«ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Учебное пособие 2012 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ. 1 СТРУКТУРА КОСМИЧЕСКОЙ ...»

Влияние космического вакуума проявляется в изменении условий теплообмена, сублимации (испарении) материалов и изменении их механических характеристик, потере смазки, утечках КРТ, рабочих жидкостей и газов из систем КА. Поэтому к герметичности КА предъявляются высокие требования Уже на высоте 100…200 км давление среды составляет 10-2…10-4 Па, а на высоте выше 200 км давление составляет всего 10-10 Па. То есть глубокий вакуум.

Разреженная среда воздействует на КА следующим образом:

- испаряются материалы, вследствие чего применяют сухие смазки, пластмассы и некоторые металлы покрывают цинком и кадмием;

- возможна холодная сварка металлов, что требует применения в механизмах специальных прокладок;

- повышается вероятность утечки газов и жидкостей из емкостей и арматуры, что требует обязательной проверки герметичности КА на земле в вакуумной камере;

- отсутствует противодействие среды (декомпрессия), что необходимо учитывать при создании исполнительных органов пневмо- и гидросистем;

- трудности в управлении движением, что заставляет использовать только газодинамические и инерционные средства стабилизации.

4.3.3 Метеорные потоки и космический мусор Метеорная опасность состоит в том, что поверхности КА подвергаются воздействию метеорных частиц. Основную долю этих частиц в космосе составляют мелкие пылинки (микрометеориты), большинство из которых имеет следующие характеристики:

масса от 10-13 до 104 кг (среднее значение – 10-8 кг);

плотность от 10 до 7900 кг/м3 (среднее значение – 500 кг/м3);

скорость от 11 до 72 км/с (среднее значение – 40 км/с).

Удары таких частиц не могут привести к пробою стенок КА, однако многократные воздействия микрометеоритов вызывают эрозию внешних поверхностей и могут существенно менять их свойства. Воздействие наиболее мелких метеорных частиц на поверхности КА при длительном полете вызывает изменение оптических характеристик иллюминаторов и оптических приборов, радиационных поверхностей и солнечных батарей.

Как показывает практика, вероятность метеорного пробоя оболочки герметичных отсеков КА с небольшим сроком активного существования невелика, однако для орбитальных станций, совершающих длительный полет, должна предусматриваться противометеорная защита.

Нельзя не учитывать опасность от столкновения КА с космическими объектами искусственного происхождения ("космическим мусором").

Засорение космического пространства происходит за счет вышедших из строя КА, последних ступеней РН, разгонных блоков. По данным НАСА в настоящее время на околоземных орбитах находится более 7000 известных и наблюдаемых объектов, а также еще большее количество фрагментов систем разделения ступеней и отделения КА, осколков (обломков) аварийного разрушения РКН, которые не могут быть обнаружены современными техническими средствами.

4.3.4 Невесомость Невесомость – это такое состояние, при котором действующие на материальное тело внешние силы не вызывают взаимных давлений его частиц друг на друга. Длительная невесомость имеет место при движении последних ступеней РН, РБ с выключенными двигателями, а также в ходе орбитального полета КА. Позитивное влияние невесомости проявляется в возможности использования легких конструкций орбитальных средств. Кроме того, на орбите можно получить материалы (сплавы, композиты) с уникальными свойствами. Отрицательное воздействие невесомости связано с отсутствием конвективного теплообмена и необходимостью использования достаточно сложных систем терморегулирования. Невесомость приводит к усложнению системы пуска ЖРД, требует специальных приемов для разделения жидкой и газовой фаз в агрегатах системы жизнеобеспечения, в топливных баках.

Неблагоприятное воздействие оказывает невесомость на организм человека.

Для невесомости характерно:

- плавание незакрепленных тел, что вызывает трудности при питании и отправлении естественных надобностей человеком, при работе с инструментом требуются особые приспособления и навыки, необходима фиксация во сне и другое;

- отсутствие конвективного теплообмена, что требует принудительного перемещения воздуха для охлаждения приборов;

- отсутствие гидростатических сил, что заставляет принимать меры для прижатия жидкостей к расходным горловинам, для перемещения жидкостей, для срабатывания механизмов;

- физиологическое воздействие на человека, приводящее к ухудшению кровообращения, дистрофии мышц, изменению артериального давления и прочее.

4.3.5 Космическая радиация (излучение) и тепловые потоки Космическая радиация (потоки заряженных частиц в радиационных поясах Земли и при вспышках солнечной активности) может влиять на солнечные батареи, антенны, изделия из органических соединений и бортовые приборы КА. Защиту бортового оборудования обеспечивает корпус КА, выполняющий функции экрана.

Тепловые условия работы КА определяются внешними тепловыми потоками, ориентацией КА, формой и расположением отсеков, влиянием внешних и внутренних элементов КА, внутренним тепловыделением.

К внешним тепловым потокам относят - солнечную радиацию где q0 = 1380 Вт/м – поток на Земле, rс – расстояние от аппарата до Солнца, r0 расстояние от Земли до Солнца;

- поток, отраженный от Земли где = 0,35 – альбедо Земли;

- собственное излучение планеты где R = 6370 км – радиус Земли, H – высота полета КА, q0з = 210 Вт/ м2 – поток для Н=0;

- аэродинамический тепловой поток при запуске – 20 кВт/м2, при спуске – 2000 кВт/м2.

Внутреннее тепловыделение определяется тепловыделениями от человека (80…290 Вт/чел) и от оборудования (110…120 Вт/чел).

Перепад температур в течение короткого времени (одного оборота вокруг Земли) может достигать 190 С. Освещенная (обращенная к Солнцу) поверхность КА может нагреваться за счет излучения Солнца до 120 С, а теневая поверхность в результате лучистого излучения тепла охлаждаться до температуры –70 С. Интенсивное охлаждение всего КА происходит при движении его на участке орбиты, находящейся в тени Земли.

От температуры существенно зависят свойства конструкционных материалов ракетно-космической техники. Так, при отрицательных температурах у многих конструкционных металлов и сплавов резко снижаются показатели механических свойств.

Материалы и устройства при воздействии радиации теряют свои свойства и выходят из строя. Например, жесткое рентгеновское излучение может расплавлять золотые контакты, нарушать контакты в микросхемах, приводить к сбоям в работе электронной аппаратуры.

5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

5.1 Конструкционные материалы ракетно-космической техники Каждый материал имеет свой комплекс свойств, среди которых нас интересуют, прежде всего, прочность и жесткость. Это способность в определенных пределах воспринимать воздействие внешних сил, не разрушаясь и не меняя существенным образом свои геометрические размеры.

Для измерения прочности и жесткости проводят испытания на растяжение образца выбранного материала, как правило, в виде круглого стержня. Приложение усилий к стержню может быть осуществлено различными способами, как это показано на рисунке 5.1. Во всех случаях, однако, система внешних сил образует равнодействующую Р, направленную вдоль оси стержня.

Рисунок 5.1 – Образец материала и его расчетная схема Во всех поперечных сечениях стержня возникают нормальные силы N, равные силе Р. Для однородного стержня внутренние силы распределены по сечению равномерно, поэтому нормальное напряжение для всех точек сечения будет одним и тем же где F – площадь поперечного сечения.

Размеры растянутого стержня меняются в зависимости от величины приложенных сил. Если до нагружения стержня его длина была равна L, то после нагружения она стала равной L+L (рисунок 5.2). Величину L называют абсолютным удлинением стержня.

Поскольку у нагруженного стержня напряженное состояние является однородным и все участки растянутого стержня находятся в одинаковых условиях, деформация по оси стержня остается одной и той же, равной своему среднему значению по длине L Эта величина называется еще относительным удлинением стержня.

В пределах малых удлинений для подавляющего большинства материалов справедлив закон Гука, который устанавливает прямую пропорциональность между напряжениями и деформациями Величина Е представляет собой коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости. Модуль упругости является физической константой материала и определяется путем эксперимента. Величина Е измеряется в тех же единицах, что и, то есть в Па.

Диаграмма растяжения образца при испытаниях его на разрыв представлена на рисунке 5.3. Отмеченные на диаграмме точки характеризуют свойства материала. Определим основные из них, которые нам будут необходимы в дальнейшем.

Рисунок 5.3 – Диаграмма растяжения образца Хорошо определяемым свойством материала является предел текучести т. Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через в.

Практика показывает, что прочность материала характеризуется пределом прочности, жесткость – модулем упругости, а пластические свойства определяются низким значением предела текучести. Теперь перейдем к выбору материалов для элементов РКТ.

Выбор материала конструкционного элемента РКТ является важным шагом поиска конструктивного решения, поскольку от выбора материала зависят массовые, технологические, эксплуатационные и другие свойства конструкции.

При выборе материала необходимо учитывать:

массовые и прочностные характеристики;

свариваемость;

пластические свойства, которые обеспечивают возможность получения листов малой толщины, профилей различного сечения и т.д.;

антикоррозионные свойства;

недефицитность и низкая стоимость.

Определяющим требованием является требование минимальной массы при условии обеспечения неразрушаемости конструкции.

Для элементов, работающих на растяжение, их масса будет минимальной при выборе материала, который характеризуется максимальным значением удельной прочности где в(T) – предел прочности материала [МПа] при температуре T, – плотность материала [кг/м3].

Для элементов, работающих на сжатие, их масса будет минимальной, если выбрать материал с максимальным значением удельной жесткости где Е(T) – модуль упругости материала [ГПа] при температуре T, – плотность материала [кг/м3].

Очень важно, сравнивая материалы по удельным характеристикам, всегда учитывать влияние температуры на прочностные и жесткостные свойства материала (рисунок 5.4 и 5.5).

Требование свариваемости материалов играет определяющую роль, когда рассматриваются герметичные конструкции (топливные баки, герметичные приборные отсеки, камеры ЖРД). Например, баки РН «Атлас» выполнены из нержавеющей стали, у РН «Союз» - из алюминиевого сплава АМг6, а у РН «Энергия» - из алюминиевого сплава 1201.

Рисунок 5.4 – Влияние температуры Рисунок 5.5 – Изменение удельной на предел прочности материала жесткости от температуры Пластические свойства материалов влияют на возможность их использования с целью получения конструктивного элемента требуемой формы или вызывают необходимость использования специальной технологии.

Например, отожженный материал АМг6М характеризуется высокими пластическими свойствами, что позволяет использовать его для изготовления, в частности, днищ топливных баков. В то же время этот материал обладает низким пределом текучести т = 150 МПа. А нагартованный материал АМг6Н имеет т = 280 МПа, но характеризуется плохими пластическими свойствами, не позволяющими изготавливать днища.

Антикоррозионные свойства материала характеризуют его эксплуатационные свойства: стойкость к атмосферным воздействиям или агрессивным компонентам топлива. В общем случае требуемые антикоррозионные свойства материала могут быть обеспечены нанесением покрытий, специальной поверхностной обработкой, что вызывает усложнение технологии изготовления конструкции и снижение ее эксплуатационной надежности.

