prosdo.ru
добавить свой файл
1
3. КОНСТРУКЦИЯ ГОЛОВНОГО БЛОКА (ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ) РАКЕТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В верхней части ракетного летательного аппарата располагается полезный груз. В качестве полезного груза могут быть старшая ступень у составных ракет, отсек оборудования, космический корабль, искусственный спутник, контейнер с научной аппаратурой, боевой груз и т.д.

Для защиты полезного груза от воздействий окружающей среды и внешних нагрузок, а также для придания обтекаемых аэродинамических форм предназначен элемент, получивший название по месту расположения - головной обтекатель.

Таким образом, верхняя часть ракеты с размещенным в ней полезным грузом будет называться головной частью (для моноблочной одноступенчатой ракеты легкого класса) или головным отсеком (для крупногабаритных ракет более тяжелого класса), или головным блоком (для полиблочных многоступенчатых ракетных летательных аппаратов.

Головной блок ракетного летательного аппарата является в основном автономной структурной единицей, состав которой меняется в зависимости от решаемой задачи и практически не влияет на комплектацию ракетных блоков летательного аппарата.
3.1. Основные требования к конструкции головных частей

Головная часть является основным элементом конструкции, определяющим эффективность, стартовую массу и габаритные размеры ракетного летательного аппарата. Несмотря на всё разнообразие конструкции ГЧ, они должны удовлетворять следующим общим требованиям.

1. Достаточно высокая прочность при воздействии знакопеременных нагрузок как на активном, так и на пассивном участках полета;

2. Большая теплостойкость (температура приграничного слоя может достигать 12 000 °С);

3. Оптимальное размещение полезного груза заданных форм и габаритов, а также простота внешних обводов;

4. Обеспечение условий требуемой теплозащиты при минимальном коэффициенте силы лобового сопротивления;

5. Наименьшая площадь внешней поверхности при максимальном объеме и заданной форме полезного груза;

6. Высокая надежность решения поставленной задачи;


7. Минимизация массы конструкции головной части, что позволяет увеличить массу полезного груза;

8. Простота и удобство установки и монтажа полезного груза;

9. Обеспечение необходимой температуры и давления в отсеке с полезным грузом;

10. Удобство стыковки головной части с корпусом ракетного летательного аппарата;

11. Простота и технологичность изготовления головной части;

12. Обеспечение минимального рассеивания параметров выведения полезного груза в заданную точку;

13. Обеспечение устойчивости движения ракеты на атмосферном участке траектории полета при минимальном запасе статической устойчивости конструкции ГЧ.
3.2. Формы аэродинамических обводов головных частей

Основными формами корпуса головной части могут быть конические, конические со скругленным наконечником, конические со сферическим притуплением и коническим стабилизатором, конические со сферическим притуплением и расширяющимся коническим стабилизатором, двухконусные, цилиндроконические, цилиндроконические со сферическим притуплением наконечника и коническим стабилизатором и оживальной (рис. 3.1).

При выборе формы корпуса головной части обычно учитывают следующие критерии. Во-первых, объем головной части при определенном удлинении  .Во-вторых, аэродинамическое сопротивление и нагрев. В-третьих, технологичность и стоимость конструкции. В-четвертых, для боевых ракет вероятность обнаружения радиолокационными установками систем противоракетной обороны (ПРО).

Для размещения большого объема полезного груза наилучшей формой корпуса является оживальная (рис. 3.1з). Коническая (рис. 3.1а) и цилиндрическая формы в этом отношении менее удачны.

