Обеспечение прочности и надежности функционирования криогенных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя

Данная работа посвящена исследованию динамических процессов нагруже-ния и обеспечения прочности конструкции, надежности функционирования при срабатывании’криогенных топливных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя: При проведении исследования использованы проектная и конструкторская документация, расчеты при проектировании, отчеты по программам автономной отработки и обобщен практический опыт работы конструкторских подразделений на Волжском Филиале НПО «Энергия» имени С. П. Королева (в настоящее время ЗАО ВКБ РКК «Энергия») по созданию топливных пневмоклапанов для центрального блока ракетно-космической системы «Энергия». Под руководством Главного конструктора Пензина Б. Г., а затем Петренко С. А. коллектив конструкторского бюро разработал конструкторскую документацию, обеспечил производство, наземную отработку, транспортировку, сборку на испытательном полигоне центрального (Ц) и стартово-стыковочного (Я) блоков ракетоносителя.

Автор принимал непосредственное участие в разработке конструкций, проведении испытаний около 100 наименований агрегатов автоматики пневмогид-равлических систем, различных устройств силовых связей, защитных устройств-и ряда специальных механизмов для блоков Ц и Я ракетоносителя «Энергия». В практику проектирования были внедрены новые методики и программные комплексы по расчетам на прочность, нагружения и расчетов динамических процессов срабатывания агрегатов, механизмов и устройств ракетно-космической техники.

Предлагаемые в работе методы расчета и выбора параметров при проектировании топливных пневмоклапанов, прошли апробирование от этапа проектирования до завершения наземных испытаний и выдачи заключения по прочности и надежности для штатной эксплуатации исследуемой группы агрегатов окислительной системы центрального блока.

Результаты работы представляют практический интерес при создании подобных устройств для криогенных топливных систем вновь разрабатываемых ракетоносителей сверхтяжелого класса.

Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию (проект РНП 2.1.1.3393 и проект РНП 2.1.1.889).

Актуальность темы

Научно-технический прогресс в агрегатостроении базируется на современных методах проектирования и технического обеспечения производства и испытаний. Их рациональная совокупность может поднять на более высокий уровень процесс создания надежных и экономичных агрегатов для различных отраслей техники. Решение этой проблемы-наиболее значимым является для области проектирования и производства агрегатов автоматики пневмогидравлических систем ракетно-космической и авиационной техники, так как требования к надежности очень высоки, а их отказы могут привести к катастрофическим последствиям.

На стадии разработки проекта решающее значение для надежности имеет оптимальный выбор схемы агрегата, рабочих параметров, их сочетание, компоновка, оптимальное конструирование, а также разработка конкретных узлов и агрегата в целом.

Агрегаты топливных систем ракетоносителей, использующих в двигательных установках криогенные виды, топлива, наряду с крупными габаритами, большими подвижными массами отличаются повышенной силовой характеристикой пневмоприводовчто приводит к высокому уровню динамического на-гружения при их срабатывании. Именно данный динамический процесс является определяющим фактором с точки зрения* обеспечения-требуемого ресурса и надежности агрегатов. Таким образом, решение задачи математического моделирования динамического процесса нагружения, при срабатыванияхтопливных пневмоклапанов является наиболее ценным на ранних этапах проектирования, так как это позволяет в последующем значительно сократить сроки и затраты на проведение наземной отработки и выдачи заключения, для штатной эксплуатации. Получение точных аналитических решений динамического нагружения 7 при срабатывании — это крайне сложная и в большинстве случаев неразрешимая задача в силу физической нелинейности уравнений состояния процесса и большого числа параметров системы, влияющих на него. Предпочтительным способом решения данной задачи при проектировании является использование метода конечных элементов динамики механизмов и приводов, который реализован в специализированных расчетных комплексах с использованием вычислительной техники. Однако его применение требует теоретического обоснования оптимального и согласованного выбора параметров пневматической, гидравлической и механической систем агрегата, обеспечивающих допускаемый уровень нагружения элементов конструкции.

Решение задачи созданиявысоконадежных топливных пневмоклапанов ракетоносителей сверхтяжелого класса и определяет актуальность темы диссертационной работы, заключающейся в разработке теоретических основ метода выбора параметров при проектировании, правильное сочетание которых обеспечивает допускаемый уровень динамического нагружения при срабатываниях. Научной основой этого метода является математическое моделирование исследуемых процессов, нагружения.

