Разделение ступеней. 
Беспилотные летательные аппараты: нагрузки и нагрев

Схемы разделения ступеней

Участок движения Л, А от момента подачи главной команды на выключение двигательной установки предыдущей ступени до момента, когда отделяющаяся часть не может влиять на дальнейший полет следующей ступени, называется участком разделения ступеней.

Система разделения ступеней предназначена для их надежного соединения во время эксплуатации РБ и при работе первой ступени. Для разделения ступеней РБ используются две основные схемы.

Холодное разделение ступеней можно осуществить несколькими способами.

А. Разделение торможением отделяемой ступени. В этой схеме включение двигателя второй ступени осуществляется после того, как первая ступень отведена от второй на безопасное расстояние, которое исключает посадку ступеней и их соударение. Торможение отделяемой ступени может выполняться следующими способами:

• 1) тормозными пороховыми двигателями;
• 2) тормозными соплами, устанавливаемыми на днище бака или РДТТ отделяемой ступени;
• 3) управляющими двигателями отделяемой ступени;
• 4) аэродинамическими щитками или поверхностями, если разделение происходит в плотных слоях атмосферы.

В одной из возможных схем разделения торможением (рис. 52) двигатель отделяющейся (второй) ступени включается после приложения к первой ступени тормозного импульса, достаточного для расхождения ступеней на безопасное расстояние. В этой схеме реализуется такая последовательность операций:

• 1) выключение основного двигателя отделяемой ступени;
• 2) разрыв соединительных болтов и запуск тормозных двигателей;
• 3) запуск основного двигателя второй ступени.

Управляющие двигатели второй ступени включаются до момента запуска двигателей второй ступени, обеспечивая осевую перегрузку, необходимую для обеспечения бескавитационной работы насосов в ракетах на жидком топливе.

Рис. 52.

В этой схеме разделения осуществляются следующие операции:

• 1) выключение основного двигателя первой ступени;
• 2) разрыв соединяющих болтов и запуск тормозного двигателя.

Во время разделения ступеней вторая ступень управляется при помощи управляющих двигателей, что исключает возможность ухудшения точности заданных параметров траектории в конце активного участка.

Основные достоинства этой системы разделения:

• 1) разделение под действием небольших сил, обеспечивающих плавное движение ступеней без значительных изгибных, продольных и угловых колебаний;
• 2) небольшая масса самого узла разделения, включающая в себя тормозные РДТТ с деталями крепления.

Из недостатков нужно прежде всего отметить довольно сложную последовательность команд на выполнение операций разделения, а также сравнительно большие потери дальности за счет гравитации и отсутствие осевых перегрузок, если не работают управляющие двигатели второй ступени.

Б. Разделение расталкиванием ступеней. В этой схеме переходной отсек между ступенями герметизируется перед стартом, а внутри него создается давление одним из следующих способов:

• 1) наполнением отсека рабочим телом-газом перед стартом;
• 2) подачей газа наддува из бака с топливом или РДТТ;
• 3) созданием в момент разделения ступеней давления в отсеке при помощи специального порохового аккумулятора давления.

В момент расстыковки ступеней возникает сила, которая и расталкивает их. Управление второй ступенью происходит в течение всего процесса разделения, а для создания требуемых осевых перегрузок для подачи компонентов в камеру сгорания ЖРД можно использовать небольшие ускоряющие РДТТ.

Возможным вариантом этого способа может быть схема, в которой плоскость разделения ступеней находится в месте соединения днища бака или РДТТ с цилиндрической обечайкой. Днище бака отбрасываемой ступени используется затем в качестве днища хвостовой части второй ступени. Управление второй ступенью осуществляется при помощи специальных ракетных двигателей, перерезание цилиндрической обечайки — при помощи детонирующего шнура с кумулятивной выемкой.