С точки зрения аэродинамического нагрева наиболее благоприятной формой является коническая со скругленным наконечником (рис. 3.1б) и цилиндроконическая (рис. 3.1). Количество тепла, поглощаемое единицей поверхности головной части при движении в плотных слоях атмосферы, в значительной степени определяется баллистическим коэффициентом, который зависит от формы корпуса и угла атаки. Известно, что перед снижающейся головной частью образуется ударная волна, за которой происходит образование плазмы (ионизированного воздуха), сопровождающееся повышением давления и температуры. Перед притуплённым наконечником головной части конической (рис. 3.1бд) или цилиндроконической (рис. 3.1) формы образуется мощная ударная волна, приводящая к рассеянию значительного количества тепловой энергии в окружающем пространстве. Вследствие скругления увеличивается также поверхность головной части, через которую отводится тепло внутрь теплозащитного покрытия. Коническая головная часть (рис. 3.1а) в этом отношении наименее благоприятна, поскольку вершина корпуса является точкой полного торможения и носовой конус сильно нагревается. Цилиндроконическая форма (рис. 3.1ж) со сферическим наконечником обладает также существенными преимуществами по массе, запасу статической устойчивости и габаритам по сравнению с конической формой (рис. 3.1а и б). С точки зрения аэродинамического сопротивления наиболее рациональными являются оживальная (рис.3.1з) и коническая (рис.3.1а, б и в) формы корпуса.


Радиоотражательная способность головной части, что важно для боевых ракет, зависит от ее размеров, конфигурации и материалов корпуса. Наименьшие размеры имеет цилиндроконическая (рис. 3.1е и ж) форма. Однако интенсивная ударная волна перед скруглением головной части и след ионизированного воздуха, возникающие при движении в плотных слоях атмосферы, являются серьезными демаскирующими факторами для радиолокационных станций (РЛС) противника. Поэтому наиболее рационально применение конической формы головной части с расширяющимся коническим стабилизатором (рис. 3.1 г) для ракет малого класса и двухконусной (рис. 3.1 д) для более крупных ракет.

Головная часть оживальной формы (рис. 3.1з) создает значительно менее интенсивную ударную волну. Для радиолокационной маскировки при изготовлении корпуса головной части боевых ракет используются специальные материалы, пропускающие или поглощающие излучения РЛС и оставляющие слабый ионизированный след. Именно поэтому на боевых ракетах "Поларис A3" и "Минитмен 3", используются головные части с оживальной формой корпуса.

Форма и размеры корпуса головной части ракеты, для которой полезным грузом являются искусственный спутник Земли, автоматическая межпланетная станция или другой КА, определяются прежде всего габаритными размерами, и формой полезного груза. При этом форма корпуса головной части (головного обтекателя) вблизи стыка с ракетным блоком ракеты-носителя (рис. 3. 2) зависит от соотношения диаметров головного обтекателя (корпуса головной части) и используемого ракетного блока ракеты-носителя.

Корпус головной части ракеты-носителя "Восток" (рис. 3.2а), который был предназначен для размещения первых ИСЗ, а также пилотируемых космических кораблей "Восток" и "Восход", имел двухконусно-цилиндрическую со скругленным наконечником и сужающейся юбкой форму.

Корпус головной части ракеты-носителя (рис. 3.2б), предназначенный для размещения космических кораблей "Союз", имеет цилиндроконическую с сужающейся юбкой форму.


Корпус головной части ракеты-носителя (рис. 3.2в), предназначенный для размещения ИСЗ серии "Космос" и "Интеркосмос", имеет цилиндроконическую форму со скругленным наконечником.

Корпус головной части ракеты-носителя "Атлас-Аджена" (рис. 3.2г), предназначенный для размещения КА "Рейнджер" и "Маринер", имеет двухконусно-цилиндрическую со сферическим наконечником и сужающейся конической юбкой форму.

Корпус головной части ракеты-носителя (рис. 3. 2д), предназначенный для размещения спутников серии "Дискаверер", имеет цилиндроконическую со скругленным наконечником и коническим стабилизатором форму.

Корпус головной части ракеты-носителя "Титан 3С" (рис. 3.2е), предназначенный для размещения тяжелых спутников серии "Нимбус" и станций, имеет цилиндроконическую со скругленным наконечником форму.