Требование низкой стоимости материала является важным, но находящимся в определенном противоречии с другими требованиями, например, малой плотностью материала и высокими прочностными свойствами. Дело в том, что использование легких высокопрочных материалов вызывает для РН облегчение конструкции и, как следствие, увеличение массы полезного груза (КА) или улучшение других тактико-технических характеристик объекта РКТ, что повышает его рыночные перспективы.

Остановимся на особенностях конструктивного и технологического применения некоторых материалов.

Алюминиевые сплавы ( = 2700…2900 кг/м3, Е = 70 ГПа) составляют большую группу конструкционных материалов, используемых в самых различных конструкциях отсеков и агрегатов РН и КА.

Можно условно выделить следующие группы алюминиевых сплавов:

– деформируемые сплавы (АМц, АМг6, 1201, Д16, Д20, В95, АК6 и т.д.), используемые для получения профилей, труб, листов, проволоки, штамповки, поковки и др.;

– литейные сплавы (АЛ2, АЛ4, ВАЛ1 и т.д.);

– спеченные сплавы (Траб = 300…550 оС). Их получают путем прессования и спекания алюминиевого порошка (САП-1, САП-2) или спеканием порошка алюминиевых сплавов (САС-Д16, САС-Д96). Полученные материалы характеризуются в первую очередь более высокой, чем исходный материал, прочностью при высоких температурах. Кроме того, эти материалы хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью.

– композиционные материалы на основе алюминия упрочняются волокнами (Al2O3, SiC, C, B и т.д.) или порошкообразными компонентами (тугоплавкие окислы, карбиды, нитриды, бориды).

На практике широко используются:

– АМг6, 1201 – для изготовления корпусов топливных (баковых) отсеков;

– Д16, Д20, В95 – для изготовления корпусов небаковых отсеков;

– АК6, Д16 – для изделий, работающих при криогенных температурах (о 253 С).

характеризуются высокой механической прочностью, теплостойкостью (Траб до 540оС) и высокой коррозионной стойкостью. Характерной особенностью титановых сплавов является низкая теплопроводность, что позволяет использовать материал в конструкции «тепловых мостов». Материал хорошо сваривается.

Титановые сплавы хорошо поддаются холодной и горячей обработке.

Титановые листы можно обрабатывать гибкой, выдавливанием, волочением, резанием, вытяжкой и штамповкой.

Некоторые из титановых сплавов (ВТ6кт, ВТ6с) используются в криогенных баках. Например, из них изготавливают шар-баллоны с гелием, устанавливаемые в баках с жидким водородом.

Из сплава ВТ14 делают силовые элементы, работающие при температурах до 400 оС.

Коррозионно-стойкие жаропрочные стали (=7800…8200 кг/м3, Е=220 ГПа) чаще всего применяются в диапазоне температур 400…800 оС. К ним относятся хромоникелевые стали с содержанием хрома и никеля от 4 до % каждого, а также стали с добавками вольфрама, молибдена, титана, ниобия.

Современные жаропрочные стали обладают хорошей пластичностью в холодном и горячем состоянии, отлично деформируются при обработке и удовлетворительно свариваются.

Из стали Х18Н9Т, например, изготавливают камеры ЖРД.

Е=130…190 ГПа) представляют собой объемное сочетание химически разнородных компонентов с четко выраженной границей раздела. В качестве армирующих наполнителей используют углеродные, стеклянные, борные и органические волокна, которые отличаются высокими значениями удельной прочности и жесткости. Матрицей (связующим) композиции служат полимерные (фенолформальдегидные, кремнийорганические, полиэфирные, эпоксидные и полиамидные смолы) и металлические (алюминий и алюминиевые сплавы) материалы.

Ориентируя волокна в матрице различным образом, можно получить КМ, обладающий требуемой анизотропией свойств по направлениям, наиболее соответствующим напряженному состоянию в материале.

КМ нашли широкое применение, например:

- углепластики – для изготовления головных обтекателей РН, ферменных элементов РБ и КА, шар-баллонов с высоким давлением, неохлаждаемых сопловых насадок ЖРД и сопловых блоков РДТТ;

- органопластики – для изготовления корпусов РДТТ;

- стеклопластики – для изготовления экранов, местных обтекателей, крышек люков и гаргротов.

Волокна бора используются в качестве армирующего материала в композиции с металлом. Преимуществами волокон бора как армирующего материала является малая масса, высокая прочность при растяжении и высокая жесткость (его жесткость в шесть раз больше, чем у алюминия). Температура плавления бора 2000 оС, то есть в три раза выше, чем у алюминия. На рисунке 5.6 показано размещение армированных высокомодульных накладок и включений из эпоксидного боропластика в алюминиевых профилях (армировка зачернена).

Рисунок 5.6 – Алюминиевые профили, армированные боропластиком Использование композиционных материалов в конструкциях РКТ показало, что замена металлических деталей изделиями из композитов позволяет снизить их массу в среднем на 50%, упрощает технологию изготовления, повышает надежность.

5.2 Теплозащитные материалы При функционировании объектов РКТ на них действуют тепловые потоки, имеющие различную природу. Они вызывают либо термическое нагружение конструкции и снижение прочностных характеристик материалов, либо испарение криогенных компонентов топлива и увеличение давления в баках и баллонах, либо сбои в работе приборов системы управления и выход из строя механизмов и устройств. Рассмотрим основные тепловые факторы и материалы, применяемые для защиты от них.

Аэродинамический нагрев в наибольшей степени воздействует на головной обтекатель РН при полете на атмосферном участке, а также на спускаемый аппарат КА при входе в атмосферу планеты. На рисунке 5. показан спускаемый аппарат перед полетом и после возвращения на Землю.

Рисунок 5.7 – Спускаемый аппарат перед полетом В его теплозащите использованы слоистые материалы на основе асботкани и фенолформальдегидной смолы, пеношамотная теплоизоляция и пористая сотовая структура. Это материалы, применявшиеся во второй половине 20-го века. В настоящее время в теплозащитных покрытиях (ТЗП) спускаемых аппаратов широко используются более эффективные углепластики, фенольно-углеродные абляционные материалы, кремнеземные материалы и тефлоны. Но задачи по освоению космического пространства требуют для своего решения новых подходов и материалов. Например, для входа в холодную атмосферу Юпитера около 38 % массы спускаемого аппарата должна составлять графитовая теплозащита и только 5% - полезный груз. На этом фоне атмосфера Земли кажется весьма комфортной для полетов.

Во время спуска в атмосфере орбитального многоразового корабля «Буран» (рисунок 5.8) в результате аэродинамического торможения температура некоторых участков корабля могла превысить 1873 К, температура же силовой оболочки корпуса при этом не должна была превышать 423 К.

Чтобы корабль при входе в атмосферу не сгорел, его внешняя поверхность была покрыта специальными теплозащитными плитками на основе супертонкого кварцевого волокна. Носовая часть фюзеляжа, передние кромки крыла и киля защищены углерод-углеродным композиционным материалом.

Эта плитка мягкая и легкая. Вбирая в себя плазменный жар трения, она не передает его металлической обшивке орбитального корабля. Чтобы облицевать этими плитками корабль «Буран», делалось математическое описание всей его поверхности и этот банк данных вводился в память станка с числовым программным управлением. Станок же и фрезеровал каждую плитку по отдельной программе строго для каждого конкретного места. Специальное устройство приклеивало ее, после чего проводилось испытание на прочность:

плитку пытались оторвать, убеждаясь таким образом в надежности крепления.

Каждая из 39 тысяч защитных плиток, получая «прописку», удостоверялась описанием. Общая масса теплозащиты корабля «Буран»

составляет менее 9 т.

Рисунок 5.8 – Теплозащитная плитка орбитального корабля «Буран»

На примере головного обтекателя РН рассмотрим воздействие на него аэродинамического нагрева. На рисунке 5.9 показано изменение конвективного теплового потока в носовой части обтекателя, возникающего при торможении газового потока вблизи обтекаемой поверхности.

Рисунок 5.9 – Конвективный тепловой поток в носовой части Этот тепловой поток вызывает нагрев поверхности головного обтекателя (ГО). Распределение температуры по поверхности ГО показано на рисунке 5.10.

Рисунок 5.10 – Распределение температуры нагрева Как видно из рисунка, температура носовой части ГО превышает допустимую рабочую величину для алюминиевых сплавов (рисунок 5.4 и 5.5). Поэтому на наружную поверхность носовой части ГО наносят ТЗП из асбопластика или стеклопластика на фенольном связующем (рисунок 5.11).

Картина распределения температур по конструкции ГО, имеющего ТЗП носовой части представлена на рисунке 5.12.

Рисунок 5.11 – Головной обтекатель с теплозащитой носовой части Рисунок 5.12 – Распределение температуры головного обтекателя Из рисунка видно, что и в обшивке и в продольном силовом наборе (стрингерах) рабочая температура в течение полета находится в допустимых пределах. Однако для КА, находящегося внутри ГО, тепловой поток от конструкции обтекателя может быть недопустимым, в следствие чего необходима теплоизоляция нагретой конструкции от внутренней полости ГО.

Устройство такой теплоизоляции (ТИ) показано на рисунке 5.13.

Рисунок 5.13 Внутренняя теплоизоляция головного обтекателя В качестве ТИ широко используются волокнистые материалы на основе кремнеземистого или кварцевого волокна. Кремнезем представляет собой некристаллическую форму двуокиси кремния (по существу это кварцевое стекло).

Перед установкой слоя волокнистого материала он сначала конструктивно оформляется в виде мата – слоя волокна, обшитого тканью и обжатого прошивочной нитью до требуемой плотности. После этого мат приклеивается или крепится механически к корпусу ГО.

В настоящее время ГО изготавливаются из углепластиков, имеющих сотовую структуру (рисунок 5.14), а их рабочий диапазон по прочности и жесткости намного перекрывает температуры нагрева конвективным потоком.

Кроме того, наличие пористой сотовой конструкции обеспечивает прекрасную теплоизоляцию внутренней полости, а возможность создания увеличенной во много раз сферической носовой части, не боящейся сложных в смысле аэродинамического нагрева условий обтекания, позволяет располагать в таком обтекателе КА большого объема.

Рисунок 5.14 – Головной обтекатель, имеющий углепластиковую Продукты сгорания двигателя оказывают воздействие на стенки канала, в котором они движутся, либо своим излучением нагревают элементы РКТ, находящиеся в пределах досягаемости этого лучистого потока.

Огневые стенки камеры сгорания ЖРД теплоизолируются нанесением покрытий из двуокиси кремния, двуокиси алюминия или окиси циркония.

Хвостовые отсеки РН от лучистого потока закрываются донными защитами и экранами. Конструкция донной защиты показана на рисунке 5.15.

