Динамические характеристики

     Конечной целью исследований динамического нагружения конструкции и оборудования любого носителя является надежное прогнозирование процессов их вынужденных колебаний в возможных условиях эксплуатации для обеспечения исходной информацией прочностных расчетов, реализации экспериментальной отработки конструкций и систем. Решение этой проблемы традиционно делится на следующие относительно самостоятельные направления:
     - исследование внешних нагрузок;
     - определение собственных динамических характеристик конструкций (частот, форм, декрементов колебаний);
     - расчет вынужденных колебаний;
     - экспериментальное подтверждение расчетных характеристик.
     В связи с широким применением в последние десятилетия расчетов динамики конструкций практически любой сложности методом конечных элементов стало возможным проводить расчеты вынужденных колебаний без определения собственных частот и форм колебаний. В наиболее ответственных случаях применяются существенно более трудоемкие и сложные вероятностные методы расчета динамики конструкций. Объем теоретических, расчетных и экспериментальных работ по динамике конструкции и оборудования ракеты "Энергия", по обеспечению вибронадежности ее систем чрезвычайно велик.
     Исследовалось динамическое нагружение всего носителя с полезными нагрузками отдельных блоков А и Ц, их отсеков, двигателей, монтажей трубопроводов и аппаратуры для штатных и нештатных полетных режимов, для наземной эксплуатации и транспортирования. На каждом направлении работ с учетом особенностей и назначения конструкций и оборудования расчетами и экспериментальными методами решались многочисленные частные задачи, что составило предмет деятельности НПО "Энергия", ЦНИИМаш, ВФ НПО "Энергия", КБЭМ, ЦАГИ.
     Ряд работ по динамике конструкции ракеты выполнялся впервые в стране. При обосновании их необходимости учитывались в качестве аргументов "за" особенности конструкции, опыт работ в США и "синдром Н-1". Приведем наиболее важные результаты исследований.
     При исследовании динамических нагружений в процессе транспортирования отсеков блока Ц на самолете 3МТ было отмечено, что виброакустическое нагружение максимально при взлете, за счет воздействия отраженного от взлетно-посадочной полосы акустического поля, а низкочастотные перегрузки максимальны при взлете и посадке. Максимальные вибронагрузки несколько ниже штатных. С учетом кратковременности их воздействия дополнительных испытаний оборудования не потребовалось. Прецизионные приборы, например гиростабилизированную платформу, разработчики предпочли транспортировать автономно. Работы по этому виду исследований были завершены в 1983 г.
     Динамические испытания проводились по программе на экспериментальной ракете 4М-Д как дополнение к расчетно-теоретическим работам по динамическому нагружению и прочности конструкции ракеты "Энергия".
     В состав ракеты 4М-Д входили: комплект из четырех технологических блоков А ракеты 5С, блок Я, доработанный для крепления системы силонагружения, блок Ц 4М-Д, системы силонагружения до 8 т. При этом пояса силовых связей блоков А и Ц выполнены по штатной документации. Вместо одного из двигателей РД-0120 было установлено устройство для передачи на блок Ц продольного усилия при импульсных нагружениях на стенде в продольном направлении. Блоки А и Ц оснащались системами виброизмерений в объеме 85 параметров. Регистрация измерений и управление системами силонагружения при динамических испытаниях осуществлялись в специально оснащенной передвижной лаборатории.
     Целью динамических испытаний ракеты 4М-Д являлось экспериментальное определение жесткостей поясов силовых связей блоков А и Ц с учетом местных податливостей корпусов, определение которых расчетным путем с необходимой точностью не представлялось возможным, и уточнение расчетной динамической модели ракеты. Это было необходимо для уточнения нагружения конструкции на раннем этапе разработки ракеты-носителя и в первую очередь для определения разновременности попарного нештатного выключения двигателей РД-0120, значения которой заданы в некотором диапазоне, исходя из условий обеспечения прочности днищ емкостей кислорода и водорода и расходных магистралей. Отличия в конструкциях ракеты 4М-Д и штатных ракет не оказывают существенного влияния на точность определения указанных характеристик и учитываются соответствующей корректировкой динамических моделей этих конструкций. Программа динамических испытаний ракеты 4М-Д являлась первым этапом общей программы динамических испытаний для обеспечения пуска ракеты-носителя 1Л. Она включала в себя:
     - импульсные испытания блока Ц в продольном направлении для определения продольных жесткостей его связей с блоками А;
     - импульсные испытания блока Ц в поперечном направлении для определения поперечных жесткостей его связей;
     - импульсные поперечные и продольные испытания одиночного блока А для выявления жесткостей его связей;
     - импульсные и вибрационные поперечные испытания параблока для определения жесткостных характеристик связей.
     Определение фактических динамических характеристик ракеты в полной комплектации предусматривалось в дальнейшем на экспериментальном образце 4МКС.