Оригинальные формы корпусов головных частей баллистических ракет разработаны в США (рис. 3.3).
3.3. Конструктивно-силовые схемы головных частей ракетных ЛА

Головной отсек (рис. 3.4) ЛА обычно представляет собой полезный груз, который нужно доставить ракетой, силовую конструкцию корпуса головной части и элементов вспомогательного назначении. Конструкция головного отсека, как уже отмечалось, индивидуальна и от нее зависит конструкция ракеты. Это обусловлено в основном массово-инерционными характеристиками отсека и в меньшей степени его, например, геометрической конфигурацией или внутренним строением. Иногда головкой отсек называют "головной частью".



Корпус головного отсека или головной части состоит (рис. 3.4) из головного обтекателя (наконечник 3 и оболочка собственно корпуса 10) и днища 17.

Наконечник 3 делают либо монолитным, либо в виде толстостенного двухслойного сферического сегмента переменной толщины. В любом случае наконечник состоит из металлической (чаще всего стальной или титановой) арматуры и теплоизоляционного биметаллического покрытия (спецпластмассы).


Корпус 10 (или головной обтекатель) выполняется в виде двухслойной оболочки вращения, состоящей из одного или нескольких усеченных конусов с прямолинейными или криволинейными (парабола, эллипс, гипербола) образующими. Наружный слой – теплозащита (например, стеклотекстолит), внутренний – металлическая силовая оболочка (например, алюминиевый сплав АМг6).

Днище 17 головной части представляет собой выпуклый или вогнутый сферический сегмент с фланцем. Это двухслойная оболочка. Внутренний слой – силовой, он предназначен для восприятия внутреннего давления в условиях космоса (при Р < Ра). Его выполняют из сплава алюминия (например АМг6). Наружный слой – теплозащитный. К носителю (ракете) головной блок крепится пироболтами, расположенными на шпангоуте крепления днища.

Силовая оболочка корпуса головной части без промежуточных подкреплений наиболее рациональным образом воспринимает внешнее давление, осевую силу и изгибающий момент. По стыкам конусов, а также в местах крепления наконечника, днища и полезного груза в металлической оболочке имеются силовые кольцевые ребра (силовые шпангоуты). Силовые шпангоуты и другие кольцевые ребра обычно выполняют из того же материала или делают заодно целое с силовой оболочкой. Силовую оболочку головных частей больших габаритов делают из частей (панелей), соединяемых кольцевыми сварными или клепаными швами.

Так как внешние обводы корпуса головной части в значительной степени влияют на аэродинамические характеристики ракеты-носителя в целом, то они должны обеспечивать также обтекание газовым потоком, при котором образуется минимальное число зон с вихревым характером обтекания, являющихся источником динамического нагружения конструкций.

Кроме того, корпус головной части ракеты-носителя должен удовлетворять помимо общих ряду требований, обусловленных функциональным назначением.

При разработке корпуса головной части необходимо предусмотреть защиту полезного груза от пыли и влаги в условиях наземной эксплуатации, а также стабильный тепловой режим под обтекателем как в условиях наземной эксплуатации, так и в полете.



3.4. Конструктивная схема моноблочной головной части БР

В состав моноблочной неуправляемой головной части боевой ракеты входят (рис. 3.5) один полезный груз 2 с аппаратурой 3 и корпус 4. Корпус моноблочной головной части является основным несущим элементом и представляет собой тонкостенную оболочку выбранной формы, укрепленную шпангоутами, которые помимо усиления конструкции служат для закрепления полезного груза и аппаратуры. Корпус защищается от аэродинамического нагрева наносимыми на его внешнюю поверхность специальными теплозащитными покрытиями, в качестве которых, по сведениям зарубежной печати, чаще всего используются абляционные материалы (рис. 3.5).

Корпус имеет герметичное днище, в котором предусматривается люк для обслуживания и снаряжения головной части. В передней части корпуса имеются наконечник, воспринимающий основную долю тепловых нагрузок, и балансировочный груз. Корпус головной части крепится к ракете задним стыковочным шпангоутом с помощью разрывных болтов (пироболтов) или быстродействующих разъемов. Электрическая связь аппаратуры головной части с ракетой осуществляется через специальные разъемы, устанавливаемые на днище корпуса.