Рисунок 5.15 – Донный теплозащитный экран Внешний слой выполняется в виде полированного листа из коррозионностойкой стали или титанового сплава и играет роль отражающего экрана. Слой теплоизоляции выполнен в виде нескольких листов асботкани или кварцевой ткани, блокирующих теплоотвод внутрь.

Наибольшую опасность продукты сгорания представляют в РДТТ, поскольку весь заряд топлива расположен в корпусе двигателя, представляющего собой камеру сгорания (рисунок 5.16). При работе двигателя внутренняя поверхность камеры сгорания (включая обечайку, днища) подвергается воздействию продуктов сгорания твердого топлива с высокими температурой (3000 К), давлением (2…10 МПа) и скоростью (20…400 м/с и выше). Для исключения прогара оголенных стенок камеры сгорания на таких участках используются ТЗП. Во время горения топлива его несгоревшая часть также является теплозащитой. Топливный заряд крепится к корпусу с помощью защитно-крепящего слоя (ЗКС), который в свою очередь также служит теплозащитой на последних секундах горения.

Рисунок 5.16 – Конструкция РДТТ с органопластиковым корпусом Применяют ТЗП на основе органических и неорганических связующих.

Для создания крупногабаритных двигателей наиболее широко применяют ТЗП на основе органических связующих, которые подразделяются на следующие группы:

слоистые материалы на основе асботкани (асбопластики), углепластики), слоистые материалы на основе стеклотканей (стеклопластики), фенольно-каучуковые материалы и резины, резино-тканевые материалы.

Теплозащитные свойства аблирующих покрытий основаны на поглощении подводимой теплоты при разложении и постепенном уносе массы изоляции данного материала в процессе работы двигателя. Теплота поглощается при фазовых превращениях и эндотермических (протекающих с поглощением тепла) реакциях, происходящих при взаимодействии материала ТЗП с продуктами сгорания топлива.

Различают два типа аблирующих покрытий: покрытия с внутренним уносом массы (фенольные пластики, армированные стекловолокном, графитовыми волокнами и т.п.) и покрытия с поверхностным уносом массы (армированные каучуки с наполнителем из стекловолокна или асбеста, силиконовый каучук и т.п.).

Для защиты внутренней поверхности камеры сгорания от воздействия высокой температуры могут служить резины на основе полиуретанового, нитрильного или бутил-каучуков, частично армированные кремнеземом или асбестом и наполненные борной кислотой. В качестве тепловой защиты заднего днища находят применение композиционные материалы (пластики), армированные теплостойкими волокнами стекла, кремнезема, углерода, асбеста, окиси магния и других материалов.

Кремнеземные и кварцевые волокна не теряют своих свойств до температуры 1370…1770 К, что определяется их высокой температурой плавления 2020…2070 К. Кремнезем обладает относительно высокой теплотой сублимации (750 кДж/моль при 1730 К), пропускает электромагнитное излучение, плохо проводит теплоту, имеет низкий коэффициент теплового расширения, за счет чего решается проблема уноса частичек при создании теплозащиты. Кроме того, кремнезем имеет хорошую механическую прочность, большую теплоемкость, низкую теплопроводность, он химически стабилен и инертен по отношению к конструкционным материалам.

Сопловой блок (рисунок 5.17) является одним из наиболее теплонапряженных узлов РДТТ.

Сопловой блок можно условно разделить на три составные части:

входной участок, критическое сечение и выходной участок. Для соплового блока применяются тугоплавкие эрозионностойкие материалы, в том числе неметаллические: графит, силицированный графит, пирографит, эрозионностойкие пластмассы и углепластики.

Весьма эффективным материалом для изготовления облицовочного эрозионного слоя соплового вкладыша является вольфрам. Облицовочный слой может наноситься газопламенным, плазменным напылением и другими способами. Вольфрам хорошо сопротивляется химическому воздействию и имеет высокую эрозионную стойкость. К числу весьма ценных свойств вольфрама относятся также высокая температура плавления, стойкость к тепловым ударам и большая удельная прочность при высоких температурах нагрева.

В качестве материала армирующего теплоотводящего слоя может использоваться, в частности, пиролитический графит, в тонком слое которого может возникать перепад температур до 2000 К. Пирографит представляет собой ориентированный кристаллический графит, обладающий высокой анизотропией теплопроводности. Благодаря этому свойству пирографита и обеспечивается большой перепад температур. Анизотропия теплопроводности пиролитического графита объясняется высокой степенью ориентации зерен, по направлению которой (в плоскости расположения зерен) теплопроводность и прочность пирографита существенно выше, чем в перпендикулярном направлении. В конструкциях теплонапряженных элементов сопел РДТТ широкое применение получили и другие виды промышленных графитов, например, поликристаллические и силицированные.

В качестве конструкционных и теплозащитных материалов для изготовления раструба сопла и элементов его конструкции достаточно широкое применение получили стеклопластики, органопластики и другие композиционные материалы. Стеклопластики имеют значительно (в десятки раз) более низкую теплопроводность, чем нержавеющие стали. Кремнеземные и кварцевые волокна имеют температуру плавления 2020…2070 К, что на 500…600 К больше, чем у волокон алюмоборосиликатного стекла (которое применяется для стеклопластика), и сохраняют свои свойства до температуры 1370…1730 К. В качестве связующих при изготовлении композиционных материалов на основе различных волокон широкое применение получили эпоксидные, фенольные и кремнийорганические смолы. Изготовление элементов конструкции сопловых блоков из композиционных материалов осуществляется методом намотки.

Использование композиции на основе углеграфитных волокон и полиамидного связующего позволяет повысить эксплуатационную температуру конструкции до 2200 К. Все чаще в конструкциях соплового блока применяются углерод-углеродные материалы. В этих материалах в качестве связующих для углеродных волокон используют углеродные графитизированные матрицы.

Солнечная радиация воздействует на элементы объектов РКТ особенно сильно за пределами атмосферы. Для защиты приборных отсеков, топливных баков, механизмов и агрегатов, газо- и жидкостных магистралей, кабельных жгутов используется экрано-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ). На рисунке 5. показана принципиальная схема ЭВТИ. Она представляет собой многослойный пакет (до 50 слоев) листов металлизированной полимерной пленки. Напыление на пленку может осуществляться, например, серебром, золотом, платиной. В листах имеются отверстия для свободного выхода воздуха. Между листами проложены стекловолокна, которые в невесомости раздвигают слои между собой, увеличивая таким образом толщину пакета ЭВТИ. Пакеты слоев кроятся в соответствие с геометрией защищаемых объектов, сшиваются и покрываются специальной отражающей тканью (в ряде случаев – стеклотканью). Готовые пакеты крепятся к защищаемым объектам либо специальными стекловолокнистыми нитками, либо ворс-молниями, либо другими механическими способами.

Внешний вид ЭВТИ, установленной на КА, показан на рисунке 5.19, а на разгонный блок «Фрегат» на рисунке 5.20.

Рисунок 5.19 – Космический аппарат с установленной ЭВТИ Рисунок 5.20 – Разгонный блок «Фрегат» с установленной ЭВТИ ЭВТИ показала свою высокую эффективность и используется конструкторами всех стран мира. Отрыв части ЭВТИ в результате столкновения с инородным телом (метеорные частицы, космический мусор и т.п.) приводит к быстрому выводу КА из строя.

Криогенные баки требуется изолировать в силу ряда причин:

- подвод тепла приводит к интенсивному испарению криогенных компонентов топлива, - соседство с приборным отсеком может вызвать переохлаждение приборов и выходу их из строя, - на баке с жидким водородом возможна конденсация воздуха, - силовые элементы и механизмы, граничащие с криогенным баком, могут снизить свои характеристики из-за переохлаждения.

На рисунке 5.21 показана теплоизоляция днища кислородного бака и ее устройство. Поскольку днище сферическое, то удобно использовать изоляцию из волокнистого материала. Данная теплоизоляция конструктивно выполняется в виде слоя волокнистого материала, укладываемого на защищаемой поверхности и прижимаемого тканью.

Для изоляции днищ кислородных баков могут применяться гибкие пенопласты: полистирол, полиуретан, поливинилхлорид, полиамид, пробка, полиизоцианурам и др. Пенопласты используются также для изоляции баков с жидким водородом. Однако, следует заметить, что при уменьшении температуры в замкнутых объемах пор может происходить конденсация газа и понижение давления (процесс самовакуумирования). Под действием перепада давления между окружающей средой и объемом изоляции возможно появление потоков массы газа внутрь изоляции (криогенный подсос), т.е. проникновение атмосферного воздуха через стенки пор в пенопласте. Накапливающийся на холодной стенке изоляции конденсат вызывает ухудшение теплоизоляционных свойств материала и может привести к его локальному механическому разрушению.

Рисунок 5.21 – Теплоизоляция днища кислородного бака Таким образом, для стабилизации процессов теплопереноса внутри пенопласта, а, следовательно, и теплофизических свойств, предотвращения криоподсоса слой пенопласта целесообразно герметизировать.

Пример конструктивного решения теплоизоляции водородного бака слоем пенопласта приведен на рисунке 5.22. Покрытие набирается из отдельных слоев. Внешняя оболочка – стеклонити, пропитанные смолой, препятствуют разрушению пенопласта в результате растрескивания. Полость между стенкой бака и пенопластом по каналам продувается гелием, предотвращающим конденсацию газа и взрыв в случае возможных утечек водорода.

Рисунок 5.22 – Теплоизоляция водородного бака РН «Энергия»

РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

6 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Основные сведения о космодромах Космодром – специально отведенная территория с комплексом сооружений и технологического оборудования, обеспечивающего транспортирование, прием, хранение, сборку, подготовку и пуск РКН, измерение параметров движения РКН на участке выведения, прием и обработку телеметрической информации о функционировании систем РКН в полете [22].

Космодром занимает площадь до нескольких сотен квадратных километров.

Крупный современный космодром включает пункты управления (командные пункты), ракетно-космические комплексы, измерительный комплекс, комплекс посадки и обслуживания, базы хранения, информационно-вычислительные центры, заводы по производству некоторых КРТ и сжатых газов, одну или несколько заправочных станций КА и РБ, а также районы падения отделяющихся частей РКН. На космодроме имеется комплекс предполетной подготовки и послеполетной реабилитации космонавтов. Эксплуатацию космических средств осуществляют научно-исследовательские и испытательные подразделения. Структура космодрома представлена на рисунке 6.1.

Космодром – это уникальный научно-технический комплекс, на структуру и состав которого влияют многие факторы: географические координаты расположения, объем национальных и международных программ, номенклатура (класс) применяемых РН, уровень развития техники и состояние экономики государства, возможности обеспечения безопасности населения районов, по которым проходят трассы полета РКН.

Кроме того, космодром должен иметь ряд вспомогательных объектов:

аэродромы, вертолетные площадки, теплоэлектростанции, развитую систему водоснабжения, промышленные и сельскохозяйственные предприятия, железнодорожные и автомобильные транспортные сети.

