О ступенях ракет 2.⁠⁠

В продолжение поста http://pikabu.ru/story/stupeni_raket__nositeley_ili_o_sosiskakh_po_chutchut_4363014

Пакетное (параллельное) соединение ступеней или правильнее говорить РН с продольным разделением ступеней. Почему именно так?

Дело в том, что идея «пакетных» ракет в реалии пока еще не применяется и скорее всего применятся не будет. При пакетном соединении блоков (ракет) ступени в идеале подача топлива к двигателю блока ступени осуществляется не из бака этого самого блока, а из баков, наиболее удаленных от двигателя данного блока ступени.

Все блоки пакетной ступени запускаются на старте одновременно. В случае, если мы имеем 4 блока ступени выполненных в пакетном соединении, подача топлива к 1 блоку будет осуществляться транзитом через блоки 2 и 3 от блока 4 (это как пример). После того, как 4 блок опустеет, он отделяется, и подача топлива к 1 блоку транзитом через 2 будет реализовываться от 3 блока. И так по цепочке.

Реализация такой схемы технически крайне сложна ввиду необходимости правильной постановки симметрии блоков ступени, их зеркального отражения относительно друг друга, монтаж системы подачи топлива. Помимо этого, не синхронное отделение блоков ступени будет вызывать вращение РН и ее отклонение от заданного курса вывода на орбиту, поэтому так же необходимо разрабатывать гибкую систему стабилизации РН и монтаж дополнительного блока маневровых двигателей.

Но частично такая схема все же может быть и будет реализована на РН «Тяжелый Сокол» (Falcon Heavy)

Изначально планировалась возможность установки уникальной системы перекрёстной подачи топлива (cross-feed propellant system), позволяющей двигателям центрального блока использовать топливо из боковых ускорителей в первые минуты после старта. Это давало бы возможность сохранить больше топлива в центральном блоке для более продолжительной его работы после отделения боковых блоков, и, как следствие, увеличить максимальную массу выводимой полезной нагрузки. Впоследствии приоритет разработки данной системы был снижен из-за нежелания дополнительно усложнять конструкцию, а также из-за отсутствия на рынке спроса на столь тяжёлую полезную нагрузку, но работа над разработкой данной системы продолжается.

Разработчиком такой системы можно смело назвать Михаила Клавдиевича Тихонравова, который в 1947 году разработал такой вариант разделения ступеней с названием "ракетные пакеты".

Михаил Клавдиевич, хорошо зная труды Циолковского, предложил исследования составных ракет. В отделе стали разрабатываться приемлемые способы расчёта траекторий полёта составных ракет пакетной схемы, отыскания оптимальных конструктивно-баллистических параметров ракет.

Работы шли достаточно быстро и уже в начале 1948 года при ОКБ С.П. Королева был получен ряд результатов, свидетельствующих о возможности создания составных ракет в недалёком будущем. Михаил Клавдиевич сообщил об этом С. П. Королёву и собственно благодаря этому и началась разработка изначально межконтинентальных баллистических ракет (МБР) серии Р-7 (семёрка).

Р-7 – это целое семейство РН, созданное на основе межконтинентальной баллистической ракеты в результате долгого процесса ее модернизации. Семерка была создана конструкторами куйбышевского, а сегодня самарского «ЦСКБ-Прогресс». И по сей день, начиная с 1958 года эта ракета уже в лице серии «Союз» так и производится на «Прогрессе».

На сегодня все пилотируемые запуски бывшего СССР и сегодняшней РФ осуществлены ракетами этой серии, а ввиду того, что массово используемыми образцами Р-7 являются РН серии «Союз» ошибочно «Союзом» часто называют все семейство Р-7.

Ну а теперь к начинке. РН серии «Союз», как пример «Союз – У», «Союз – 2» или «Союз – ФГ» - это 3х ступенчатые ракеты – носители «выращенные» на семействе Р-7. Структурно – это РН с продольно-поперечным (комбинированным) сочленением ступеней. Почему именно так? Продольное (параллельное) сочленение имеют только первая (блоки Б, В, Г, Д) и вторая (блок А) ступени относительно друг друга. Сочленение второй и третьей (блок И) ступени выполнено тандемным (поперечным) способом, через ферму-переходник. Запуск двигателей первой и второй ступеней происходит на стартовом комплексе одновременно.

Рассмотрим пример вывода на орбиту ТМА-18 с помощью РН «Союз-ФГ».

После отрыва РН от стартового комплекса (контакт подъема) на 113 секунде полета происходит отделение двигательной установки системы аварийного спасения (САС).

После, на 118 секунде полета происходит отделение первой ступени от второй. Система отделения боковых блоков первой ступени заслуживает отдельного внимания.

Система состоит из верхнего узла связи бокового блока (Б. В, Г, Д) с центральным блоком (А). Узел представляет собой шаровою опору, которая передает усилие от бокового блока на центральный. Шаровая конструкция позволяет боковому блоку разворачиваться в узле связи, но при этом конструкция предотвращает вращения бокового блока по продольной оси. На шаровой опоре расположены по три (не точно) датчика отрыва шарнира. Датчик фиксирует смещение опоры в предел на 5 мм. Если опора смещается из узла связи более, чем на 5 мм, датчик подает команду в систему управления процессом отделения бокового блока.

На боковом блоке в верхней части бака окислителя выполнено реактивное сопло. Стравливание газа из бака наддува приводит к отведению носовой части бокового блока от центрального блока.

