В А. Пяткин, И.С. Смолкин

ПРОБЛЕМЫ НАГРУЗОК И ПРОЧНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ МОРСКИХ РАКЕТ И ПУСКОВЫХ УСТАНОВОК

Только не старайтесь решать никаких проблем, надо просто работать, а решение проблемы приходит само.

Л. Ландау

Это изречение знаменитого физика непосредственно подходит к деятельности нашего Конструкторского бюро. Создавая совершенную технику, зачастую специалисты решали такие проблемы, за которые не брались другие организации.

Малогабаритная морская ракета с плотной компоновкой, тонкостенный корпус, способный выдерживать огромные нагрузки при старте с движущейся подводной лодки, в совокупности - это уникальное достижение, не имеющее аналогов в мировом ракетостроении. Как и из чего складывались эти составляющие? Решения каких проблем оно потребовало?

Малогабаритная пусковая установка, плотная компоновка ракеты с использованием вафельных оболочек, утопленный двигатель - фундаментальные изобретения, которые открыли перспективу к созданию новых пусковых установок и ракет и стали отличительной чертой всех морских комплексов.

При создании пусковой установки, пожалуй, в наибольшей .степени проявился принцип проектирования, широко применяемый в нашей организации - совмещение нескольких функций в одном конструктивном элементе. Таким элементом стал резиновый амортизатор, который, кроме собственной функции снижения интенсивных ударных воздействий при сотрясениях, стал и погрузочным устройством, и опорой при длительных воздействиях качки, и опорным устройством при движении ракеты в шахте в процессе старта. Однако при теоретических проработках мы столкнулись с неизвестными ранее свойствами нелинейных характеристик амортизаторов, которые даже при кратковременных воздействиях могут приводить к большим угловым колебаниям ракеты относительно шахты. Проблема была решена после получения экспериментальных данных по динамическим силовым характеристикам и уточнения ракетной модели. Наши оппоненты в качестве аргументов против применения резиновых амортизаторов приводили такие свойства резины как нестабильность и большие разбросы физико-механических характеристик. Доводы справедливые, поэтому много усилий было направлено на уменьшение разбросов силовых характеристик амортизационных поясов. В качестве одного из способов уменьшения этих разбросов использовали расчетно-экспериментальный метод, суть которого заключается в определении силовых характеристик поясов, состоящих из набора отдельных амортизаторов как параметров случайного процесса. Так, путем статистической обработки экспериментальных данных по силовым характеристикам амортизаторов и расчета по ним силового характеристик поясов, разбросы их оказались примерно в 2 раза меньше разбросов характеристик амортизаторов. Это дало возможность войти в то допустимое поле, в котором выполняются требования и по безударности, и по допустимым нагрузкам при качке, сотрясениях и старте.

Реализованная в ракете РСМ-25 схема крепления амортизаторов на корпусе ракеты обладала рядом недостатков, которые усугублялись в случае применения ее в ракете РСМ-40 и, кроме того, не обеспечивала повышенные требования к условиям боевого использования. Поэтому, после длительных поисков была принята принципиально новая схема старта с расположением амортизаторов на шахте, в которой тонкостенные оболочки ракеты при выходе из шахты воспринимают, одновременно со всеми прочими нагрузками, движущиеся вдоль корпуса усилия амортизационных поясов. Применение её стало возможным благодаря использованию высокой несущей способности вафельных оболочек на локальное нагружение, а также в результате размещения дополнительных опор в нижней части ракеты (бугелей), не соприкасающихся с направляющими в транспортном положении ракеты и входящими в них при старте.

Разработанная схема старта дала возможность расширить условия боевого использования ракеты, но, в то же время, из-за необходимости обеспечения безударного выхода ракеты из шахты и применения в связи с этим жестких амортизаторов получались довольно большие поперечные нагрузки на ракету. Надо сказать, что проблема снижения нагрузок при старте является одной из «вечных» проблем.

При проектировании силовой схемы ракеты проводился специальный расчетно-аналитический цикл работ по оптимизации загруженности конструкций, цель которого - максимальное снижение веса за счет снижения нагрузок и более полного обеспечения равнопрочности конструкций в различных расчетных случаях. Случай нагружения при старте всегда являлся определяющим для так называемых «бугельных» схем старта.

На рис. 1 показано, что, несмотря на существенное увеличение по сравнению с ракетой РСМ-40 веса (G), гидродинамических сил (C^α_n*d²) и параметров качки (Θ/Т), максимальные относительные реакции поясов ракет (РСМ-50, РСМ-54) (по отношению к весу) снижаются (Rⁿmax/G), максимальный относительный изгибающий момент (Мmax/d*G) и реакция бугеля (R^бmax/G) увеличиваются незначительно, а увеличения относительно «сухого» веса (G_об/G) вообще не происходит, что свидетельствует о высоком весовом совершенстве, достигаемом как за счет снижения нагрузок, так и путем оптимизации геометрических форм и параметров конструкций.

