5. Рычков С. А. Определение размеров районов падения центрального блока ракеты-носителя "Союз" с учетом преднамеренного членения конструкци

>> К списку публикаций >> К содержанию сборника

УДК 629.76

Рычков С. А.

Научный руководитель – профессор Титов Б. А.

Определение размеров районов падения отделяющихся частей ракеты–носителя и их минимизация является важной составной частью проектирования ракетно–космических комплексов. Проблема сокращения размеров зоны падения центрального блока в последнее время приобрела особую значимость, так как вследствие разрушения центрального блока на отдельные фрагменты район рассеивания последних имеет значительную площадь, что вызывает трудности его согласования на региональном и государственном уровнях.

Во время штатного полета ракеты – носителя в расчетные моменты времени происходит отделение отработавших блоков. Отделившиеся блоки осуществляют самостоятельное неуправляемое свободное падение, причем блоки первой и второй ступеней падают на поверхность Земли, а блоки остальных ступеней, не долетая до поверхности Земли, сгорают в атмосфере. При падении блоков ракеты – носителя на них действует множество случайных факторов: переменная плотность верхней атмосферы вследствие изменения солнечной активности, загрязнение атмосферы, ветер и т.п. Кроме этого, в процессе падения может происходить разрушение конструкции, которое также носит случайный характер /1/. Таким образом, существует некоторое множество возможных точек падения отработавшего блока и его частей. Это множество точек образует зону падения отработавшего блока. Зона отчуждения представляет собой зону падения, увеличенную по периметру на некоторое расстояние.

Анализируя факторы, определяющие размеры зоны отчуждения, можно сформулировать следующие требования к ее размерам: граница зоны отчуждения должна находиться на достаточном удалении от населенных пунктов и приравниваемых к ним объектов, а также других особо охраняемых и социально-значимых объектов; точки падения отработанных блоков ракеты – носителя и их частей при воздействии различных возмущающих факторов должны находиться в пределах зоны отчуждения; размеры зоны отчуждения должны быть по возможности минимальными.

С математической точки зрения задача сводится к составлению более точной баллистической модели свободного падения отработавших блоков ракеты–носителя, учитывающей разрушение конструкции на отдельные фрагменты под воздействием плотных слоев атмосферы. Будем предполагать, что ракета – носитель является абсолютно жестким телом переменной массы, т.е. не учитываются упругость конструкции и наличие жидкого топлива в баках /2/; гравитационное поле Земли характеризуется потенциалом нормального поля /3/; используется стандартная атмосфера /4/; высота плотных слоев атмосферы принимается равной h = 90 км.

Уравнение движения центра масс ракеты–носителя в траекторной системе координат можно записать в виде /3/:

где – вектор силы гравитационного взаимодействия; – вектор аэродинамической силы; – вектор силы тяги; – вектор управляющей силы; – вектор переносной силы инерции; – вектор кориолисовой силы инерции.

Рассматривается несколько вариантов членения конструкции ракеты–носителя “Союз” (таблица 1). Членение конструкции по сечениям 1-1, 2-2 и 4-4 можно осуществлять, используя, так называемый, кумулятивный распределенный шнуровой заряд, который устанавливается по контуру обшивки и при срабатывании разрезает ее (рисунок 1). Членение конструкции по сечению 3-3 подобным способом может вызвать некоторые трудности, потому что внутри бака горючего проходит трубопровод для подачи окислителя к двигателю. Поэтому в дальнейшем будем считать членение по сечению 3-3 лишь теоретически возможным.

При моделировании траекторий падения центрального блока ракеты–носителя /5/ были рассмотрены три варианта членения конструкции на высотах: 90, 60, 30, 10, 3 км. В результате получены геоцентрические координаты точек падения частей центрального блока для различных вариантов членения конструкции на каждой из рассмотренных высот, а также геоцентрические координаты точки падения конструкции целиком.

Траектория движения центрального блока в стартовой системе координат представлена на рисунке 2. Траектории свободного падения частей центрального блока в стартовой системе координат при различных вариантах членения конструкции на высоте 90 км представлены на рисунке 3.

Таблица 1 – Варианты членения конструкции центрального блока ракеты–носителя

Рисунок 1 – Центральный блок ракеты–носителя “Союз”

Рисунок 2 – Траектория движения центрального блока в стартовой

системе координат

Геодезические координаты точек падения частей центрального блока для различных вариантов членения конструкции на высоте 90 км приведены на рисунке 4. Линейный разброс в плоскости стрельбы для различных вариантов членения конструкции и для каждой рассмотренной высоты приведен в таблице 2.

Рисунок 3 – Траектории падения фрагментов центрального блока в стартовой

системе координат

Рисунок 4 – Геодезические координаты точек падения фрагментов центрального блока

Таблица 2 – Линейный разброс в плоскости стрельбы фрагментов центрального блока

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что для минимизации зоны падения необходимо определить: геометрическую высоту, на которой должно происходить членение конструкции; число фрагментов, на которое следует разделить центральный блок; схему членения конструкции на заданное количество фрагментов.

Из таблицы 2 видно, что чем меньше высота членения, тем меньше разброс фрагментов конструкции центрального блока, поэтому высота членения должна быть как можно меньше. С другой стороны, высоту членения конструкции следует выбирать так, чтобы до достижения данной высоты не произошло разрушения конструкции, за счет взаимодействия со скоростным напором. Из полученных результатов также видно, что чем меньше количество фрагментов, на которые членится конструкция, тем меньше разброс этих фрагментов.

Для минимального разброса фрагментов конструкции при падении центрального блока необходимо, чтобы влияние плотных слоев атмосферы на все фрагменты было одинаково. Последний факт требует специальной ориентации фрагментов при снижении в атмосфере. Кроме того, схему членения конструкции следует выбирать так, чтобы при дальнейшем свободном падении фрагментов центрального блока не происходило их самопроизвольного разделения на отдельные части.

Таким образом, можно сформулировать следующие рекомендации по минимизации размеров зоны падения: высота членения должна быть минимально допустимой и подтверждаться расчетом на прочность конструкции центрального блока; число фрагментов, на которые следует разделить центральный блок, должно быть минимальным, но достаточным для того, чтобы не происходило дальнейшего самопроизвольного разделения фрагментов на отдельные части; схему членения следует выбирать так, чтобы баллистический коэффициент для всех фрагментов центрального блока имел одинаковое значение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов: Учебное пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1973. – 616 с.
2. Аппазов Р.Ф., Сытин О.Г. Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли. – М.: Наука, 1987. – 440 с.
3. Лебедев А.А, Герасюта Н.Ф. Баллистика ракет. – М.: Машиностроение, 1970. – 244 с.
4. ГОСТ 4401–81. Атмосфера стандартная. Параметры. – М.: Издательство стандартов, 1981. – 179 с.
5. Механика полета: Инженерный справочник /С.А. Горбатенко, Э.М. Макашов, Ю.Ф. Полушкин и др. – М.: Машиностроение, 1969. – 420с.