Для боевых ракет решение задачи преодоления ПРО с заданной вероятностью вносит свои особенности в конструкцию головной части. Различают два способа борьбы с ПРО средствами самой головной части: активный и пассивный. Первый способ основан на управлении полетом головной части (маневрирующие ГЧ), второй – на конструктивных особенностях исполнения, снижающих вероятность обнаружения ГЧ по любым возможным признакам (уменьшение эффективной поверхности рассеянием радиолокационного сигнала благодаря применению радиопоглощающих покрытий, ориентация на РЛС и т.п.) и повышающих стойкость ГЧ к действию поражающих факторов ядерного взрыва (применение специальных покрытий, стойких к действию излучений, пластически деформирующихся соединений и материалов и др.)


Моноблочные управляемые головные части кроме боевого заряда и аппаратуры его подрыва имеют систему управления и исполнительные органы (органы управления, двигатели), с помощью которых корректируются параметры траектории на пассивном участке полета. Они применяются для увеличения вероятности прорыва ПРО и, по мнению зарубежных специалистов, являются эффективным средством достижения высокой точности попадания в цель. Одна из возможных конструкций моноблочной управляемой головной части показана на рис. 3.6.

Моноблочная управляемая головная часть по сравнению с моноблочной неуправляемой при одинаковой мощности боевого заряда имеет бόльшую массу и длину.


3.5. Конструктивные схемы разделяющихся головных частей БР

Разделяющиеся головные части (головные блоки) БР имеют несколько боевых частей неуправляемого и управляемого типов. Их конструктивная схема и устройство аналогичны неуправляемой (рис. 3.5) и управляемой (рис. 3.6) моноблочной головной части. Крепление отдельных боевых частей разделяющейся головной части осуществляется на специальной раме.

Расположение отдельных боевых частей в головном блоке (в зависимости от их числа и ограничений на габаритные размеры) может быть одноярусным (рис.3.7а и б) или многоярусным (рис. 3.7в).

Разведение боевых частей на индивидуальные цели может быть осуществлено двумя способами: последовательно и индивидуально.

При последовательном разведении (рис. 3.7а) головной блок обычно состоит из связки боевых частей 1, приборного отсека 2 и двигательной установки 3, включающей один или несколько двигателей, обеспечивающих весь процесс разведения БЧ. Управление полетом в этом случае, как на участке работы маршевых ступеней ракеты, так и на участке разведения, обеспечивается единой системой управления, расположенной на головном блоке.


Головней блок с индивидуальным разведением (рис. 3.7б) в общем случае представляет собой связку боевых частей, выполненных в виде отдельных модульных блоков, которые после окончания работы маршевой ступени отделяются и совершают самостоятельный полет к цели.

В состав каждого модульного блока боевой части в общем случае входит (рис. 3.7б) собственно боевая часть 9 неуправляемого или управляемого типа, элементы комплекса системы преодоления ПРО, а также приборный отсек 6 и двигательная установка 7, с помощью которой осуществляется перенацеливание модульной боевой части и отдельных её элементов.

Для уменьшения аэродинамического сопротивления ракеты на активном участке полета разделяющиеся головные части могут иметь в своем составе обтекатель 5 конической или оживальной формы (рис. 3.7), сбрасываемый до начала разведения отдельных боевых частей на цели.
3.6. Конструкции головных частей РН со сбрасываемыми обтекателями

Корпус головной части боевой ракеты рассмотрен выше. Остановимся на конструкции корпуса ракеты-носителя – головном обтекателе. Головной обтекатель ракеты-носителя делается сбрасываемым. Сброс головного обтекателя осуществляется после прохождения плотных слоев атмосферы. В плотных же слоях атмосферы благодаря головному обтекателю достигается снижение лобового аэродинамического сопротивления. В разреженной атмосфере, где отсутствует аэродинамическое сопротивление, обтекатель не нужен (его масса является балластом), и он сбрасывается. Существуют различные схемы сброса головного обтекателя. Одной из типовых схем является продольное разделение обтекателя на две части с последующим расталкиванием этих частей в стороны с помощью специальных устройств – толкателей (рис.3.8а).