По масштабам производства и потребления электроэнергии, например, космодром Байконур сравним с таким государством, как Молдова.

Выбор места расположения космодрома (его позиционного района) осуществляется с учтом рельефа местности, гидрологических условий, механических характеристик грунтов, состояния грунтовых вод, климатических и метеорологических условий (среднегодовой температуры воздуха, количества осадков, скорости ветра, влажности, количества солнечных дней в году) и представляет собой проблему международного масштаба, так как при пусках современных ракет-носителей тяжелого и сверхтяжелого классов траектории их выведения составляют почти половину витка вокруг Земли.

Вдоль трассы полета РН предусматривается создание зон отчуждение под районы падения отработавших частей РН и районы посадки спускаемых аппаратов КА. Трассы полета РН не должны препятствовать судоходству, воздушным и другим сообщениям и наносить ущерб как собственной стране, так и другим государствам. Для обеспечения безопасности транспортных сообщений заблаговременно объявляются предупреждения морским судам и самолетам о недопустимости захода в районы падения отработавших ступеней РН и полетов над ними.

На выбор места расположения космодрома влияют рельеф местности, гидрологические условия, механические характеристики грунта, состояние грунтовых вод, климатические и метеорологические условия (среднегодовая температура воздуха, количество осадков, скорость ветра, влажность, количество солнечных дней в году) и др.

В настоящее время построены около 20 космодромов [15, 32], из них активно используются 12, в том числе по 3 – в России и США, по 2 – в Китае и Японии, по 1 – во Франции (космодром Куру во Французской Гвиане) и Индии (рисунок 6.2).

История возникновения и развития космодромов тесно связана с развитием космонавтики и ракетного оружия. Особенностью большинства отечественных и зарубежных космодромов является то, что все они создавались на базе ракетных полигонов.

Диапазон азимутов пуска РКН выбирается из условий обеспечения космических программ, возможности расположения измерительных пунктов и обеспечения безопасности населения районов, расположенных вдоль трассы полета.

Существенное влияние как на наклонения орбит КА, так и на энергетические возможности РН оказывает географическая широта расположения космодрома.

Если пуск РН производится в восточном направлении, т.е. в направлении вращения Земли, то за счет ее суточного вращения КА приобретает приращение скорости где R – радиус Земли (6371 км);

– угловая скорость суточного вращения Земли (7,3·10 с );

B – географическая широта космодрома, град.

При пуске с экватора ( B 0 ) КА получает максимальное приращение скорости V 470 м/с.

При выводе КА с космодрома, расположенного на широте, отличной от нуля, на геостационарную орбиту (наклонение орбиты i = 0; высота НГСО = 35 900 км; круговая скорость VГСО = 3,1 км/с) требуются дополнительные затраты топлива на изменение наклонения орбиты.

Если предположить, что КА уже выведен на круговую орбиту с наклонением i = B и высотой, равной высоте геостационарной орбиты, то для совершения маневра по переходу на геостационарную орбиту, КА должен получить приращение скорости [27].

Приращения скоростей КА за счет суточного вращения Земли, а также необходимые приращения скорости для изменения наклонения орбиты при выведении КА на ГСО для космодромов РФ и США сведены в таблицу 6. (космодромы расположены в порядке возрастания географической широты).

Таблица 6.1 – Приращения скоростей КА за счет суточного вращения Земли Космодром (полигон), страна, штат (область) полигон (США, шт. Флорида) (США, шт. Калифорния) у Республики Казахстан) Таким образом, более выгодным является расположение позиционного района космодрома вблизи экватора. Для использования этого преимущества реализован международный проект «Sea Launch» («Морской старт») (рисунок 6.3). Запуски КА выполняются с океанской платформы с помощью ракеты космического назначения "Зенит-3SL" с разгонным блоком ДМ-SL. Платформа, представляющая собой СК, в сопровождении командного судна буксируется к экватору, откуда и производится пуск РКН. В обеспечении запусков используются спутники-ретрансляторы и технические средства наземных комплексов управления КА стран – участниц проекта (Россия, Украина, США и Норвегия). Платформа, представляющая собой СК, в сопровождении командного судна буксируется к экватору, откуда и производится пуск РКН.

Космодром как организационно-техническая система предназначен для создания орбитальной группировки КА, ее наращивания и восполнения, что обуславливает необходимость решения следующих задач:

- прием РН и КА от поставщиков и предприятий-изготовителей;

- хранение РН, КА, РБ и комплектующих элементов к ним;

- хранение компонентов ракетных топлив;

- производство низкокипящих КРТ и сжатых газов;

- сборка и испытания РН, КА и РБ;

- траекторные измерения на участке выведения РКН;

- прием и обработка телеметрической информации;

- обеспечение технических и стартовых комплексов водой, теплом, энергией.

Рисунок 6.3 – Элементы РКК морского базирования "Sea Lounch" а – мобильная стартовая платформа; б – командное судно "Одиссей";

Для решения указанных задач космодром имеет в своем составе следующие структурные подразделения:

- управление космодрома (система пунктов управления, или командных пунктов);

- центры испытаний и применения космических средств;

- центр анализа и математической обработки результатов пуска с подчиненными ему частями – измерительными пунктами космодрома и вычислительным центром;

- специальные подразделения.

В позиционном районе космодрома расположены следующие основные объекты космической инфраструктуры:

- позиционные районы РКК различных типов;

- город (жилой городок);

- аэропорт (аэродром);

- кислородно-азотный завод (КАЗ);

- одна или несколько станций заправки КА и РБ КРТ и газами;

измерительные пункты, узел связи и вычислительный центр, образующие измерительный комплекс космодрома;

- системы энерго-, тепло-, водоснабжения;

- система транспортных (железнодорожных и шоссейных (грунтовых) дорог) и инженерных коммуникаций;

- наземные и водные районы падения отделяемых частей (РПОЧ) РКН.

Остановимся более подробно на характеристике позиционных районов РКК отечественной космической отрасли.

6.2 Основные сведения о позиционном районе ракетно-космического Позиционный район РКК – участок местности, ограниченный условной замкнутой линией, на котором располагаются сооружения и технические средства РКК. На территории России размещены три космодрома (рисунки 6.4и один полигон, оснащенный РКК для РКН легкого класса (рисунок 6.7).

В позиционном районе (ПР) РКК размещены сооружения, коммуникации для общепромышленного и специального оборудования в соответствии с потребностями технологического процесса подготовки и пуска РКН. Эти группы сооружений, коммуникаций и оборудования называются позициями (площадками).

В общем случае ПР РКК имеет следующие основные позиции:

стартовая позиция (СП) РКК, где расположен СК;

техническая позиция (ТП) РКК, где расположен ТК;

позиция выносного командного пункта (ВКП) РКК;

стартово-посадочная позиция или посадочный комплекс (СПП или ПК), где расположена взлетно-посадочная полоса и оборудование для обслуживания многоразовых транспортных космических кораблей и авиационного транспорта РКК;

полигон приземлений (ПП) – участок местности в виде полосы отчуждения, используемый для приземления отработавших элементов РКН;

предназначен для радиотелеметрической диагностики состояния РКН в период подготовки к пуску и на этапе выведения;

техническая база (ТБ) – участок местности, на котором размещаются хранилища подвижного оборудования, склады, гаражи и пр.

жилой городок для обслуживающего персонала и их семей.

Рисунок 6.4 – Позиционный район космодрома Байконур Рисунок 6.5 – Позиционный район космодрома Восточный (Свободный) Рисунок 6.6 – Позиционный район космодрома Плесецк Рисунок 6.7 – Позиционный район полигона Капустин Яр Зональная схема РКК – схема размещения на местности основных групп сооружений и технических средств ПР РКК и коммуникаций между ними.

При разработке зональной схемы ПР РКК решающее значение имеет расстояние между позициями как внутри ПР РКК так и соседнего с ним позиционного районов других комплексов. С целью снижения затрат на инфраструктуру, эти расстояния должны быть минимальными, а для обеспечения безопасности их отдаленность должна обеспечить сохранность сооружений и РКН при авариях.

Ориентация основных групп зданий и коммуникаций выполняется на зональной схеме с учетом диапазона азимутов пуска, протяженности зон отчуждений.

На зональной схеме проводится предварительная геодезическая привязка места пуска к государственной геодезической сети необходимая для обеспечения прицеливания РКН, а также прорабатываются вопросы охраны и маскировки позиционных районов. Строительство газоотводных трактов пускового оборудования требуется большой объем земляных работ. Для снижения этих затрат на зональной схеме подбирается благоприятный рельеф с естественными откосами.

Разнообразие задач по применению и условий местности, особенности могут приводить к появлению зональных схем ПР РКК с совмещенными, не совмещенными техническими (ТП) и стартовыми (СП) позициями, а также с дублированными СП для одной ТП.

Дальнейшая деталировка дислокации выполняется без карт в виде генерального плана стартовой или технической позиции (рисунок 6.8).

Генеральным планом позиции называется схема размещения отдельных зданий, сооружений и коммуникаций между ними.

Основной задачей при разработке генерального плана является согласование мест расположения каждого вида оборудования РКК с присущей ему инфраструктурой технических и вспомогательных средств в единую позицию. При этом учитывается доступность транспортных средств к каждому объекту, обеспечение необходимой безопасности погрузочно-разгрузочных работ, хранение и использование КРТ, пиротехнических средств, сжатых газов, а также выполнение технологического процесса подготовки к пуску и пуска РКН. На генеральных планах СП размещение сооружений выполняется с учетом уровня их защищенности, с увеличением которого возможно приближение сооружения к пусковому устройству. Хранилища КРТ при этом максимально разносятся. Отдаленность защищенных и незащищенных сооружений, а также расстояния на которые необходимо эвакуировать обслуживающий персонал не занятый непосредственно на пуск, определяется массой РКН.

На генеральном плане ТП могут быть выделены специальные позиции для КА с ядерными источниками энергии, твердотопливных ступеней РН, а также ЗНС для РБ и КА.

Существенно различная технология подготовки КА и РН приводит к территориальной разобщенности сооружений, в которых выполняются подготовки этих элементов РКН.

Если для РН объем работ ограничивается электро- и пневмо-проверками, операциями сборки и стыковки ступеней, то для КА номенклатура операций, кроме перечисленных пополнена такими операциями как:

взвешивание и определение центра масс;

обезвешивание отдельных элементов и систем КА;

контроль герметичности корпуса и ПГС;

заправка теплоносителем систем термостатирования;

юстировка внешних и установка внутри бортовых приборов и ряд других операций.

Кроме этого КА по своим техническим условиям должен собираться в более жестких условиях по чистоте и влажностно-температурным условиям.