Мы говорим «малогабаритная ракета», «малогабаритная пусковая установка», «плотная компоновка». А что это такое по существу? Значение сделанного хорошо осознается в сравнении. Первая морская межконтинентальная ракета разрабатывалась в конкурсной борьбе с конструкторским бюро генерального конструктора В.Н. Челомея. Его ракета была в 1,5 раза длиннее, в 1,1 больше по диаметру и весила в 1,5 раза больше. Но лишь специалисту понятно, какая это колоссальная разница, какое огромное значение малогабаритность ракеты и пусковой установки имела для подводной лодки.

Высокая несущая способность корпусов, определившаяся условиями старта, способность днищ выдерживать большие всесторонние давления позволили как бы автоматически получить корпус ракеты с высокой живучестью и надежностью. Это немаловажно для обеспечения безопасности и оказалось важным фактором для принятия решения по заводской заправке ракеты топливом с ампулизацией баков на многолетний период эксплуатации и хранения. Заправленную ракету можно было транспортировать всеми видами транспорта и на подводной лодке в условиях качки и при сотрясениях.

Специфика и многообразие случаев нагружения морской ракеты не имеют аналогов в ракетостроении. Кроме традиционных случаев, связанных со стартом и полетом, здесь появляется наземная транспортировка заправленной топливом ракеты различными видами транспорта, старт с движущейся подводной лодки, выход ракеты из шахты на нелинейных упругих опорах при взаимодействии с водной средой, пространственный характер внешних возмущающих сил, воздействие длительных циклических нагрузок при качке, отделение агрегатов от ракеты-носителя при контактном взаимодействии агрегата с корпусом ракеты, разделение ступеней с одновременным действием импульса разделения и импульса от детонирующего заряда, действие импульсов давлений и сил различной длительности и интенсивности при аварийных ситуациях и от поражающих факторов.

Все это требовало разработки научных основ проектирования морских ракет. Специалистами нашего КБ накоплен обширный арсенал методических и программных средств, охватывающий все задачи. Работы по нагрузкам и прочности представляют замкнутый цикл, включающий: разработку методик и программ, расчетно-теоретический анализ, постановку экспериментов, их проведение, анализ полученных результатов, корректировку на основе его расчетных методов, эксплуатационных параметров и конструкций.

Основную долю массы силового корпуса (до 90%) составляют оболочки. Вафельными оболочками занимались все ракетостроители (мы и американцы впервые проявили к этому интерес в конце 50-х годов). Но в основном круг их интересов ограничивался традиционным для ракет случаем - осевое сжатие при старте. Позднее рассматривались и сферические разделительные днища. Специфика морских ракет потребовала рассмотрения обширнейшего количества схем, проведения экспериментов и анализа условий оптимальности. Круг исследований существенно превышает рассмотренное другими организациями. Разработанные методы представляют уникальный арсенал методических средств и рекомендаций к проектированию.

С аналогичным подходом разработаны и освоены методы расчета и оптимального проектирования трехслойных конструкций. Рассматривались многие схемы, проводились эксперименты, исследовались условия их эффективности в сравнении с вафельными оболочками. В конце 60-х годов наше КБ явилось пионером промышленного освоения трехслойных оболочечных конструкций из композиционных материалов. Широкое применение таких конструкций сдерживалось возможностями технологий.

В дальнейших проектах совершенствование корпусов ракет по массе осуществлялось за счет повышения подкрепленности оболочек и прочности материала, применения эффективных технологий и введения конструкторских улучшений.

Совершенствование корпусов неразрывно связано с прогрессом в технологии изготовления вафельных оболочек. В первых проектах, при изготовлении химическим фрезерованием, он достигался за счет освоения глубокого травления и повышения точности выполнения размеров. Но этот способ не имел перспективы из-за нерациональности геометрии сечения ребер. Освоение механического фрезерования с очень высокой точностью изготовления вафельного полотна сразу позволило уменьшить массу оболочек на 15 - 20% и открыло возможности повышения степени их подкрепленности, что по-требовало увеличить и прочность материала. Замена аргонодуговой сварки на электронно-лучевую уменьшила участки с утолщениями сварных швов, увеличила долю вафельного полотна.

На рис. 2 показаны коэффициенты совершенства по массе цилиндрических оболочек корпусов различных ракет. Как видно из диаграммы, совершенство корпусов каждого нового проекта возрастает (К_G уменьшается). Это достигалось за счет увеличения степени подкрепленности вафельных оболочек (толщин исходного листа) и прочности материала. Отмеченные факторы были весьма эффективны, так как, несмотря на существенное увеличение нагруженности корпусов, их совершенство по массе повышалось.

Особенности конструкций морских ракет, связанные с высокой плотностью компоновки и применением «холодных» способов разделения ступеней, привели к появлению еще одной «вечной» проблемы - проблемы обеспечения стойкости аппаратуры к динамическим нагрузкам.