     Работы были завершены в 1983 г. В результате были определены собственные низшие частоты продольных и поперечных колебаний "сухого" блока Ц и парциальных колебаний двигательной установки блока. Проведена корректировка расчетной динамической модели летного варианта ракеты.
     Динамические испытания экспериментального варианта ракеты-носителя "Энергия" 4МКС-Д, сухой и заправленной, проводились с целью идентификации расчетных и экспериментальных динамических характеристик. Собранная ракета по составу была близка к летному, в том числе и с орбитальным кораблем. При этом до сборки в пакет проводились динамические испытания блоков А, Ц и орбитального корабля в монтажно-испытательном корпусе. В результате проведенного комплекса работ были определены динамические характеристики "сухого" пакета в поперечном направлении импульсным возбуждением блока Ц в его носовой части и гармоническим - приборно-агрегатных отсеков блоков А, пакета в поперечном и продольном направлениях включением двух твердотопливных двигателей небольшой тяги, установленных на блоке А. Работы проводились в 1987 г. на универсальном комплексе стенд-старт и в монтажном корпусе.
     Определение амплитудно-частотных характеристик конструкции узла установки гиростабилизированной платформы с системой амортизации производилось в акустической камере. Достоверными оказались лишь характеристики в области высоких частот. Работы проводились в течение 1985-1990 гг..
     Исследование ударно-импульсных нагружений при экспериментальной отработке пиротехнических средств разделения блоков привело к необходимости изменения конструкции разрывных элементов узлов связи, после чего воздействия на аппаратуру блока Ц и блоков А установились в пределах нормы.
     Традиционно для экспериментального подтверждения жесткостных характеристик ракеты в целом применялись динамические испытания различных макетов и натурных блоков, в которых определялись формы и частоты колебаний. Сопоставление полученных результатов с расчетными позволяло судить о точности задания жесткостных характеристик. В сложных поясах связей, имеющих место в ракетах пакетной схемы, жесткостные характеристики шпангоутов и следовательно поясов связей в целом существенно зависят от формы колебаний блоков. Поэтому для "Энергии" помимо динамических методов экспериментального определения жесткостных характеристик использовались статические жесткостные испытания. Разработанный подход к определению жесткостных характеристик поясов связей позволил провести экспериментальное подтверждение получаемых результатов на основе статических испытаний натурных объектов. Примененная методика жесткостных испытаний позволила использовать технологическую сборочную оснастку и совместить испытания с отдельными этапами сборки ракеты. Жесткостные испытания, проведенные на двух натурных ракетах подтвердили полученные на основе разработанной методики величины жесткостных характеристик поясов связей. При этом отклонения расчетных величин от экспериментальных составили менее 40 % по перемещениям и примерно 20 % по коэффициентам упругости на линейных участках диаграмм.
     История реализации программы определения динамических характеристик "Энергии" начиналась с принятия решения (по аналогии со "Спейс Шаттлом") о проведении таких исследований на специально оборудованном стенде, позволяющем вести работы с ракетой натуральных размеров. В сентябре 1976 года было принято решение об организации динамических испытаний комплекса "Энергия" - "Буран" в условиях универсального комплекса стенд-старт или "на отдельном рабочем месте". "Владельцы" стенда-старта не допускали и мысли о проведении динамических испытаний у себя, считая, что он будет полностью загружен огневыми испытаниями блоков и ракеты-носителя. Реализация альтернативного пути - строительства стенда динамических испытаний - рождала вопрос, капитальное это сооружение или временное. Решение вопроса затягивалось. Часть проблемы, решение задачи определения динамических характеристик, было переведено на модель, выполненную в масштабе М 1:5, то есть в пять раз меньше натуры. Модель изготавливалась в ЦНИИМаше. Полагая, что первый пуск - беспилотный и что состоится он в 1983 году, сочли возможным строительство стенда динамических испытаний как капитального сооружения приурочить к началу пилотируемых полетов и появлению дальнейших модификаций "Энергии", типа "Вулкан", в первую очередь. А в отсутствии стенда до полета первых образцов предполагалось разработать программу дополнительных экспериментальных и расчетно-теоретических работ по исследованиям динамических свойств и прочности конструкции. Программа была разработана в мае 1982 г. Определение уровня пульсации и акустического воздействия было решено проводить на модели ЭУ-360 с учетом возможного их снижения за счет введения воды в донную область ракеты при работающих двигателях.
     Таким образом, проведенный комплекс исследований позволил дать заключение о возможности начала летных испытаний. Позднее, с вводом стенда, динамические испытания ракеты-носителя в варианте ЗД подтвердили полную идентификацию результатов определения динамических характеристик летных ракет и характеристик, определенных ранее по этой широкой программе.

Далее...