МК СО ПВО

ППО СНЭСТ НППЭО СрО

МК КПО КПО

МСО МСО МСО МСО

ТБП ТУО

ГЗП ППО

КПО КПО ПВО

ВО ВО ЭО

В специальном помещении технического комплекса – монтажноиспытательном корпусе (МИК) размещаются, помимо общепромышленного оборудования:

мостовые краны (МК);

специальное подъемно-перегрузочное оборудование (ППО), состоящее из стапелей кантователей и грузозахватных приспособлений.

стендовое оборудование (СО) по качеству специфических операций подготовки КА;

В состав оборудования МИКО входят обеспечивающее доступ к рабочим зонам, вспомогательное оборудование (ВО) и эксплуатационное оборудование (ЭО).

На безопасном от зоны проверок расстоянии размещается заправочная станция для РБ и КА. Точность заправки этих элементов РКН существенно выше той, которую обеспечивают системы заправки стартового комплекса для ступеней РН.

В этом сооружении, оснащенном системами контроля загазованности и пожаротушения, размещены зоны заправки окислителем и горючим. Здесь имеются технические системы хранения, заправки и контроля доз заправки.

В самом большом помещении ТП – МИКе имеются несколько железнодорожных путей, на которых располагаются монтажно-стыковочные тележки со ступенями РН, транспортные средства доставки РН, стенды и стапели для сборки блоков РН, а также транспортно установочный агрегат, на ложементы которого укладывается готовая к транспортировке РКН. Здесь же производится полная сборка РКН, для чего в МИК транспортируется проверенный КА. По периметру этого здания располагаются системы комплекта проверочного оборудования (системы управления РН, системы телеметрии, контроля командных приборов, проверки герметичности баков РН и ее двигательных установок). Для выполнения монтажно-стыковочных работ в комплект ТО ТК, расположенного в МИКе, входят мостовые краны, средства обслуживания, эксплуатационное и вспомогательное оборудование.

Самостоятельное место среди ТО ТК занимают средства хранения РН, РБ и КА, которыми оснащаются хранилища боезапаса.

На рисунке 6.9 представлен генеральный план СП. Он включает пусковое устройство (ПУ), вокруг которого размещаются средства обслуживания. По периферии ПУ размещены защищенные здания и сооружения для стационарного наземного комплекса средства заправки, нейтрализации, электро- и пневмопроверок, систем автоматизированного управления процессов подготовки и пуска. Между всеми элементами стартового комплекса имеются коммуникации, размещенные в потернах и автомобильная и железнодорожная сеть.

6.3 Общие сведения о технологическом оборудовании ракетнокосмических комплексов Технологическое оборудование (ТО) РКК – совокупность подвижных и стационарных технических сведств, преднозначенных для выполнения операций с РКН в период ее эксплуатации, а также для эксплуатации самих этих средств, размещенных на пусковых установках, командных пунктах и технических позициях РКК. Назначение ТО РКК сводится к подготовке и производству пуска РКН.

Совокупность операций, называемых техническим процессом, состоит в основном в изменении технического состояния составных частей РКН и содержит в общем случае операции:

1) перемещения элементов РКН;

2) изменением структуры РКН;

3) обмен между бортом РКН и наземными системами потоками:

энергетическими;

материальными;

информационными.

При этом РКН является пассивным участником этого процесса, а активной частью его становятся системы и агрегаты ТО. С помощью ТО решается задача завершения производства РКН и обеспечения ее пуска.

Помимо традиционных и обязательных для РКН технологических функций ТО РКК должно решать множество других, специфических функций, значимость, стоимость, энергоемкость и оперативность которых могут во многом превышать такие же показатели технологического процесса для РКН.

Кроме основных, целевых предназначений ТО решает также задачи жизненного цикла:

техническое обслуживание систем и агрегатов РКК;

обеспечение работ при несостоявшемся пуске;

работы по ликвидации аварий и катастроф.

Сложность РН, КА, РБ, значительная трудоемкость процессов их наземной эксплуатации обусловливает необходимость разработки и создания комплексов средств эксплуатации, составляющих основу технического, стартового и других комплексов, входящих в состав РКК. Все средства эксплуатации, обеспечивающие выполнение эксплуатационных работ с РН, КА, РБ на космодроме, условно можно разделить на две группы:

технологическое оборудование (ТлОб), которое предназначено для непосредственного выполнения технологических операций по подготовке РН, КА, РБ к применению и поддержания их состояния на требуемом уровне, а также проведения пуска РКН;

технические системы (ТС), обеспечивающие проведение всех эксплуатационных процессов.

Рассмотрим назначение и состав этих технических средств.

Технологическое оборудование РКК составляет основу целевых объектов наземной космической инфраструктуры. Состав ТлОб определяется конструкцией и назначением РН, КА, РБ, типом используемых КРТ, а также целым рядом особенностей, обусловленных накопленным опытом создания и эксплуатации РН, КА, РБ [2, 18].

К этим особенностям относятся:

принятая стратегия подготовки РН, КА, РБ к пуску, предусматривающая две последовательные стадии процесса подготовки.

Первая стадия реализуется на техническом комплексе, а вторая – на стартовом.

При этом концепция отечественной космонавтики состоит в том, чтобы максимум операций выполнить на ТК, а на СК – только предпусковые работы, которые невозможно выполнить на ТК;

разделение задач и относительная автономность этапов наземной эксплуатации РН, КА, РБ по месту и времени, что предусматривает создание технических комплексов со своим технологическим оборудованием отдельно для РН, КА, РБ, РКН, а также стартового комплекса для подготовки и пуска РКН;

значительная длительность процесса подготовки, а также необходимость содержания РН, КА, РБ в различных состояниях (технических готовностях) или хранения в течение определенного времени;

отчужденность потребителя целевого результата от процессов наземной эксплуатации РН, КА, РБ.

Несмотря на отличия в конструкции различных изделий, можно говорить об общности видов ТлОб, предназначенных для выполнения типовых эксплуатационных работ (технологических операций процесса подготовки).

ТлОб ТК предназначено для проведения сборочно-монтажных работ и операций по проверке бортовых систем РН, КА, РБ на техническом комплексе, заправки КА и РБ высококипящими КРТ, а также проведения работ по подготовке РКН к транспортированию на СК. Для большинства современных РН объем и длительность работ, проводимых на ТК, составляет 70-90% всего процесса наземной подготовки, а для КА – до 95% [18, 43].

ТлОб СК предназначено для подготовки к пуску и пуска РКН.

Длительность процесса подготовки РКН на СК составляет от нескольких часов до 4-х суток.

Более подробно виды и назначение ТлОб, входящего в состав технических и стартовых комплексов космодрома, рассмотрены в п.п. 6.5 – 6.6.

Технические системы предназначены для создания необходимого микроклимата, нормальных условий жизнедеятельности эксплуатирующего персонала, обеспечения функционирования ТлОб РКК и бортовых систем РН, КА, РБ при их наземной эксплуатации. Эти системы условно можно разделить на специальные и общепромышленные.

Состав ТС РКК определяется многими факторами, основным из которых является технология подготовки РКН к пуску. ТС, функционально связанные с ТлОб РКК и обеспечивающие применение КСр по предназначению, называются специальными, а ТС, обеспечивающие эксплуатацию зданий и сооружений, - общепромышленными.

Иными словами, специальные ТС РКК предназначены для выполнения специфических функций, которые обусловлены назначением РКК.

В их состав могут входить:

системы тепло- и холодоснабжения, которые обеспечивают необходимый тепловой режим за счет использования подготовленных тепло-, холодоносителей и хладоагентов;

системы наддува и обеспечения герметичности сооружений СК, предназначенные для защиты сооружений СК от возможного взрыва при проведении пуска РКН за счет создания в них избыточного давления;

системы пожаротушения распыленной водой и газового пожаротушения. Эти системы обеспечивают защиту пускового оборудования от воздействия газодинамической струи и препятствуют возникновению и развитию пожаров в стартовых сооружениях при пуске РКН;

электрических разрядов на элементы ТК и СК при грозах;

система связи, включающая телефонную, шлемофонную, громкоговорящую и другие виды связи, необходимые для управления эксплуатирующим персоналом при выполнении работ по подготовке РН, КА, РБ на ТК и РКН на СК;

система охраны и обороны периметра СК;

система обзорного телевидения.

Общепромышленные ТС РКК выполняют типовые (стандартные) функции, свойственные эксплуатации любых зданий и сооружений. В их состав могут входить:

система отопления и вентиляции;

система водоснабжения и канализации;

система пожарной защиты и др.

кондиционирование воздуха, водоснабжение, сбор и удаление промстоков, канализацию, газовый контроль воздушной среды в сооружениях, их пожарную защиту и т. д.

6.4 Понятие обобщнного технологического процесса. Содержание и последовательность технологических операций с РКН на ТК и СК Технологический процесс как строго определенная нормированная по времени последовательность операций с элементами и РКН в целом строится на основании ТУ, ТЗ на РКН и РКК в целом.

Реализация этого процесса осуществляется с помощью технологического оборудования ТК и СК.

В силу объективных (внешних), а также внутренних (субъективных) причин технологические процессы подготовки РКН существенно различны на каждом РКК. Общая продолжительность работ в РКК за один цикл подготовки и пуска может составлять от 3 до 40 дней, а иногда и более. Численность обслуживающего персонала может достигать от 100 до 1000 специалистов разного профиля, подготовки и квалификации.

Содержание и последовательность операций технологического процесса излагают в ИЭ и в сетевом технологическом графике, в котором, как правило, предусматривают резервы времени на устранение неизбежных отказов (неисправностей), выявляемых в процессе работ каждого вида оборудования.

На существующих комплексах технологические процессы подготовки каждой РН и каждого КА существенно различны.

Однако, несмотря на индивидуальность этих процессов при их исследовании желательно выделить общие этапы и последовательности процесса подготовки РКН.

Выделение общих технологических операций позволит не только снизить число рассматриваемых процессов, но и получить базис, на основе которого возможно оценивание степени достижения целевого эффекта РКК, получения информации для проведения анализа и синтеза ТО РКК.

Приведение РКН в готовность к запуску осуществляется на техническом и стартовом комплексах. Для подготовки РН, КА и РБ на ТК в МИКе оборудуются соответствующие рабочие места. На рисунке 6.10 приведены рабочие места РН, РБ и КА.

Основными работами при подготовке РКН на ТК являются:

транспортировка, прием РН, КА и РБ;

погрузоразгрузочные и монтажно-стыковочные работы;

автономные и комплексные испытания (АИ и КИ) бортовых систем и приборов РН, КА и РБ;

проверка на герметичность РН, КА и РБ;

заправочные работы с КА и РБ (на заправочной станции);

Основными работами при подготовке РКН на СК являются:

транспортирование РКН на СК и установка на ПУ;

предстартовая подготовка бортовых систем РКН и прицеливание РН;

заправка РН компонентами топлива и пуск РКН.

