Классификация конструкций КА и воздействий внешних сил

Конструктивно-компоновочная схема КА — это организованная совокупность входящих в него бортовых систем. В соответствии с массовыми характеристиками, конструктивными решениями и аппаратурными уставами можно объединить их в унифицированные ряды.

Объединение в ряды производится в основном по функциональному назначению и конструктивному исполнению. Функции и характеристики каждого ряда идентичны для всех КА, но параметры этих характеристик для каждого изделия различны и зависят от многих факторов. Изменение характеристик приводит к изменению компоновочной схемы и разработке оригинальных узлов и приборов. Наиболее характерные конструктивно-силовые схемы показаны на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Конструктивно-силовые схемы. а — "Радуга", "Горизонт", "Луч-2"; б — "Экран", "Гейзер", "Альтаир"; в — "Муссон”; г — "Меридиан".

Характерными для изделий одного унифицированного ряда являются запуск с помощью одного и того же носителя, использование идентичных компоновочных схем, узлов и агрегатов. В качестве базового в процессе проектирования обычно принимается первое изделие одного ряда.

Наиболее характерные конструктивно-силовые схемы показаны на рис. 1.1, на рис. 1.2 приведена компоновочная схема КА типа «Радуга».

Рис. 1.2. Конструктивно-компоновочная схема изделия "Радуга". 1 — термоконтейнер с приборами; 2 — связные антенны; 3 — КДУ; 4 — пневмосистема; 5— солнечная батарея; 6 — радиатор СТР; 7— опорная рама; 8 — цилиндрический переходник; 9 — привод вращения СБ

Аппаратура, элементы различных систем крепятся к весьма ограниченному числу узлов силовой конструкции: шпангоутам, опорным фермам, приборной раме. Вследствие этого возникает значительная неравномерность в распределении масс по продольной оси аппарата (рис. 1.3). Разнообразие конструктивно-силовых схем в комбинации с неравномерностью распределения массы аппарата вдоль его продольной оси и создает оригинальные динамические схемы практически для каждого типа КА. В то же время при рассмотрении расчетов и результатов взаимодействия КА с PH в полете можно сделать вывод о том, что особенности взаимодействия PH и КА внутри каждого унифицированного ряда невелики, так как незначительны массовые и конструктивные различия.

Рис. 1.3. Распределение масс по продольной оси. а — "Луч-2"; б — "Альтаир"; в — "Муссон"; г — "Меридиан"

Конструктивно-силовые схемы PH (рис. 1.4), осуществляющих вывод КА на орбиту, с позиции динамики практически неизменны. Так, например, все геостационарные спутники связи запускаются на PH типа «Протон», и изменяемым элементом в составе космического комплекса является КА.

Рис. 1.4. Конструктивно-силовая схема PH

Таким образом, характерной особенностью исследуемых космических комплексов является выведение на орбиту конструктивно различных объектов, имеющих разнообразные динамические схемы с ограниченным рядом серийных носителей. При этом вариации динамического взаимодействия носителя и КА определяются последними.

Конструкции КА в процессе эксплуатации подвергаются различным воздействиям, как внешним силовым, так и со стороны собственной системы ориентации и стабилизации, корректирующей двигательные установки и т.п. В настоящей работе они не рассматриваются как несущественные по отношению к предмету исследования.

Внешние силы, характеризующие воздействие на аппарат окружающей среды, достаточно подробно описаны в [8, 10, 13] и могут быть разделены [8] на три основные категории:

1. Объемные или массовые, распределенные по всему объему аппарата и пропорциональные плотности его материала. К ним относятся сила тяжести и инерционные силы.

2. Поверхностные — распределенные по поверхности конструкции. К этой категории сил относятся: сила внутреннего давления, внешнего акустического воздействия.

3. Сосредоточенные — силы сравнительно большой величины, распределенные на относительно малой поверхности. Теоретически это силы, приложенные в точке. Примером сосредоточенных сил, действующих на КА, могут служить все усилия, передаваемые от РБ и PH через конструкцию — контактные силы, воздействующие в месте стыковок стержней опорной фермы с термоконтейнером.

По характеру изменения во времени все внешние силы можно условно разделить на статические и динамические.

К статическим относятся те из них, время приложения или изменение которых велико по сравнению с периодом собственных упругих колебаний конструкции.

Время приложения или изменения динамически действующих сил сравнимо с периодом собственных колебаний конструкции. Примером статических сил могут быть сила тяжести или изменение тяги PH при стационарной работе ступеней. Изменение же тяги PH при включении или отсечке двигателей ступеней является динамической силой.

