Принцип действия многоступенчатой ракеты

Ракета является весьма «затратным» транспортным средством. Ракеты-носители космических аппаратов «транспортируют», главным образом, топливо, необходимое для работы их двигателей, и собственную конструкцию, состоящую в основном из топливных контейнеров и двигательной установки. На долю полезной нагрузки приходится лишь малая часть (1,5-2,0%) стартовой массы ракеты.

Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счёт того, что в полёте ступень, выработавшая своё топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полёта. Пример расчёта, подтверждающего эти соображения, приводится в статье Формула Циолковского.

Варианты компоновки ракет. Слева направо:
1. одноступенчатая ракета;
2. двухступенчатая ракета с поперечным разделением;
3. двухступенчатая ракета с продольным разделением.
4. Ракета с внешними топливными ёмкостями, отделяемыми после исчерпания топлива в них.

Трёхступенчатая ракета с поперечным разделением Сатурн-5 без переходников (демонстрационный экземпляр)

Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются c поперечным или продольным разделением ступеней.
При поперечном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема даёт возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток её заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для неё пассивным грузом.

Трёхступенчатая ракета-носитель с продольно-поперечным разделением Союз-2.

При продольном разделении первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (на практике, от 2-х до 8-и), работающих одновременно и располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сил тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая, таким образом, суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда масса ракеты максимальна. Но ракета с продольным разделением ступеней может быть только двухступенчатой.^[1]
Существует и комбинированная схема разделения — продольно-поперечная, позволяющая совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно. Пример такого подхода — отечественный носитель Союз.

Компоновка Спейс Шаттла.
Первая ступень — боковые твёрдотопливные ускорители.
Вторая ступень — орбитер с отделяемым внешним топливным баком. При старте запускаются двигатели обеих ступеней.

Старт Спейс Шаттла.

Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль Спейс Шаттл, первая ступень которого состоит из двух боковых твёрдотопливных ускорителей, а на второй ступени часть топлива содержится в баках орбитера (собственно многоразового корабля), а большая часть — в отделяемом внешнем топливном баке. Сначала двигательная установка орбитера расходует топливо из внешнего бака, а когда оно будет исчерпано, внешний бак сбрасывается и двигатели продолжают работу на том топливе, которое содержится в баках орбитера. Такая схема позволяет максимально использовать двигательную установку орбитера, которая работает на всём протяжении вывода корабля на орбиту.

При поперечном разделении ступени соединяются между собой специальными секциями — переходниками — несущими конструкциями цилиндрической или конической формы (в зависимости от соотношения диаметров ступеней), каждый из которых должен выдерживать суммарный вес всех последующих ступеней, помноженный на максимальное значение перегрузки, испытываемой ракетой на всех участках полёта, на которых данный переходник входит в состав ракеты.
При продольном разделении на корпусе второй ступени создаются силовые бандажи (передний и задний), к которым крепятся блоки первой ступени.
Элементы, соединяющие части составной ракеты, сообщают ей жёсткость цельного корпуса, а при разделении ступеней должны практически мгновенно освобождать верхнюю ступень. Обычно соединение ступеней выполняется с помощью пироболтов. Пироболт — это крепёжный болт, в стержне которого рядом с головкой создается полость, заполняемая бризантным взрывчатым веществом с электродетонатором. При подаче импульса тока на электродетонатор происходит взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его головка отрывается. Количество взрывчатки в пироболте тщательно дозируется, чтобы, с одной стороны, гарантировать отрыв головки, а, с другой — не повредить ракету. При разделении ступеней на электродетонаторы всех пироболтов, соединяющих разделяемые части, одновременно подаётся импульс тока, и соединение освобождается.
Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга. (Запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар ее топливной емкости и взрыв остатков топлива, который повредит верхнюю ступень, или дестабилизирует её полет.) При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твёрдотопливные ракетные двигатели.
На жидкостных ракетах эти же двигатели служат и для того, чтобы «осадить» топливо в баках верхней ступени: при выключении двигателя низшей ступени ракета летит по инерции, в состоянии свободного падения, при этом жидкое топливо в баках находится во взвешенном состоянии, что может привести к сбою при запуске двигателя. Вспомогательные двигатели сообщают ступени небольшое ускорение, под действием которого топливо «оседает» на днища баков.
На приведённом выше снимке ракеты Сатурн-5, на корпусе третьей ступени (крайняя слева, в кадре представлена частично) виден чёрный корпус одного из вспомогательных твёрдотопливных двигателей разведения 3-й и 2-й ступеней.

Увеличение числа ступеней даёт положительный эффект только до определённого предела. Чем больше ступеней — тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полёта, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным. В современной практике ракетостроения более четырёх ступеней, как правило, не делается.

При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы надёжности. Пироболты и вспомогательные РДТТ — элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно. Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полёта ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надёжность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.

