В.И. Пегов, Н.Н. Тихонов

ГИДРОДИНАМИКА МОРСКИХ РАКЕТ

Одним из важнейших достижений в совокупности научно-технических проблем, успешно решенных в созданной под руководством академика В.П. Макеева отечественной школе морского ракетостроения, была раз-работка и внедрение в практику проектирования оригинальных гидродинамических схем обтекания ракет, не имеющих аналогов в отечественной и мировой практике. При выборе новых наиболее рациональных схем обтекания ракет и повышения достоверности и точности гидродинамических характеристик с 50-х годов в тесном сотрудничестве с КБ имени академика В.П. Макеева работали научные коллективы Центрального аэрогидродинамического института, Научно-исследовательского института механики Московского университета, 28-го научно-исследовательского института министерства обороны, Центрального научно-исследовательского института машиностроения, Научно-исследовательского института прикладной математики и механики Томского университета и других организаций страны. В Конструкторском бюро был создан ряд уникальных гидродинамических:установок для отработки на моделях подводного запуска ракет. Он включает в себя гидродинамический бассейн, большие гидродинамические трубы с горизонтальным и вертикальным рабочими участками, газодинамический наддуваемый стенд и другие установки.

Морские баллистические ракеты, стартующие из вертикальных шахт подводных лодок, как правило, испытывают максимальное силовое воздействие на подводном участке траектории. Именно эти силовые нагрузки определяют требования к прочности и системе управления ракет. Практические задачи гидродинамики в ракетной технике решаются как экспериментальными, базирующимися на теории размерностей и подобия, так и расчетно-теоретическими методами.

Исходя из анализа имеющихся способов пуска, с точки зрения гидродинамики можно ограничиться рассмотрением двух:

- из затопленной шахты при реализации режима сплошного обтекания ракеты (так называемый «мокрый» способ пуска);

- из незатопленной шахты при кавитационном обтекании ракеты (так называемый кавитационный, или «сухой» способ пуска).

Независимо от способа пуска основными являются следующие гидродинамические задачи:

- изучение физических явлений при старте и разработка методов их моделирования;

- определение гидродинамических нагрузок на ракету на шахтном участке движения;

- определение гидродинамических характеристик ракеты на подводном участке и участке пересечения поверхности воды;

- исследование силового воздействия на подводную лодку.

Если первые три задачи взаимосвязаны, то четвертая имеет относительно самостоятельное значение и служит целям проектирования лодки. Кроме указанных общих задач, для конкретных способов пуска могут оказаться не менее важными задачи, носящие более частный характер. Так, для способов пуска из затопленной шахты является актуальной задача определения течения жидкости с границей раздела сред газ - жидкость в кольцевом канале .между корпусом ракеты и стенкой шахты и истечения жидкости из шахты в окружающее пространство; для способа пуска из незатопленной шахты важны вопросы, связанные с формированием кавитационных полостей и газовых каверн в переменном поле гидростатического давления.

Следует также указать на отдельный класс задач не-тационарной гидродинамики, связанных с процессами:

- запуска двигателя в воде;

- пересечения ракетой газожидкостных следов и каверн от ранее стартовавших ракет;

- силового воздействия на ракеты в соседних открытых шахтах;

- смыкания границ каверны на круговом цилиндре;

- воздействия подводной ударной волны на ракету, движущуюся в воде с газовой каверной;

- послестартового затопления шахты водой.

Схема обтекания ракеты при старте из затопленной шахты приведена на рис. 1. Схема обтекания ракеты при старте из затопленной шахты.

В этом случае нет интенсивного теплового воздействия на ракету, пусковую шахту и подводную лодку, что является важным особенно для жидкостных ракет и позволяет обходиться без применения теплозащитного покрытия корпуса ракеты. Однако у этого способа можно отметить два существенных недостатка:

- явление гидроудара при запуске двигателя в воде, приводящее к значительным по величине пикам давления на ракету;

- большой уровень гидродинамических боковых сил при движении ракеты в шахте и под водой. Проблема гидроудара решается в основном с помощью ступенчатого выхода маршевого двигателя на режим. Второй из отмеченных недостатков явился одной из причин перехода от способа старта из затопленной шахты к старту из незатопленной (сухой) шахты и использования эффекта кавитации.

На основании анализа имеющихся экспериментальных данных можно заключить, что особенности гидродинамических процессов при старте из затопленной шахты связаны с формированием струйных течений жидкости, газовых полостей в шахтном объёме и окружающей жидкости, изменением во времени положения их границ, разгерметизацией шахтного объема при выходе кормы ракеты из шахты и последующим затоплением его водой. Шахтные гидрогазодинамические процессы начинаются с момента прорыва мембраны двигателя. Под действием избыточного давления и тяги двигателя ракета выходит из шахты, и одновременно избыточным давлением вытесняется столб воды из кольцевого зазора в окружающую жидкость. Вследствие этого образуется спутная струя жидкости. Скорость спутного потока в начале выхода из-за удержания ракеты на пусковом столе несколько больше скорости ракеты, затем выравнивается с ней и в конце выхода снова становится больше скорости ракеты. Поэтому осушение кольцевого зазора происходит несколько раньше выхода кормы ракеты и, начиная с этого момента, у среза шахты формируется газовый пузырь, напоминающий по форме четверть тора. Особенно интенсивный наддув пузыря шахтными газами и рост его объёма происходит в момент выхода кормы ракеты из шахты, когда объём пузыря и шахтный объём соединяются и образуют единый газовый объём, давление в котором выравнивается и становится больше гидростатического. В дальнейшем, с ростом объёма пузыря и формированием за днищем ракеты цилиндрической газовой каверны, давление газов падает и изменяется во времени по закону, близкому к закону затухающих колебаний.