Цель работы. Исследование динамических процессов нагружения, возникающих при срабатывании криогенного топливного пневмоклапанаи разработка методов выбора параметров из условия обеспечения допускаемого уровня-нагружения.

Научная новизна: теоретически обоснованы и предложены новые методы выбора параметров проектирования криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей, которые обеспечивают допускаемый уровень динамического нагружения при срабатывании.

Практическая ценность заключается в разработке, методов проектирования топливных пневмоклапанов, позволяющих значительно улучшить показатели ресурса, прочности конструкции и надежности функционирования агрегатов в целом, что позволило применить их при создании агрегатов окислительной системы центрального блока ракетоносителя-«Энергия». 8.

Достоверность основных научных результатов обеспечивается обоснованностью исходных представлений о физической природе процессов* строгостью математического аппарата, принятых допущений и упрощений, сравнением данных расчетов по предложенным моделям с экспериментальными значениями, полученными при проведении наземных испытаний агрегатов топливной окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия».

На защиту выносится:

1) анализ вопросов обеспечения" технических характеристик при проектировании криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей;

2) исследование динамического нагружения при срабатываниях пневмоклапанов методами математического моделирования;

3) построение математических и конечно-элементных моделей в расчетах динамического нагружения при срабатывании’пневмоклапанов;

4) разработка критериев и условий, обеспечивающих допускаемый уровень нагружения при срабатывании пневмоклапанов;

5) анализ и сравнение результатов, расчетов при проектировании и испытаниях пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия» .

Структура и объем работы. Диссертация* состоит из введения, пяти, глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Работа содержит 184 страницы основного текста, 57 рисунков, 15'таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В результате проведенного комплекса теоретических исследований и сравнения расчетных параметров проектируемых криогенных топливных пневмоклапанов с их значениями при испытаниях по программам автономной наземной отработки разработаны новые научно обоснованные методы проектирования, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания высоконадежных агрегатов автоматики ПГС ракетоносителей.

В — порядке подведения итогов исследования сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1. Предложен и реализован единый подход к исследованию процесса динамического нагружения при срабатывании криогенного топливного пневмоклапана. Исходя из необходимости разбивки? процесса динамики срабатывания на два* этапа, позволяющего значительно упростить решение задачи нагружения, в качестве методов исследования определено совместное использование метода теории механического удара и колебаний и метода конечных элементов динамики механизмов и приводов.

2. Разработан общий порядок построения расчетных моделей теории механического удара и колебания, основанный на приведении исследуемой механической системы к эквивалентной. Обоснованы и введены основные допущения, которые позволяют значительно упростить решение задачи расчета процесса динамического нагружения при срабатывании.

3. Проведен анализ особенностей использования расчетного комплекса «Зенит», реализующего метод конечных элементов динамики механизмов и приводов в расчетах динамического нагружения. При этом установлена достаточность объема библиотеки конечных элементов для моделирования воздействия активных и диссипативных сил, граничных и других условий. Для моделирования подвижной и неподвижной частей конструкции рекомендовано применение метода подконструкций (суперэлементов).

4. Разработаны и предложены для практического применения критерии и условия допускаемого нагружения при выборе параметров проектируемого криогенного топливного пневмоклапана сверхтяжелого ракетоносителя, в котором применяются встроенные демпферы комбинированного действия. Данные условия в виде аналитических выражений связывают параметры механической, пневматической и гидравлической систем пневмоклапана.

5. Проведен сравнительный анализ значений расчетных параметров при проектировании с их значениями при испытаниях для группы исследуемых пневмоклапанов окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия». Тем самым подтвержден правильный выбор следующих методик расчета при проектировании пневмоклапанов: газодинамического расчетарасчета статической прочностирасчета динамического нагружения при срабатывании.

6. Сформулированные в работе принципы проектирования и их использование при создании криогенных топливных пневмоклапанов исследуемой группы окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия», позволили создать высоконадежные агрегаты с ресурсом, значительно превышающим требуемый и на испытании небольшой партии агрегатов (не более 17 единиц) подтвердить требуемую надежность по техническому заданию на разработку.