В. Разделение ускорением второй ступени. Для отведения на безопасное расстояние второй ступени от первой можно воспользоваться:

• 1) ускоряющими двигателями, установленными на второй ступени;
• 2) управляющими двигателями второй ступени.

Горнчее разделение ступеней. Одна из возможных схем огневого разделения ступеней РБ на жидком топливе изображена на рис. 53, где основными командами являются:

• 1) дросселирование двигателя отделяемой ступени и переход его на режим пониженной тяги;
• 2) запуск двигателя второй ступени;
• 3) выключение двигателя первой ступени;
• 4) разрыв соединительных болтов между ступенями.

Рис. 53.

Для того чтобы вывести газы из зазора между ступенями, они соединяются между собой при помощи фермы, изготовленной из труб, которые подкрепляют стыковые шпангоуты. Сопло двигателя второй ступени находится внутри фермы, являющейся переходником между ступенями. Ферма остается на отделяющейся ступени.

Достоинства системы огневого разделения:

• 1) быстрота разделения, не дающая практически гравитационных потерь скорости;
• 2) простая последовательность команд на разделение ступеней;
• 3) повышенная надежность запуска двигателя второй ступени, поскольку при запуске возникают осевые перегрузки, создаваемые еще работающим двигателем первой ступени и обеспечивающие устойчивую работу заборных устройств баков;
• 4) возможность ликвидировать вспомогательные РДТТ и уменьшить вес системы разделения.

Основные недостатки огневого разделения:

• 1) большие возмущения, получаемые второй ступенью при разделении;
• 2) достартовый расход топлива на второй ступени, так как двигатель второй ступени запускается еще до потери связи между ступенями;
• 3) увеличение массы конструкции из-за слоя ТЗП, которым покрывается днище для защиты первой ступени от разрушения и возможного взрыва гарантийных остатков топлива;
• 4) увеличение потерь на силу лобового сопротивления, (особенно резкое, когда диаметры ступеней разные) из-за применения фермы-переходника;
• 5) воздействие горячих газов, отраженных от днища первой ступени, на конструкцию второй ступени.

Последних двух недостатков можно избежать, если выполнить переходной отсек в виде глухого отсека с защитным экраном и окнами для выхода газов. Окна закрываются сбрасываемыми в момент разделения люками. Разделение ступеней осуществляется непосредственным запуском двигателя второй ступени. Горячие газы от струй ударяют в корпус отдельных частей ступени, а отраженные газы выходят через окна в переходнике. Защитный экран исключает попадание горячих газов на вторую ступень. Одновременно защитный экран в виде усеченного конуса позволяет стабилизировать отделяющуюся ступень относительно струи и тем самым исключает возможность соударения ступеней.

Разделение ступеней РБ с РДТТ имеет в отличие от РБ с ЖРД следующие особенности:

• 1) прохождение плотных слоев атмосферы с более высокими скоростями из-за большей тяговооруженносги;
• 2) трудности с надежным выключения РДТТ перед разделением ступеней;
• 3) более быстрый запуск и выключение двигателя (меньший импульс последействия тяги);
• 4) большие продольные и поперечные перегрузки ракет.

Так как ракета с РДТТ имеет большую скорость в плотных слоях атмосферы, то для отделения первой ступени можно использовать аэродинамические силы. Одновременно в период отделения первой ступени полетом второй можно управлять с помощью воздушных рулей, так как скоростной напор воздуха достаточно велик. Из-за трудностей выключения двигателя твердого топлива отделяемой ступени обычно допускают в нем полное выгорание топлива перед разделением ступеней. При этом отсутствие осевой перегрузки не влияет на надежность запуска РДТТ последующей ступени. Быстрый запуск двигателя облегчает задачу управления в период разделения и уменьшает потери дальности.

Разделение ступеней ракеты с РДТТ близко к схеме горячего разделения ступеней на жидком топливе, отличаясь от нее большей быстротой процесса разделения, возможностью использования аэродинамических сил для разделения и простотой выполнения команд.