Рассмотрим более подробно основные работы, проводимые с РКТ на ТК и СК РКК.

6.4.1 Содержание основных работ, проводимых с ракетно-космической техникой на техническом комплексе Отвлекаясь от несущественных различий в реализации технологических процессов разных РКК, можно выделить фундаментальную, присутствующую во всех РКК, последовательность технологических операций для каждого элемента РКН.

Транспортировка. Прием РН и КА.

Учитывая габариты КА и особенно РН, поставка их на космодром осуществляется в виде отдельных отсеков (сборок) и ступеней, число которых зависит от типа КА и РН.

Транспортировка включает укладку элементов РКН на средства транспортировки, их закрепление, создание температурно-влажностного режима при транспортировке, а также доставку транспорта с РКН и ее комплектующими в позиционный район.

Ступени РН прибывают в специальных железнодорожных вагонах или платформах. Сборки КА или КА в полностью собранном виде, имеющие меньшие габариты и массу, могут транспортироваться в герметичных контейнерах на специально приспособленных для этой целей морских судах, самолетах и вертолетах, в железнодорожных вагонах или автомобилях.

Комплектующие элементы (узлы разового действия, стабилизаторы, газовые рули, пороховые ракетные двигатели систем разделения степеней и отделения КА, блоки питания, гироскопические приборы, солнечные батареи, экраны, теплозащита и т. д.) транспортируются в специальной таре (укупорке) в железнодорожном вагоне.

включает работы по выгрузке ступеней РН, сборок КА с последующим их извлечением из контейнеров, выгрузку и прием комплектующих элементов по ведомости комплектации, прием сопроводительной документации. После выгрузки блоков и извлечения сборок КА из контейнеров проводится внешний осмотр корпусов РН и КА без вскрытия люков, оформляется акт приемки РН и КА.

Погрузочно-разгрузочные работы содержит операции демонтажа груза с транспортного средства, подведение средств обслуживания к перевозимому грузу, доступ номеров расчета к местам крепления и снятия с элемента РКН транспортной оснастки; подведение к ступеням средств перегрузки;

закрепление грузозахватных устройств на элементе РКН, их подъем и перемещение на одно из рабочих мест монтажно-испытательного корпуса, оснащенных транспортным оборудованием, комплектами вспомогательного оборудования (стремянками, вышками и т.д.), кранами (мостовыми, козловыми и стреловыми); грузозахватными приспособлениями (траверсы, стропы и т.д.), монтажно-стыковыми и ангароскладскими тележками.

Погрузоразгрузочные работы включают:

выгрузку блоков (ступеней) РН с транспортных средств на стыковочно-испытательные или ангароскладские средства (рисунок 6.11);

выгрузку контейнеров с КА или со сборками, извлечение КА или сборок из контейнеров и установку их на специальные подставки и испытательные стенды;

перегрузку блоков (ступеней) РН со стыковочно-испытательных средств на ангароскладские средства и обратно;

перегрузку собранного КА на кантовочно-стыковочный стенд;

перегрузку РКН со стыковочно-испытательных средств на транспортно-установочный агрегат (тележку) и обратно.

Рисунок 6.11 – Выгрузка ступени РН из вагона в МИК Монтажно-стыковочные работы включают:

стыковку ступеней РН, сборка РКН (рисунок 6.12, а);

стыковку ОБ с РН, пристыковку ГО (рисунок 6.12, б).

Монтажно-стыковочные работы выполняются в два этапа: механическая стыковка и подстыковка электро-, пневмокоммуникаций.

Сборка КА осуществляется в вертикальном положении на специальных унифицированных испытательных стендах, позволяющих проводить монтажностыковочные работы и электрические испытания бортовых систем КА.

Стыковка блоков (ступеней) РН проводится в горизонтальном положении на специальном стыковочном агрегате с использованием мостовых кранов (для РН "Союз") или с помощью комплекта стыковочно-испытательных тележек (для РН "Космос").

Если в состав КГЧ входит РБ, то вначале КА стыкуется с РБ, а затем ОБ пристыковывается к РН.

Перед проведением стыковки ступеней РН, сборки КА, пристыковки ГО выполняются заключительные операции, в ходе которых осуществляется установка комплектующих элементов на борт РН (КА, РБ), закрытие и пломбировка люков, герметизация люков и стыковочных узлов.

Для всех существующих РН пристыковка ОБ к РН производится в горизонтальном положении с помощью мостового крана и специальных приспособлений или кантовочно-стыковочного стенда, на который предварительно перегружается КА. После пристыковки ОБ к РН производится пристыковка ГО с помощью специальной стыковочной тележки (рисунок 6.12).

Как показывает анализ, монтажно-сборочные и погрузоразгрузочные работы при подготовке РКН на ТК составляют 20—45% общего времени подготовки, а с учетом вспомогательных работ могут достигать 60%. Поэтому сокращение общего времени подготовки КСр к запуску существенно зависит от степени автоматизации и механизации монтажно-сборочных, погрузоразгрузочных и вспомогательных работ.

Автономные и комплексные испытания бортовых систем и приборов РН, КА и РБ Автономные и комплексные испытания бортовых систем и приборов КА и РН включают:

проверку командных приборов;

автономные испытания (АИ) бортовых систем и приборов;

комплексные испытания (КИ) бортовых систем;

подготовку бортовых источников питания к установке на борт.

Проверка командных приборов. К командным приборам относятся гироскопические приборы и устройства, служащие для измерения угловых скоростей, углов, линейных ускорений. К ним относятся гироприборы определения направления (гирогоризонт, гировертикант, орбитальные гирокомпасы), датчики угловых скоростей, гироинтеграторы, гиростабилизированные платформы.

Испытания командных приборов проводятся автономно по определенным программам с установкой на специальные испытательные стенды. Перед началом проверки их тщательно, с высокой точностью выставляют и ориентируют с тем, чтобы в наземных условиях имитировать условия работы в полете и ориентацию измерительных осей гироприборов на борту.

Испытания командных приборов проводятся в лаборатории МИКа и после проверки их устанавливают на борт КА и РН. Часть командных приборов КА поставляется непосредственно установленными на борту КА и проверяется в объеме автономных испытаний без снятия с борта.

Автономные испытания бортовых систем и приборов.

АИ (применительно к ряду КА они называются проверочными включениями) проводятся с целью проверки исправности и правильности функционирования отдельных бортовых систем и приборов.

Объем автономных испытаний и последовательность их проведения определяются эксплуатационной документацией на конкретные РН и КА.

Проводиться они могут с помощью отдельных стоек автономных испытаний, центрального пульта управления или с использованием универсальных контрольно-измерительных комплексов.

С целью повышения достоверности испытаний результаты испытаний записываются на наземные станции телеметрического контроля с последующей дешифровкой и оценкой этих результатов.

Комплексные испытания бортовых систем.

КИ бортовых систем могут быть начаты только при условии получения положительных результатов АИ. Целью комплексных испытаний бортовых систем КА и РН является проверка правильности функционирования всех бортовых систем в их взаимосвязи на всех этапах полета КА и РН в обычных и аварийных режимах с использованием основных и дублирующих каналов. При проведении КИ имитируются многие операции и режимы полета (набор высоты, работа двигательных установок, выключение ДУ ступеней РН, разделение ступеней, отделение КА от РН и т. п.).

КИ – один из наиболее сложных и ответственных этапов. Они занимают от 15 до 35% общего времени подготовки РН, КА, РБ на ТК. Контроль правильности функционирования бортовых систем производится путем просмотра контролируемых параметров на экранах осциллографов наземных станций, оценки результатов регистрации наземных станций телеметрического контроля, по транспарантам и показаниям измерительных приборов контрольно-поверочной аппаратуры, а также путем визуального наблюдения работы исполнительных элементов бортовых систем (срабатывание электропневмоклапанов, отклонения органов управления вектором тяги и др.).

Для некоторых РН комплексные испытания называются полным регламентом. При полном регламенте сначала автоматически проверяются отдельные бортовые системы, а затем проводится проверка функционирования бортовых систем в режиме подготовки и полета. Контроль за ходом регламента осуществляется по высвечиванию транспарантов соответствующего цвета. Так, высвечивание белого транспаранта указывает на проверяемую систему, зеленого – на окончание проверки и отсутствие неисправностей в системе, красного – на окончание проверки и наличие неисправности в системе. Сама неисправность определяется либо по положению шагового искателя, либо по браковочному значению параметру на ленте автоматического регистрирующего устройства.

При проведении АИ и КИ различных КА и РН используется КПА в виде отдельных испытательных пультов, универсальных полуавтоматизированных и автоматизированных контрольно-измерительных комплексов, а также испытательное оборудование, включающее в себя управляющую вычислительную машину (УВМ) и систему автоматической обработки данных.

Применение в составе КПА УВМ обусловлено сложностью бортовых систем и большой трудоемкостью операций по оценке их технического состояния. Необходимость использования в составе КПА УВМ связана также с наличием в составе бортовой аппаратуры БЦВМ.

Подготовка бортовых источников питания к установке на борт является весьма трудоемким и продолжительным по времени процессом. Его длительность для различных КА и РН составляет от 30 до 85% от общего времени их подготовки на ТК.

В качестве бортовых источников тока для большинства КА и РН используются химические источники тока (ХИТ), составленные из серебряноцинковых или ртутно-окисных батарей.

В части запуска ХИТ могут поставляться в различном состоянии: не залитые электролитом, залитые электролитом или залитые электролитом и заряженные. В зависимости от этого с ХИТ проводится разный объем работ по их подготовке к установке на борт.

Наибольший объем работ выполняется с химическими источниками тока, когда они прибывают на зарядно-аккумуляторную станцию не залитые электролитом. В этом случае производится заливка аккумуляторов электролитом и их пропитка в течение 10-20 ч. После этого аккумуляторы выдерживаются определенное время в барокамере при различных уровнях разрежения. Затем осуществляют "формовку" батарей несколькими зарядноразрядными циклами с определенными по величине токами заряда и разряда в течение фиксированных интервалов времени. Рабочий заряд блоков батарей производят токами установленной величины и продолжительности с выравниванием потенциалов и отливкой при необходимости электролита.

После того как батареи окажутся залитыми электролитом и заряженными, замеряют электродвижущую силу (ЭДС) и напряжение под нагрузкой каждого блока в отдельности и всей батареи в течение заданного промежутка времени.

Замеряется также сопротивление изоляции между каждым гнездом штепсельного разъема и корпусом и между батареями.

Перед установкой блоков питания на борт дополнительно замеряется величина ЭДС блоков, сопротивление изоляции и напряжение батарей под кратковременной нагрузкой.

На некоторых РН используются батареи ампульного типа, задействование которых перед пуском занимает лишь десятки секунд, но они обладают меньшей энергоемкостью.

Проверка РН, РБ и КА на герметичность Проверка герметичности РН и КА включает пневмоиспытания систем РН и пневмовакуумные испытания КА.

