Схема с несущими баками

Первые образцы ракет с несущими баками были испытаны и отработаны в начале 50-х годов. После этого отрабатывались некоторые модификации. Так, в частности, появилась и метеорологическая ракета В5В (боевая ракета Р-5). Ныне макетный образец баллистической ракеты с несущими баками занимает почетное место исторического экспоната перед входом в музей Советской Армии в Москве.

При переходе на новую модернизированную схему в целях повышения дальности был увеличен стартовый вес и форсирован режим работы двигателя. Переход на схему несущих баков , конечно, более высокий уровень технологии и тщательная проработка конструкции позволили довести коэффициент весо­вого качества α_к до 0,127 (вместо 0,25 у «Фау-2») при относи­тельном конечном весе µ_k ~ 0,16.

Наиболее серьезным переработкам в ракете В5В подверга­лась система управления. Как-никак, но это была первая аэро­динамически неустойчивая ракета, снабженная очень небольшим хвостовым оперением и воздушными рулями. На этой же ракете в дальнейшем впервые были применены гироплатформа и новый принцип функционального выключения двигателя.

На ракете В5В в качестве топлива по-прежнему использо­вался 92%-ный этиловый спирт и жидкий кислород. Отработка ракеты показала, что отсутствие теплоизоляции на боковой поверхности кислородного бака не влечет за собой не­приятных последствий. Несколько повышенное испарение кисло­рода за время предстартовой подготовки легко компенсируется подпиткой, т. е. автоматизированной дозаправкой кислорода не­посредственно перед стартом. Эта операция необходима вообще для всех ракет на низкокипящих топливных компонентах.

Таким образом, после ракеты В5В схема несущих баков и от­деляющейся головной части стала реальностью. Все современ­ные жидкостные баллистические ракеты дальнего действия и их более высокая ступень — ракеты-носители создаются ныне толь­ко на основе этой силовой схемы. Именно ее развитие на базе современной технологии и бесчисленных конструктивных улуч­шений породило обобщенный образ той машины, которая по справедливости символизирует вершины технического прогресса нашего времени.

Сейчас ракету В5В можно рассматривать столь же критически, как во времена ее создания рассматривалась ракета «Фау-2». При сохранении общей компоновки и основных принципов сило­вой схемы возможно дальнейшее снижение веса и повышение ос­новных характеристик, а пути решения этой задачи легко просма­триваются и уясняются на примерах более поздних конструкций.

На рис. 3.3 показан одноступенчатый вариант американской баллистической ракеты «Тор»; она выполнена также по типичной схеме несущих баков и имеет отделяющуюся головную часть. Суммарный вес топливных компонентов (кислород + керосин) составляет 45 тс при чистом весе конструкции (без головной ча­сти) 3,6 тс. Это означает следующее. Если условно принять суммарный вес остатков топлива 0,4 тс, то для знакомого нам ко­эффициента весового качества α_к получим значение 0,082. При­нимая вес головной части примерно 2 тс, получаем параметр µ_K = 0,12. Можно также установить, что при удельной пустотной тяге кислородно-керосинового топ­лива, принятой равной 300 единицам, дальность этой ракеты составляет 3000 км.

В основе высоких весовых показате­лей современных ракет, в частности и этой, лежит тщательная проработка мно­гих элементов, перечислить которые было бы очень трудно, но некоторые, доста­точно общие и типичные, указать можно.

Стенки топливных баков 1 и 2 имеют вафельную конструкцию. Это — тонко­стенная оболочка, изготовленная из вы­сокопрочного алюминиевого сплава с ча­сто расположенными продольно-попе­речными подкреплениями, играющими ту же роль, что и силовой набор в корпусе ракеты «Фау-2», но с большим ве­совым качеством. Широко распростра­ненная в настоящее время вафельная конструкция изготовляется обычно механическим фрезерованием. В ряде случаев, однако, применяется и хи­мическое фрезерование. Заготовка обечайки исходной толщины h₀ подвергается тщательно контролируе­мому травлению в кислоте по той части поверхности, где необходимо убрать лишний металл (остальная часть поверх­ности предварительно покрывается ла­ком). Оставшаяся после травления тол­щина h должна обеспечить герметич­ность и прочность образовавшейся пане­ли при заданном внутреннем давлении, а продольные и поперечные ребра сооб­щают оболочке повышенную жесткость на изгиб, которой определяется устойчи­вость конструкции при осевом сжатии. Регулярность распределения продоль­ных и поперечных ребер преднамеренно нарушается в зоне сварных швов, которые, как известно, обла­дают несколько пониженной прочностью по сравнению с листом проката, а также — у торцов обечайки, где еще предстоит при­варить днища. В этих местах толщина заготовки сохраняется неизменной.