Р-7

Основные компоненты топлива — керосин Т-1 (горючее) и жидкий кислород (окислитель) — располагались, соответственно, в нижнем и верхнем баках каждого блока. Вспомогательные компоненты — жидкий азот для наддува баков и перекись водорода для привода турбонасосного агрегата (ТНА) — размещались в торовых баках непосредственно над рамой двигателя.

Слева: конструктивно-компоновочная схема первой советской межконтинентальной баллистической ракеты Р-7: 1 – носовой конус с боевой частью; 2, 6 – приборные отсеки; 3 – антенны телеметрической системы; 4 – башмаки силового пояса; 5, 7 – баки окислителя; 8, 9 – баки горючего; 10 – многокамерные маршевые двигатели центрального и боковых блоков; 11 – аэродинамические рули; 12 – рулевые камеры сгорания Справа: МБР Р-7, модернизированная для запуска ПС

Тактико-технические характеристики
межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 (8К71) / Р-7А (8К74)

Длина, м	31,4
Диаметр пакета, м	11,2
Диаметр корпуса 4-й ступени	15,2 см
Стартовая масса, т	283,0
Масса полезной нагрузки, кг
Масса топлива, т
Максимальная дальность стрельбы, км	8000
Тип головной части	Моноблочная, ядерная, отделяемая

Многокамерные двигатели РД-107 и РД-108 ракеты Р-7 фото И. Маринина

Первая ступень (четыре боковых блока) оснащена жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) РД-107 (четыре основные и две рулевые камеры, питаемые общим ТНА на каждом блоке). На второй ступени стоит ЖРД РД-108 (четыре основные и четыре рулевые камеры, питаемые общим ТНА). Двигатели РД-107 и РД-108 созданы в ОКБ-456 (руководитель В.П.Глушко), первые варианты рулевых камер к ним — в ОКБ-1 (руководитель разработки М.В.Мельников).

Передача усилий от боковых блоков на центральный осуществляется через силовой пояс с четырьмя башмаками, в пазы которых входят оголовки «боковушек». Эти четыре силовых узла одновременно служат опорными точками для собранной и установленной на старте ракеты.

Внизу, на стыке топливных и двигательных отсеков, имеются поперечные стяжки. При разделении ступеней маршевые двигатели боковых блоков переводятся в режим пониженной тяги, управляющие камеры выключаются, а нижние поперечные стяжки «пакета» разрываются пирозарядами.
Тяга двигателей «боковушек» создает момент относительно опорных узлов. «Пакет» раскрывается, блок «А» уходит вперед.
Как только сферические оголовки боковых блоков выйдут из башмаков и освободят имеющие­ся там электроконтакты, вскрываются сопловые крышки в верхней части «боковушек», и остаточное давление наддува баков кислорода стравливается, создавая при этом небольшую тягу. Боковые блоки разворачиваются и отводятся на безопасное расстояние.

Система управления (СУ) — комбинированная: инерциальная с радиокоррекцией бокового отклонения и дальности полета. В НИИ-885 «инерциалка» создана под руководством Н.А.Пилюгина, система радиоуправления — М.С.Рязанского. Командные приборы разработаны в НИИ-944 (В.И.Кузнецов).

[Первая серия испытаний показала наличие серьезных недостатков в конструкции Р-7. При анализе данных телеметрии было установлено, что в определенный момент при опорожнении баков горючего возникали колебания давления в расходных магистралях, которые приводили к повышенным динамическим нагрузкам и, в конечном счете, к разрушению конструкции (американские конструкторы также столкнулись с этой проблемой).
Долгожданный успех пришел 21 августа 1957 года, когда стартовавшая в тот день ракета полностью выполнила намеченный план полета. 27 августа в советских газетах появилось сообщение ТАСС об успешном испытании в СССР сверхдальней многоступенчатой ракеты].

В варианте МБР ракета несла моноблочную ядерную, отделяемую в полете, головную часть. Атомный боезаряд создан в КБ-11 (Арзамас-16) под руководством С.Г.Кочарянца.

Изготовление первых ракет велось на Опытном заводе №88 в Подлипках (ныне г.Королёв Московской области). Серийное производство было развернуто в 1958 г. на куйбышевском авиазаводе №1 им. И.В.Сталина. Производство маршевых двигателей первой и второй ступеней осуществлялось тоже в г. Куйбышеве (ныне Самара) на моторостроительном заводе №24 им. М.В.Фрунзе.

Забегая вперед, отметим: конструктивно-компоновочная схема Р-7 в варианте РН и космический ракетный комплекс на ее основе оказались на редкость удачными и долговечными — они успешно эксплуатируются до сих пор! Более того, архинадежность (многократно доказанная) и относительная дешевизна этой ракетной ситемы позволяют прогнозировать ее востребованность еще на многие годы.

12 вопрос

Дата добавления: 2015-07-11