Разделение действующих на КА внешних сил на статические и динамические следует считать важным моментом, так как исходя из этого должен формироваться подход к экспериментальной отработке конструкции на воздействие внешних силовых факторов. Рассмотрим внешние силы, действующие на аппарат в процессе его выведения.

Анализ измерительной информации при натурных пусках показывает, что наибольшее отклонение элементов конструкции КА от стационарного состояния, причем в наиболее опасной низкочастотной области, вызывают резкое нарастание и спад силы тяги двигателей PH в случаях старта и разделения ступеней. Законы нарастания и спада силы тяги в процессе запуска и выключения двигателей устанавливаются обычно экспериментально. В первом приближении при проектировочных расчетах они, чаще всего, представляются в виде линейной зависимости от времени силы тяги P(t):

где Р₀ — сила тяги двигателя в начале работы ступени; Р_к — сила тяги двигателя в конце работы ступени; Т_а — длительность выхода двигателя на режим; Т_с — длительность спада работы двигателя; t_K — момент отключения двигателя.

График идеализированного изменения силы тяги ступени PH показан на рис. 1.5.

Разделение ступеней PH, используемых для выведения исследуемых КА, производится по «горячей» схеме [8], при которой спад силы Р, отделяемой ступени и набор силы тяги Р₂ последующей ступени происходят одновременно до подачи команды на разрыв механического соединения ступеней (рис. 1.6). При расчетах динамического взаимодействия PH и КА рассматриваются наиболее неблагоприятные условия разделения ступеней: синхронное изменение силы тяги всех двигателей PH и появление предельных поперечных возмущающих сил и моментов.

Результаты натурных изменений силы тяги при старте PH «Протон» приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Изменение по времени тяги двигательных установок PH "Протон" при пуске КА "Радуга". 0 — момент отрыва от стартового стола

При движении в плотных слоях атмосферы на обтекатель PH, под которым выводится на орбиту КА, действуют внешние поверхностные аэродинамические силы. Возникающие нестационарные аэродинамические нагрузки, обусловленные турбулентностью пограничного слоя, неустойчивостью взаимодействия ударной волны с пограничным слоем и срывами потока, оказывают влияние на конструкцию КА в виде вибрации и акустического воздействия.

Источником вибрационных нагрузок является также работа двигательных установок PH и разгонного блока РБ. Ветровые нагрузки не оказывают аэродинамического воздействия на КА, закрытый обтекателем в момент старта и прохождения плотных слоев атмосферы. Но при наличии ветра конструкция космического комплекса (PH + РБ + КА), стартующего с открытой наземной площадки, нагружается хаотически изменяющимися во времени аэродинамическими силами в направлении как ветрового потока, так и в перпендикулярном, что вызывает упругие колебания системы «космический комплекс — пусковая конструкция» или космического комплекса в полете.

Одной из основных сил, действующих на КА в пределах притяжения Земли, является сила тяжести G, пропорциональная массе изделия т и ускорению свободного падения g на соответствующей высоте. Для учета влияния силы тяжести при определении нагрузок и расчете динамических характеристик конструкции находится распределение массы аппарата вдоль продольной оси (см. рис. 1.3). В плоскости, перпендикулярной продольной оси аппарата, центр масс совпадаете геометрическим центром конструкции, что достигается компоновкой узлов и приборов и балансировкой с помощью специальных грузов.

Сила тяги по своей природе является поверхностной силой [8], но на конструкцию она передается в виде сосредоточенных сил в месте присоединения стержней опорной рамы к термоконтейнеру.

Сила тяги представляется в виде суммы динамической и статической составляющих, которые определяются соответственно реакцией истекающей струи двигателей PH и разностью давлений на срезе сопла двигателя PH в атмосфере.

где — относительная скорость истечения газов; Р_ст — сила отрыва от стартового стола; — секундный расход топлива; Р_с — статическое давление на срезе сопла; P_h — давление в атмосфере на высоте h; S_c — площадь среза сопла.

На основании анализа условий работы конструкции КА в процессе выведения можно выделить ряд характерных с точки зрения прочности случаев нагружения. В каждом из них конструкция аппарата находится под воздействием вполне определенной, характерной для этого случая комбинацией внешних сил и окружающих условий. Очевидно, что каждый элемент конструкции и вся она в целом проектируются из расчета на наиболее опасное, с точки зрения выбранных критериев, нагружение или ряд таких воздействий. Такие характерные для аппарата в целом случаи нагружения в дальнейшем называются расчетными [8]. Любая попытка классификации случаев нагружения КА в процессе его изготовления, испытаний, выведения и эксплуатации выглядит достаточно условной.