Интенсивные динамические воздействия с наложением двух составляющих (от давления газов - в виде импульса с мгновенным фронтом нарастания и от срабатывания детонирующего заряда - в виде очень короткого импульса) в ряде случаев выводили из строя аппаратуру. Расчеты показывали, что амортизаторы электронной аппаратуры ракеты РСМ-40, выбранные из двух условий, не обладают достаточным ходом на воздействия при разделении ступеней, т. е. возможны соударения. Но это было воспринято с пониманием только тогда, когда прошли первые испытания на стендах типа «Рогатка».

Стенд «Рогатка» называли в шутку «изобретение века». В числе изобретателей этого стенда были проектанты, конструкторы, испытатели. Можно смело утверждать, что без этих стендов невозможно было создать работоспособную аппаратуру ракет РСМ-40, РСМ-50, РСМ-52, но особенно это касается ракеты РСМ-50, где были проведены наиболее серьезные конструктивные изменения в ракете и аппаратуре, направленные на снижение механических и акустических воздействий.

Для описания ударных процессов сложной формы, которые характерны для разделения ступеней, было применено наиболее адекватное их представление в виде ударных спектров. Будучи сейчас обычным явлением, такое представление ударов, которое впервые было введено в исходных данных по ракете РСМ-52, вызвало много вопросов и возражений. Потребовалось немало времени не только для разъяснений преимуществ такого описания ударов, но и для разработки и внедрения методов расчета и обработки ударных процессов в условиях стендовых и натурных испытаний. Использование представления ударных процессов в виде ударных спектров дало возможность также обоснованно разработать методы и режимы автономных испытаний узлов и аппаратуры и выпустить нормативные материалы в виде отраслевого стандарта.

Обобщением опыта проектирования и отработки ракет явились разработанные нами еще в шестидесятые годы «Нормы прочности ракет, стартующих с подводных лодок». В них отразился дифференцированный подход к элементам конструкций по основным случаям нагружения. Большое внимание уделялось и безопасности ракет, аварийным случаям. Принимались весьма низкие коэффициенты безопасности (их уровень практически не отличается от принимаемого в американском ракетостроении) . В дальнейшем «Нормы...» получили свое развитие и уточнение с тенденцией установления в каждом случае минимальных запасов. Разработаны и стандартизированы также «Нормы вибропрочности...», методы и режимы испытаний на вибрации и удары.

Проблема обеспечения вибропрочности возникла в связи с длительным нагружением конструкций вибрационными нагрузками перед непосредственно боевым использованием ракеты. Сформирована логика обеспечения вибропрочности, которая заключается в последовательном проведении всех этапов расчетных оценок лабораторных и натурных испытаний. Целью натурных испытаний является подтверждение нагрузок, а лабораторные вибропрочностные испытания должны заканчиваться статическими или динамическими испытаниями для проверки фактической несущей способности. Решение проблемы вибропрочности в таком относительно завершенном виде осуществлено впервые в отрасли, поэтому разработанные методы нашли широкое применение.

При разработке твердотопливной ракеты РСМ-52 была впервые применена «висячая» схема размещения ракеты в шахте. Такая схема с преобладанием растягивающих сил благоприятно сказывалась на несущей способности корпусов двигателей, состоящих из композиционных материалов, но возникли проблемы с отделением гидродинамического обтекателя. Дело в том, что, в отличие от традиционных схем отделения агрегатов от ракеты, когда отделяемый элемент после разделения имеет вектор скорости, противоположный вектору скорости ракетоносителя, в данном случае векторы скорости совпадают. Кроме того, после разделения обтекатель движется вдоль корпуса ракеты, передавая на него поперечные силы. Для снижения этих сил до допустимых были применены эластичные элементы, устанавливаемые на внутренней поверхности обтекателя, подобные амортизаторам в шахте подводной лодки. Была разработана схема испытаний съема обтекателя в стендовых условиях, основанная на имитации внешних сил с помощью соответствующего наклона испытываемой сборки. Обтекатель явился тем элементом твердотопливной ракеты и пусковой установки, в котором воплотился используемый в жидкостных ракетах основной принцип проектирования - совмещение функций в одном конструктивном элементе. Выполняя функции устройства для снижения внешних сил при старте, он обеспечивал также погрузку ракеты в шахту и осуществлял верхнее амортизационное крепление в шахте.

Методы расчета нагрузок и прочности корпусов морских ракет, а также и технологии их изготовления представляют уникальный передовой опыт работ, выполненных КБ им. академика В.П. Макеева, который может использоваться в разных отраслях. Методы оптимального проектирования тонкостенных конструкций нашли широкое применение на различных предприятиях и используются в учебном процессе авиационных вузов.

Мы рассмотрели некоторые основные проблемы, стоявшие перед разработчиками ракет с подводным стартом, решение которых обеспечивало высокие совершенство силовых корпусов по массе и эксплуатационную надежность ракетных конструкций.