Ниже, почти в центральной части бокового блока выполнено реактивное сопло бака горючего, которое создает дополнительную тягу и отводит боковой блок от центрального.

В нижней части бокового блока выполнен замок силовых связей с центральным блоком РН, который собственно отделяет отработавшие боковые блоки.

Алгоритм работы системы отделения боковых блоков первой ступени выглядит так (может быть не совсем точно):

РН достигла заданной скорости (определяется программой управления) >

Система управления (СУ) подает команду снижения тяги маршевого двигателя бокового блока до 75% >

Отключение рулевой камеры и двигательной установки бокового блока >

Одновременно с командой от СУ на снижение и разрыв связи верхнего узла подается команда на замок нижних силовых связей (происходит освобождение хвостовой части бокового блока. Из-за небольшого эксцентриситета тяги маршевого двигателя бокового блока к верхнему узлу связи, происходит разворот бокового блока вверх) >

Подача команды на отключение маршевого двигателя бокового блока (тяга падает до уровня, при котором боковой блок начинает отставать от центрального, и носовая часть бокового блока, шаровая опора выходит из узла связи) >

Датчик фиксирует разрыв шарнира верхнего узла связи (в результате выхода шарнирной опоры из узла связи более, чем на 5мм) >

Подача команды на открытие реактивного сопла бака окислителя (носовая часть бокового блока отводится от центрального блока) >

Подача команды на открытие сопла бака горючего (создается дополнительная тяга, которая тормозит и разворачивает боковой блок).

И боковые блоки феерично уходят от РН и падают на землю.

По поводу того, что куда падает, и кто кому за это платит можно делать отдельный пост.

Далее на 157 секунде полета происходит отделение створок головного обтекателя, который защищает полезную нагрузку (КА) в нижних слоях атмосферы от перегрузок и разрушения, а также придает конструкции РН аэродинамическую обтекаемость, что очень важно в нижних слоях атмосферы.

Затем на 285 секунде подается команда на отделение второй ступени и на 287 секунде происходит отделение второй ступени от третей.

На 297 секунде происходит сброс хвостового отсека третей ступени и запуск двигателей третей ступени.

Затем на 524 секунде полета подается команда на отделение КА от третей ступени и на 528 секунде происходит само отделение (контакт отделения).

На протяжении всего полета РН в режиме реального времени на наземные пункты контроля поступают данные телеметрии РН. В настоящее время телеметрию РН принимают на комплекс МКА-9 с антенной «Ромашка»:

Небольшой отступ касательно САС. В советских и российских реалиях в случае возникновения аварии РН - выключаются двигатели и в степях Байконура ракета может падать, не рискуя нанести урон какому-либо населенному пункту. В США пуски выполняются из населённой местности, и в случае аварии необходимо быстро разрушить ракету для разделения ее на мелкие части.

Для этого на всех ракетах стоят специальные системы подрыва. Ненаправленные антенны готовы принять сигнал при любом положении вращающейся ракеты, а расположенные в нужных местах небольшие заряды взрывчатки эффективно ее разрушат. С земли же эта система контролируется с вот такого вот красавчика:

И того мы имеем:

РН серии «СОЮЗ» - трехступенчатые ракеты – носители.

Первая ступень – боковые блоки (Б,В,Г,Д);

Вторая ступень – центральный блок А;

Третья ступень – блок И.

Полезная нагрузка и дополнительные разгонные блоки для нее не являются ступенями РН.

В составе первой ступени у РН «Союз-ФГ» применяются двигатели РД 107А в количестве 4х штук на каждый блок.

Вторя ступень оснащена двигателями РД-108А

Третья ступень двигателем РД-0110.

Вывод КА на орбиту с помощью РН автоматический. На каждый полет составляется циклограмма полета, на основании которой строится программа полета РН и вносятся коррективы в систему управления.

И в заключение этого поста небольшая такая заминка. При СГАУ (Самарский Государственный Аэрокосмический Университет) в качестве методического материала применялось пособие (не знаю применяется ли сейчас) «Основы устройства ракет» в редакции гражданина Александра Ивановича Шулепова. Не имею ничего против данной методички, материал довольно неплохой, компактный, но есть там один интересный момент, а именно:

Методичка в качестве примера строения ракет приводит вот такие иллюстрации

То есть дает понять, что вся РН в данном случае на этапе старта с СК (стартовый комплекс) является первой ступенью, в состав первой ступени входят вторая и третья ступени. При том в качестве второй ступени выступают боковые блоки, которые априори «поджигаются» первыми. Но не суть.

В целом такой подход имеет место быть, если рассматривать РН, не как техническое устройство, а как процесс выведения полезного груза куда – либо. То есть в момент отрыва РН от СК она как процесс являет собой работу первой ступени, затем, после отделения боковых блоков она уже является второй ступенью. В этом случае такой подход к описанию РН можно применить, но никак не в случае, если РН рассматривается, как устройство, аппарат.

Ввиду этого, как я понял, в свет вышли студенты, которые теперь будут утверждать, что вся РН – это и есть первая ступень. Только вот как процесс РН в период ее вывода КА на орбиту не рассматривается, а рассматривается именно как устройство.

Диспетчер согласно циклограмме, рапортует строго какая ступень работает, какая отделилась, двигатели какой ступени работают в данный момент времени не забывая сообщать об параметрах систем РН в целом.

На этом, думаю, пост можно закрывать. В следующем посте предлагаю поболтать об системе зажигания ракетного двигателя, особенно разобрать систему зажигания «Союзов».