Силовая оболочка обтекателя состоит (рис. 3.9) из обшивки 1 и часто расположенных шпангоутов 2. Такая конструкция является наиболее рациональной тогда, когда главной нагрузкой является внешнее давление. В торцевой части для восприятия изгибающего момента и продольной силы устанавливают стрингеры 3. Торцовый шпангоут делается усиленным по сравнению с промежуточными шпангоутами. В нем имеются отверстия под штыри для передачи поперечной (перерезывающей) силы. В местах крепления обтекателя к корпусу ракеты оболочка усиливается фитингами стыковочного узла 5. Вдоль продольного разреза обтекателя сбрасываемые полуоболочки окантовываются усиленными стрингерами 4, а шпангоуты соединяются пиропатронами.


Таким образом, конструкция обтекателя такой схемы сброса характеризуется наличием продольного и поперечного стыков. Разрыв силовых связей продольного и поперечного стыков осуществляется в заданный момент по команде от системы управления. Обтекатель, разделенный на две полуоболочки, начинает вращаться вокруг оси разворота под действием сил увода: толкателей (рис. 3.8а) или пороховых ракетных двигателей (ПРД) увода (рис. 3.8б).

При малых возмущающих воздействиях головные обтекатели могут сбрасываться вдоль оси ракеты (рис. 3.8в) – "чулком". У малого обтекателя корпус не имеет продольного стыка. Система сброса состоит из роликов 4, устанавливаемых на полезном грузе, направляющих 5 на самом обтекателе и толкателей (либо ПРД) 6. Сброс обтекателя в таком случае происходит после раскрытия поперечного стыка с помощью толкателей (или ПРД) по продольным направляющим вперед по ходу ракеты с последующим уводом обтекателя в сторону.

Головной обтекатель крупногабаритных полезных грузов может разделяться по длине на две части, каждая из которых разделяться на две створки. При отделении такого обтекателя сначала сбрасывается верхняя часть, а потом нижняя. Процесс сброса верхней и нижней частей происходит так же, как и для обтекателя с продольным разделением на две части (рис. 3.8а и б).

Для отделения значительных по массе и габаритам створок в качестве средств увода используются в основном ПРД (рис. 3.8б). В общем случае для крепления створок головного обтекателя помимо пироболтов или пирозамков могут использоваться и механические замки, а также удлиненные кумулятивные заряды и детонирующие шнуры. В процессе сброса створок раскрываются также закрепленные на них гидро-, пневмо- и электроразъемы.




Механический замок шарикового типа (рис. 3.10) внешне напоминает очень крупный болт. Корпус 1 устанавливается в отверстие на шпангоуте или стрингере и закрепляется с помощью гайки 2 и шайбы 3. От поворота шариковый замок удерживается штифтами 4. На гильзу 5 надвигается (отверстием) головной обтекатель (или вторая полуоболочка обтекателя) и закрепляется с помощью гайки 6, контргайки 7 и шайбы 8. Шток 9 заплечиками удерживает шарики 10 в таком изложении, в каком они жестко скрепляют корпус 1 и гильзу 5.

При хранении и транспортировке ракеты в сборе чека 11, соединяющая валик 12 и гайку 13, не дает возможности штоку 9 сдвинуться и освободить шарики 10. А для раскрытия замка необходимо с достаточно большим усилием вдвинуть внутрь поршень 14 .Это усилие, передаваемое через шток 9 и валик 12, срезает чеку 11, что дает возможность штоку 9 продвинуться и освободить шарики 10, которые свободно сдвигаются к оси замка. Корпус 1 и гильза 5, ничем не удерживаемые, раздвигаются, и происходит разделение.