Пневмоиспытания РН включают проверки на герметичность систем управляющего и высокого давления, баков и топливных магистралей, а также проверку работоспособности автоматики ДУ.

Пневмовакуумные испытания проводятся с целью проверки герметичности сборок КА и механически собранного КА, топливных баков, пневмокоммуникаций и элементов автоматики двигательных установок КА.

Проверка герметичности герметичных отсеков КА и РБ осуществляется в барокамере (рисунок 6.13). Объект испытаний (КА или РБ) 8 через колпак помещают в барокамеру 5, затем производят герметизацию барокамеры.

Вакуумный насос 1 создает в барокамере 5 разрежение. Контроль давления осуществляется вакуумметром 4. Воздушно-гелиевая смесь, используемая в качестве контрольного газа, подается во внутреннюю полость объекта испытаний из воздухораспределительной сети МИК и гелиевого баллона.

Утечки контрольного газа во внутреннюю полость барокамеры контролируются гелиевым течеискателем 14.

Рисунок 6.13 – Схема проверки объекта на герметичность в барокамере 1 – вакуумный насос; 2 – затвор; 3 – манометрический датчик; 4 – вакуумметр;

5 – барокамера; 6 – натекатель; 7 – колпак барокамеры; 8 – объект испытаний;

9 – манометр; 10 – вентиль; 11 – редуктор; 12 – баллон с гелием; 13 – подставка;

Проверки на герметичность занимают от 12 до 18% общего времени подготовки на ТК. В зависимости от объектов контроля, требуемой точности измерения степени негерметичности применяются различные методы контроля герметичности.

Заправочные работы с КА и РБ К заправочным работам с КА и РБ относятся заправка ДУ компонентами топлива, сжатыми газами, а также заправка системы терморегулирования (СТР) теплоносителем.

Заправка КА КРТ производится на заправочной станции. Заправка КА иностранного производства, используемых в качестве коммерческих нагрузок для отечественных РН, может производиться в помещении подготовки и заправки КА в МИКе самим заказчиком.

Заправка СТР начинается с контроля герметичности технологических коммуникаций заправки и бортовых магистралей системы терморегулирования.

Герметичность проверяется по спаду давления с учетом изменений температуры окружающей среды и барометрического давления в МИК за время испытаний. Затем отмеренное количество теплоносителя заливают в мерную емкость наземного агрегата-заправщика и производят вакуумирование теплоносителя.

Основная цель вакуумирования (деаэрации) – удаление пузырьков газа из теплоносителя. После этого теплоноситель вытесняют из мерной емкости в бортовые магистрали СТР до "перелива". Заправка СТР заканчивается созданием в ней требуемого давления теплоносителя.

6.4.2 Содержание основных работ, проводимых с ракетно-космической техникой на стартовом комплексе Транспортирование РКН на СК и установка на ПУ Для транспортирования на СК РКН перегружается на железнодорожный транспортно-установочный агрегат (ТУА).

Транспортирование РКН на СК (рисунок 6.14) осуществляется с помощью тепловоза или электровоза (электротягача) со скоростью до 5 км/ч.

Скорость транспортирования конкретной РКН определяется эксплуатационной документацией на нее. Часто, особенно когда расстояние между ТК и СК большое, при транспортировании требуется термостатирование КА. Система термостатирования КА размещается на специальной буферной платформе.

С этой целью при подготовке РКН к транспортированию к головному обтекателю подводят воздуховоды.

Установка РКН на ПУ может производиться по трем основным схемам:

стационарным установщиком пусковой установки после стыковки его с ТУА (рисунки 6.15 и 6.16) – РКК "Протон" и "Циклон";

механизмом подъема транспортно-установочной тележки, расположенным на башне обслуживания (рисунок 6.17), – РКК "Космос";

Рисунок 6.14 – Транспортирование РКН на СП а – транспортирование РКН "Зенит" на СП;

б – транспортирование РКН "Протон" на СП Рисунок 6.15 – Установка РКН на ПУ стационарным установщиком 1 – РКН; 2 – транспортно-установочный агрегат; 3 – стрела установщика;

4 – силовой гидроцилиндр подъема стрелы; 5 – ПУ Рисунок 6.16 – Установка РКН "Протон" на ПУ Рисунок 6.17 – Установка РКН на ПУ башней обслуживания:

1 – РКН; 2 – транспортно-установочная тележка; 3 – ПУ; 4 – башня обслуживания;

5 – кабель-мачта; 6 – площадки обслуживания; 7 – механизм подъема транспортно-установочной тележки с РКН; 8 – грузовой канат механизма подъема 1 – РКН; 2 – стрела ТУА; 3 – кабель-мачта; 4 – силовой гидроцилиндр самим ТУА (рисунок 6.18) – РКК "Союз" и "Зенит".

После установки РКН на ПУ в вертикальное положение ТУА отводится в безопасное место. На некоторых стартовых комплексах ТУА отводится от ПУ непосредственно перед пуском на определенный угол от вертикального положения.

Выполнение требований по готовности и темпу запусков КА для новых СК определяет необходимость автоматизации операций по предстартовой подготовке на СК. Это может быть достигнуто за счет автоматической стыковки всех коммуникаций "земля – борт" и исключения применения узлов разового действия. Так, например, электро-, пневмокоммуникации РКН стыкуются автоматически с наземными коммуникациями непосредственно на ПУ через стационарную кабель-мачту при стыковке ТУА.

После установки РКН на ПУ подстыковка заправочных, электрических и других технологических коммуникаций осуществляется с помощью агрегатов автоматической стыковки.

Установка РКН на ПУ завершается ее вертикализацией с контролем точности установки в вертикальное положение.

Установка РКН в вертикальное положение содержит операции выставления опор транспортно-установочного агрегата, блокировки его подвески, перевод его стрелы в вертикальное положение с предварительной оценкой степени невертикализации РКН, компенсации возникающего около вертикального положения опрокидывающего момента от веса РКН.

Вывешивание РКН, находящейся на опорах транспортно-установочного агрегата выполняется системами этого агрегата, параллельно с ориентацией опор стартовой системы, что обеспечивает подготовку операции передачи веса РКН с транспорта на стартовую систему.

Установка РКН на пусковой стол включает операции: сближения тарелей стола и опор РКН, синхронный перевод тарелей в «нулевую» отметку, передачу веса РКН с установщика на пусковой стол, что обеспечивает разгрузку мест крепления РКН на установщике. В дальнейшем производится наложение на борт механических связей, обеспечивающих ветровое крепление ракеты, отстыковка ложементов ТУА от РКН, перевод стрелы установщика в горизонтальное положение и его отведение от пускового стола.

Стыковка бортовых коммуникаций РКН с наземными системами СК продолжается после придания РКН строго определенного пространственного положения. Для этого РКН вертикализируют на пусковом столе и разворачивают в базовую плоскость стрельбы. Точность этих передвижений очень высока и поэтому в состав оборудования пускового стола входят специальные системы передвижения опор, поддержания и контроля их положения. Вертикализация РКН обеспечивает равномерное распределение веса РКН между опорами и позволяет выполнить азимутальное наведение с заданной точностью. Контроль вертикализации и азимутального наведения осуществляется наземными системами прицеливания, работающими совместно с командными приборами РКН. В дальнейшем к борту РКН подводятся средства обслуживания (кабель-мачты, башни и фермы обслуживания) через коммуникации которых осуществляется связь РКН со стационарными наземными системами. Стыковка этих коммуникаций выполняется со средств обслуживания, при этом проводится контроль проходимости соединений, их герметичности и способности безударно отстыковываться перед или в момент пуска.

Предстартовая подготовка бортовых систем РКН и прицеливание РН Подготовка к предстартовым проверкам РКН начинается с проверки ТлОб и ТС на функционирование.

В ходе подготовки к проверкам РКН на ПУ на кабель-мачту и заправочную мачту устанавливают узлы разового действия (наполнительные соединения, кабели и другие элементы; не подлежащие повторному применению). На РКН устанавливаются комплектующие элементы и снимается съемное оборудование (заглушки с заправочно-сливных (ЗСК) и дренажнопредохранительных клапанов (ДПК), транспортировочные приспособления КА и т. д.). После подстыковки воздуховодов системы термостатирования начинается термостатирование КГЧ.

Предстартовая проверка бортовых систем РКН включает АИ и КИ. В ходе автономных испытаний бортовых систем производится их включение, настройка и запись исходных уровней выходных сигналов, датчиков системы телеизмерений (СТИ) и ряд других операций.

При комплексных испытаниях проверяются бортовые системы РН с участием бортовых систем КА. Результаты предстартовой проверки бортовых систем РКН оцениваются по фотограммам или магнитным лентам наземной системы телеметрического контроля. После КИ ряд бортовых приборов РН настраивается по полетному заданию.

Прицеливание РН на СК включает проверку сохранности основных геодезических направлений, наведение РН в базовое направление или в плоскость стрельбы и контроль прицеливания. Для большинства РН контроль прицеливания осуществляется дистанционно.

Заправка РН компонентами топлива и пуск РКН Заправка РН компонентами топлива является одной из наиболее сложных и опасных операций в процессе подготовки РКН к пуску.

Целесообразность заправки РН непосредственно перед пуском определяется следующими причинами:

наличием коррозионного воздействия химически агрессивных компонентов на баки и арматуру РН;

пожаро- и взрывоопасностъю заправленной РН;

интенсивным испарением низкокипящих КРТ из баков РН;

необходимостью непрерывного обогрева некоторых приборов РН горячим воздухом после заправки РН низкокипящими компонентами;

трудностями организационно-технического характера, связанными с контролем состояния заправленной ракеты.

В силу важности и особой сложности к заправке РН предъявляются следующие основные требования:

время, затрачиваемое на заправку РН, не должно быть большим.

Отсюда вытекает необходимость создания высокопроизводительных насосов для перекачки компонентов (5000 л/мин и более);

заправка должна быть высокоавтоматизированной, обеспечивая быстрый и безаварийный слив КРТ на любом этапе подготовки к пуску в целях обеспечения безопасности эксплуатирующего персонала.

Набор готовности к пуску начинается с отведения на безопасное расстояние части средств обслуживания, при этом на борт подаются команды, переводящие часть систем РКН в необратимое предпусковое состояние (прорываются разделительные мембраны в ПГС РН и ее двигательной установке, бортовые источники тока – ампулизированные батареи переводятся в рабочее состояние, разориентируются гироскопические приборы и т. д.).

Пусковое оборудование переводится в готовность к пуску. Включаются системы охлаждения, пожаротушения, обеспечивающие безопасность пуска.

КМ переводятся в положение готовности к отстрелу коммуникаций и отведения.

При наборе схемы готовности происходит включение бортовых систем РКН, контроль их исходного состояния и подготовка ДУ 1-й ступени к запуску.

Непосредственно перед пуском осуществляется переход бортовых систем и приборов с наземного питания на бортовое и отвод кабель-мачты.

