуется полосой в восемь октав ;

· во-вторых, очень широк спектр собственных частот агрегатов и приборов на ракете, то есть и при узком дискретном воздействии авторезонансного процесса может иметь место отклик на него многочисленных элементов ракеты. При пусках носителя "Космос" имели место пульсации на частотах . При этом на такие частоты отмечалась реакция некоторых элементов системы управления, в том числе и командных приборов. Для обеспечения надежности пуска космических аппаратов "Космос" потребовалась разработка системы глушения автоколебаний и подавления аномально высокого уровня пульсаций на дискретной частоте.

Таблица 1.2

Акустические нагрузки для ракет-носителей

Источник	Отношение среднеквадратичного давления к	Звуковое давление, дБ	Частоты
Турбулентный пограничный слой	0,005 – 0,01	139 – 145 *)	Низкочастотный спектр
Пульсации донного давления	0,01 – 0,02	145 – 151 *)	Низкочастотный спектр
Поток на выступающих элементах	0,01 – 0,1	145 – 165 *)	Низкочастотный спектр
Полостной резонанс	0,02 – 0,35	154 – 175 *)	Дискретные частоты
Отрывные течения	0,02 – 0,1	154 – 165 *)	Дискретные частоты
Пульсации скачка сверхзвукового потока	0,05 – 0,1	159 – 165 *)	Дискретные частоты
Пульсации скачка транс. звук	0,05 – 0,25	159 – 171 *)	Дискретные частоты
При старте на днище	-	165 – 168	Низкие частоты
При старте из шахтного пускового устройства	-	160 – 170	Низкие частоты
При автоколебательном процессе	-	165 – 185	Дискретные частоты

Примечание: ^*) При .

С ростом мощности ракеты понижаются частоты акустических излучений согласно критерию . Одновременно, в определенной мере аналогично, понижаются частоты собственных колебаний агрегатов и приборов ракеты. С понижением частоты пульсаций воздействующего давления и понижением частот колебаний конструкций обостряются проблемы вибропрочности носителя. Эти нагрузки составляют существенную долю суммарных нагрузок и снижают запас прочности. Так, при старте ракеты-носителя Н-1 имел место низкочастотный автоколебательный процесс с уровнем , и потребовалось упрочнение крепления различных агрегатов в кормовом отсеке ракеты-носителя. Разрабатывались и средства подавления этого автоколебательного процесса, однако на натурном пуске эти средства не были установлены, а затем программа Н-1 была закрыта.

Параметры акустического нагружения ракеты-носителя определяют условия отработки агрегатов на виброакустических стендах. Ориентировочно можно отметить следующие характерные последствия воздействия на ракету-носитель акустических нагрузок:

· – сбои в работе аппаратуры;

· – поломки в аппаратуре;

· – потери прочности панелей при длительном нагружении и повторном нагружении.

Вследствие этого многие агрегаты ракеты-носителя должны проходить акустическую отработку на уровни акустических нагрузок при старте. Такую отработку проходили агрегаты ракеты-носителя "Энергия" и орбитального корабля "Буран".