На некоторой высоте над шахтой происходит пережатие цилиндрического следа. Начиная с этого момента, газовая полость разделяется на две части: верхняя захватывается ракетой и в следе за ней образуется присоединенная донная каверна, а нижняя остается у среза шахты и определяет начальные условия ее затопления водой (рис. 1).При движении ракеты в воде возможно возникновение кавитации на носовой части ракеты, где достигается наибольшее динамическое разряжение, так как минимальные значения коэффициента давления для применяемых профилей носовых обтекателей ракет достигают минус 0,4. Давление же насыщенных паров при температуре 20°С составляет всего 0,002 МПа, и при скорости движения ракеты 20 - 40 м/с кавитация на носке ракеты может зарождаться на глубине около 20 м и затем развиваться с уменьшением гидростатического давления на уровне носка ракеты при приближении к свободной поверхности.

Сплошной режим обтекания реализуется обычно при старте из затопленной водой шахты, а также при старте из незатопленной шахты в случае полной (или близкой к ней) обтюрации кольцевого зазора. Расчет гидродинамических характеристик ракет при сплошном режиме обтекания сводится к определению присоединенных масс ракеты и коэффициентов гидродинамических сил и моментов.

Присоединенные массы ракеты при её поперечном движении в затопленной водой шахте можно рассчитывать приближенно по методу плоских сечений, когда пренебрегают продольным растеканием жидкости. С помощью численно-аналитического метода эта задача решена в самой общей постановке, когда 'учитываются пространственная картина течения, форма носовой части и кормы ракеты, смещение оси ракеты от оси шахты, величина кольцевого зазора между ракетой и стенкой шахты, а также положение нижней границы жидкости.

При старте из незатопленной шахты и использовании эффекта кавитации формируют присоединенную газовую каверну путем наддува газами области пониженного динамического давления на поверхности ракеты и фиксации переднего фронта каверны на кавитирующем насадке ракеты, имеющем острые кромки для схода струй жидкости. Каверна охватывает большую часть корпуса ракеты и изолирует её от набегающего потока воды. Характерные схемы обтекания ракеты на различных участках движения её под водой при кавитационном способе пуска приведены на рис. 2. При вертикальном движении ракеты под водой длина каверны постоянно увеличивается в основном за счет уменьшения гидростатического давления на уровне насадка. Рис. 2. Схема гравитационного способа пуска ракеты.

Если длина каверны больше половины длины ракеты, то движение ракеты под водой устойчивое: угловая скорость ракеты резко уменьшается. Выход ракеты из воды в режиме кавитации так же, как и при сплошном обтекании, сопровождается деформацией свободной поверхности, при этом она обращена выпуклостью вверх. Тем самым как бы увеличивается путь ракеты в воде на 1-2 калибра. Давление в критической точке начинает падать еще до того, как насадок приблизится к невозмущенному уровню воды, что обусловливает уменьшение коэффициента сопротивления ракеты. Анализ фотографий показывает, что носовая каверна при выходе из воды некоторое время сохраняет свою форму за счет увлекаемых со свободной поверхности струй жидкости, образуя при этом как бы «стекловидное тело», форма которого напоминает профиль каверны в жидкости и которое затем, превратившись в тонкую пленку, разрушается.

Проведены обширные экспериментальные и теоретические исследования параметров каверн в вертикальном потоке жидкости. Наиболее важным их параметром является безразмерная длина Ḹ_к измеряемая от точки схода струй с кавитатора до поперечного сечения каверны, в котором достигается максимальный ее радиус Ṝ_к ( Ṝ_k= R_к/R_н, Ḹ_к=L_к/R_н; R_н - радиус кавитатора). В результате обобщения результатов экспериментальных и теоретических исследований получены аппроксимационные зависимости, которые удовлетворительно согласуются с опытными и результатами расчетов.

При пуске ракеты как из затопленной шахты, так и из незатопленной формируется спутный поток: в первом случае при вытеснении из кольцевого зазора содержащейся в ней воды избыточным давлением выхлопных газов в подракетном объеме, а в другом - при истечении из кольцевого зазора газового потока и формировании в окружающей жидкости надшахтной газовой полости.

Разработаны численный метод и программа расчета гидродинамических нагрузок на ракету с учетом влияния спутного потока, гидродинамические нагрузки при этом могут снижаться в несколько раз.

Эффективность гидродинамической схемы обтекания обычно оценивают безразмерным импульсом момента гидродинамической силы при выходе ракеты из шахты I_Mz,. чем меньше величина I_Mz,тем меньше уровень гидродинамических нагрузок на ракету. Для кавитационного способа пуска получены расчетные и экспериментальные зависимости I_Mz от безразмерной длины каверны Ḹ_к (рис. 3.) Величина I_Mz при Ḹ_к=О соответствует сплошному режиму обтекания. Из приведенного графика видим, что уровень гидродинамических нагрузок снижается при возрастании длины каверны и приближается к нулевому при стремлении Ḹ_к к 1,0, то есть когда каверна полностью охватывает корпус ракеты.

Рис. 3. Зависимость коэффициента I_Mz от безразмерной длины каверны при выходе ракеты из шахты.

С точки зрения гидродинамических нагрузок, действующих на ракету при выходе ее из шахты подводной лодки, а также управляемости ракеты на подводном участке траектории наиболее эффективным является кавитационный способ пуска. Таким образом, на основе результатов исследований, проведенных в КБ им. академика В.П. Макеева в тесном сотрудничестве с рядом научных организаций страны, был разработан эффективный комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных методов, который обеспечил хорошее согласование расчетных и натурных данных и способствовал достижению высокого конструктивного совершенства морских ракетных комплексов.