Пуск РКН осуществляется через оставшиеся коммуникации из защищенного командного пункта. После выхода двигателей РКН на режим номинальной тяги, она освобождается от узлов систем удержания на опорах пускового стола, при этом отстыковываются все оставшиеся пристыкованными к борту коммуникации, опоры пускового стола и стрелы кабель-мачт отходят на безопасные для полета РКН расстояния.

После покидания РКН с места старта на нем выполняется большой объем ПРВР по оцениванию работоспособности ТО СК и старт готовится к новому циклу подготовки и пуска.

Свертка перечисленных операций показывает, что они могут быть сведены к трем видам операций:

Изменению структуры РКН или ТО РКК;

Обмену между РКН и ТО материальными, энергетическими и информационными потоками;

Перемещению РКН совместно с агрегатами или элементами конструкций ТО, или перемещению только агрегатов ТО.

Для РКК различных типов ТлОб различно по составу и принципам функционирования. В дальнейшем дана краткая характеристика технологического оборудования ТК и СК применительно к одному из наиболее совершенных РКК – РКК "Зенит".

7 НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО И СТАРТОВОГО

КОМПЛЕКСОВ

7.1 Назначение и состав технологического оборудования технического В состав оборудования типового ТК входит ТлОб следующих видов (рисунок 7.1):

монтажно-стыковочное оборудование (МСО);

подъемно-перегрузочное оборудование (ППО);

стендовое оборудование (СтО);

транспортное оборудование (ТрО).

пневмовакуумное оборудование (ПВО);

комплект проверочного оборудования (КПО);

системы термостатирования (СТС);

заправочно-нейтрализационные системы (ЗНС);

комплект оборудования для хранения РКН и ее составных частей и содержания их в готовности;

системы наземного электроснабжения специальными токами (СНЭСТ).

стыковочное перегрузочное оборудование оборудование Рисунок 7.1 - Состав технологического оборудования технического комплекса Монтажно-стыковочное, подъемно-перегрузочное, стендовое и транспортное оборудование иногда объединяют общим названием механическое технологическое оборудование (МТО).

Технологическое оборудование ТК может эксплуатироваться в широком диапазоне значений параметров окружающей среды, что во многом обусловлено климатическими условиями отечественных космодромов. Так, температура в сооружениях должна быть в пределах от 5 до 35 С, относительная влажность – не более 80%. ТлОб, размещенное вне сооружений ТК, может эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от –40 С до +50 С, относительной влажности до 98%, скорости ветра у поверхности земли до 25 м/с.

Охарактеризуем приведенные виды ТлОб применительно к ТК РН "Зенит" [2, 18].

Монтажно-стыковочное оборудование предназначено для обеспечения стыковки ступеней РН, а также стыковки (расстыковки) электро- и пневмокоммуникаций "земля—борт" при проведении проверок бортовых систем.

МСО состоит из комплектов стыковочных тележек, механизмов стыковки электро- и пневмокоммуникаций и вспомогательного оборудования.

Комплект стыковочных тележек предназначен для подготовки ступеней РН и ГО к стыковке, хранения ступеней и ГО, транспортирования вручную ступеней РН и ГО по железнодорожным путям МИКа, стыковки (расстыковки) ступеней РН и хранения РН. В него входят тележки, бандажи и чехлы.

Комплект механизмов стыковки электро- и пневмокоммуникаций служит для обеспечения связи наземного технологического оборудования с бортовыми системами РН. В его состав входят блоки стыковки и обеспечения проверок коммуникаций, пневмосистема и электрооборудование.

Подъемно-перегрузочное оборудование предназначено для проведения выгрузки составных частей РН с железнодорожной секции, погрузки их на средства хранения, перегрузки РКН на ТУА. Оно включает два мостовых крана и комплект грузозахватных средств.

Для работы с РН "Зенит" используются мостовые краны КМ- грузоподъемностью 50 т каждый. Комплект грузозахватных средств предназначен для перегрузки ступеней РН, состыкованных ступеней, РКН, ГО с одного вида транспортного оборудования на другой, а также для установки и снятия съемного оборудования ступеней. Он состоит из подвесок, траверс, захватов и других приспособлений.

Транспортное оборудование ТК включает железнодорожную секцию (рисунок 7.2) и комплект средств хранения РН (рисунок 7.3) 2, 3 – агрегаты для транспортирования 1-й и 2-й ступеней РН Рисунок 7.3 – Транспортное оборудование ТК а – агрегат для транспортирования и хранения РКН;

Железнодорожная секция предназначена для транспортирования составных частей РН по железнодорожным путям в составе грузовых поездов со скоростями, допустимыми правилами технической эксплуатации железных дорог РФ для этих поездов (но не свыше 120 км/ч). Секция представляет собой сцеп из трех специализированных агрегатов на железнодорожном ходу, один из которых предназначен для транспортирования ГО, а два других – ступеней РН.

Допускается временное (не более 6 месяцев) хранение составных частей РН с использованием этой секции.

Комплект средств хранения РН предназначен для кратковременного (не более 1 года) хранения РН и ГО, а также для их транспортирования по железнодорожным путям ТК со скоростью до 10 км/час. Он представляет собой аналогичный сцеп, но из двух агрегатов, один из которых предназначен для хранения и транспортирования ГО, второй – для хранения и транспортирования состыкованных ступеней РН.

На стендовом оборудовании проводятся проверки бортовых систем РН с участием КПО, в частности приборов и кабельной сети системы контроля заправки, аппаратуры СТИ, а также бортовых датчиков системы контроля температур в отсеках РН.

Комплект проверочного оборудования (для ТК РН "Зенит" он носит название наземный проверочно-пусковой комплекс системы автономного управления РН (НППК САУ)) предназначен для проверки работоспособности и готовности к работе СУ при приведении РН в технические готовности на ТК.

Проверки РН включают в себя защитные операции, автономные и комплексные испытания.

Защитные операции предназначены для проверки правильности сборки схемы САУ и контроля отсутствия неисправностей в цепях бортовой кабельной сети, прежде всего, в цепях пиропатронов и других пиросредств, которые могут привести к повреждению приборов САУ.

АИ включают в себя проверку функциональных трактов САУ обеих ступеней РН.

КИ проводятся для проверки правильности сопряжения аппаратуры САУ, проверки ее точностных характеристик и установления правильности функционирования комплекта аппаратуры в процессе реализации заданного режима работы. Они включают в себя проверку функционирования аппаратуры в режиме предстартовой подготовки и при имитации полета.

Аппаратура НППК ведет все проверки в непрерывном режиме, однако предусмотрены и выборочные проверки при поиске неисправностей и выполнении частных программ.

Анализ результатов испытаний отображается на блоке индикации пульта оператора. Информация по результатам проверок документируется и может быть вызвана по запросу на пульт.

В процессе АИ НППК имеет связь с системами контроля заправки, контроля температур, телеметрических измерений, прицеливания и САУ РН.

При проведении КИ НППК связан с системами телеметрических измерений, прицеливания и САУ РН.

Система наземного электроснабжения спецтоками (СНЭСТ) предназначена для преобразования переменного напряжения 380 В в постоянное напряжение 30 В и питания аппаратуры НППК и бортовых систем РН при их проверках. В состав аппаратуры СНЭСТ системы входят комплекты преобразователей статических стабилизированных (ПСС) и блоки автоматики и управления (БАУ).

Пневмовакуумное оборудование предназначено для выполнения проверок на герметичность арматуры и магистралей пневмогидравлических систем РН, КА и РБ. В состав систем контроля герметичности КА и РБ входит барокамера.

Для обеспечения потребителей сжатым воздухом, азотом и гелием при проведении пневмоиспытаний РН, КА и РБ, а также для технологических нужд используется система газоснабжения.

В состав типовой системы газоснабжения входят две подсистемы:

подсистема производства сжатых газов и подсистема хранения и выдачи сжатых газов (рисунок 7.4).

Подсистема производства сжатых Компрес- Газификаконтроля Секции измеритель- контроля станции установки Подсистема производства сжатых газов используется для получения кондиционных сжатых газов давлением 40,0 МПа. В состав подсистемы производства сжатых газов входят компрессорные станции, газификационные или воздухоразделительные установки.

Компрессорные станции предназначены для получения сжатых газов (воздуха, азота, гелия) с заданными параметрами. В системах газоснабжения применяют воздушные, гелиевые, азотные компрессорные установки. Они могут быть стационарными и мобильными (подвижными).

Газификационные установки служат для хранения криогенных жидкостей и выдачи их потребителям после газификации в виде сжатых газов заданного давления.

Подсистема хранения и выдачи сжатых газов предназначена для создания необходимого запаса газов и выдачи их потребителям. Сжатые газы хранятся в сооружении, которое носит название ресиверная, в баллонах под давлением 40 МПа. Каждый баллон имеет два вывода на общие коллекторы с отсечной и предохранительной арматурой.

Баллоны соединяются в секции посредством входных и выходных магистралей, которые выведены на пневмощиты с запорной, регулирующей и предохранительной арматурой и контрольно-измерительными приборами (КИП). Основной арматурой системы газоснабжения являются газовые редукторы, предохранительные клапаны, электропневмоклапаны, вентили и фильтры. Управление арматурой и контроль давления в баллонах возможны как на месте, так и дистанционно.

Для удобства эксплуатации арматуру и КИП отдельных секций группируют на отдельных пневмощитах (стойках).

Для контроля качества сжатых газов применяются хроматографы и приборы контроля влажности. Для определения влажности и взятия проб имеется специальный щит.

Учитывая высокую проникающую способность гелия, отвод воздушногелиевой смеси из РН после проверки герметичности осуществляется через дренажные магистрали зала МИК наружу.

Заправочно-нейтрализационное оборудование предназначено для заправки КА и РБ высококипящими КРТ до их стыковки с РН на ТК и размещается на заправочной станции космодрома.

Система термостатирования служит для поддержания заданного температурного режима отсеков РН, КА и РБ при их подготовке на ТК и может функционировать в непрерывном или периодическом режимах.

В ее состав входит оборудование стационарной компрессорной станции, а также подсистема управления и контроля.

Воздух от компрессора поступает в узел подготовки, где он освобождается от влаги и охлаждается до температуры –8 С. После узла подготовки воздух поступает в турбодетандер и охлаждается до –10 С. Далее воздух поступает в узел раздачи, где нагревается до заданной температуры и поступает под определенным давлением в магистрали термостатирования.

Поддержание заданной температуры осуществляется автоматически, поддержание расходов воздуха в заданных пределах – дистанционно.

Температурный режим обеспечивается под головным обтекателем (термостатирование КА), межбаковом отсеке первой ступени, хвостовых отсеках 1-й и 2-й ступеней РН. Это необходимо для обеспечения нормальных условий работы БЦВК САУ РН и бортовой аппаратуры КА.