Существуют и другие способы изготовления вафельных кон­струкций. Однако мы сознательно остановились на химическом фрезеровании, чтобы показать, какой ценой в прямом и пере­носном смысле достигаются те весовые показатели конструкции, которые свойственны современной ракетной технике.

Ракета «Тор» имеет укороченный и облегченный хвостовой отсек З, на торце которого крепятся два управляющих двига­теля. Отказ от газоструйных рулей связан, естественно, с их высоким газодинамическим сопротивлением в струе истекающих газов. Применение управляющих двигателей несколько услож­няет конструкцию, но дает существенный выигрыш в удельной тяге.

Из сказанного не должно складываться впечатления, что уп­равляющие камеры появились впервые именно на этой балли­стической ракете. Такая система силовых органов управления применялась в различных исполнениях и раньше, в частности, на ракете-носителе системы «Восток» или «Союз», о которых речь впереди. Одноступенчатый вариант ракеты «Тор» рассматривается здесь исключительно как пример следующего за раке­той В5В поколения баллистических ракет.

Почти на всех баллистических ракетах устанавливаются так­же и тормозные твердотопливные двигатели 6. Это — тоже не из последних новинок. Задача тормозных двигателей заключается в том, чтобы, затормозив корпус ракеты, отвести его от головной части при ее отделении; именно — корпус, не сообщая головной части дополнительной скорости.

Выключение жидкостного двигателя не является мгновенным. После закрытия клапанов топливных магистралей в течение последующих долей секунды в камере еще продолжается горе­ние и испарение оставшихся компонентов. В результате ракета получает небольшой дополнительный импульс, называемый им­пульсом последействия. При расчете дальности на него вводится поправка. Однако сделать это точно невозможно, поскольку им­пульс последействия не обладает стабильностью и меняется от случая к случаю, что является одной из существенных причин рассеивания по дальности. С тем, чтобы уменьшить это рассеи­вание, и используются тормозные двигатели. Момент их включения согласовывается с командой на выключение жидкостного двигателя таким образом, чтобы импульс последействия в ос­новном был скомпенсирован.

Будет поучительным сопоставить геометрические пропорции ракет В5В и «Тор». Ракета В5В более вытянута. Отношение длины к диаметру (так называемое удлинение ракеты) для нее существенно больше, чем у ракеты «Тор»; примерно 14 про­тив 8. Различие в удлинениях вызывает и различные заботы. С увеличением удлинения снижается частота собственных поперечных колебаний ракеты, как упругой балки, и это заставляет считаться с возмущениями, которые поступают на вход системы стабилизации в результате угловых перемещений при изгибе корпуса. Иными словами, должна быть обеспечена стабилизация уже не жесткой, а изгибающейся ракеты. В некоторых случаях это вызывает серьезные трудности,

При малом удлинении ракеты этот вопрос естественно сни­мается, но зато возникает другая неприятность — возрастает роль возмущений от поперечных колебаний жидкости в баках, и если надлежащим подбором параметров автомата стабилизации не удается их парировать, приходится устанавливать в баках перегородки, ограничивающие подвижность жидкости. На рисунке частично показаны узлы 7 для крепления гасителей колебаний в баке горючего. Естественно, такое решение приводит к ухуд­шению весовых характеристик ракеты.

Ракету «Тор» не следует рассматривать как образец совер­шенства. Вместе с тем, любым критическим замечаниям по по­воду ее компоновки проектанты могли бы, наверное, противопо­ставить и свои контрдоводы. На примере ракеты В2А мы уже ви­дели, что обоснованная критика конструктивного решения может проводиться только с учетом конкретных условий проектирования и производства, а главное — перспективных задач, которые ста­вят перед собой создатели новой машины. А ракета «Тор» относится как раз к числу таких, на базе которых возможно создание ракетно-космических систем.