«Энергия» - «Буран»

     По результатам совокупности всех видов исследований сделан вывод, что подача воды в факел работающих двигателей создает щадящий режим для ракеты при воздействии нестационарных газодинамических потоков, но при выходе из строя системы подачи воды нагрузки не превысят допустимых для ракеты. Снижение акустических нагрузок важно для орбитального корабля и может быть необходимо для полезного груза ракеты.

     Опыт создания ракеты-носителя Н-1 говорит о важности проблемы нестационарного газодинамического нагружения. Величины нагрузок для таких мощных носителей, как Н-1, в ряде случаев оказывались критическими для конструкции. Близость отсека полезной нагрузки к маршевым двигателям - основным источникам акустического шума, приводящего к пульсациям давления на поверхности, а также высокие требования к ресурсу конструкции, которые диктуются многоразовостью использования, все это вместе делает необходимым тщательнейшее изучение этих нагрузок на этапе проектирования и экспериментальной отработки.

     Поскольку такие нагрузки не поддаются расчету, основным инструментом их исследования является проведение испытаний модельных установок различного масштаба с дальнейшим пересчетом данных на натуру.

     В первую очередь с проблемой нестационарных газодинамических воздействий мы должны были столкнуться при первом пуске ракеты без орбитального корабля со стенда-старта.

     При старте ракеты, в процессе выхода на режим двигателей, возникают ударно-волновые нагрузки, действующие на донную и хвостовую части. Эти нагрузки являются основными при расчете на прочность конструкции хвостовой части блоков А и Ц, так как перепады давлений на оболочке хвостового отсека могут составлять 0,4-0,5 атм. Определить расчетным путем эти нагрузки с достаточной степенью точности не представляется возможным ввиду сложности картины течения в каналах стартового сооружения, обусловленной трехмерностью и нестационарностью процесса.

     Надежное экспериментальное определение величин ударно-волнового воздействия, прежде всего, зависит от полноты моделирования основных параметров:

     - градиента нарастания давления в камере сгорания;

     - температуры и газовой постоянной в камере сгорания;

     - состава и параметров среды в стартовом сооружении.

     Моделирование указанных условий потребовало создания газодинамических моделей с высокими параметрами. Особенно следует отметить, что в модельных условиях необходимо было обеспечить нарастание давления в камере сгорания в десятки раз большее, чем в маршевых двигателях "Энергии" при их выходе на предварительный и номинальный режимы работы. Одновременно ставилась задача о разработке мероприятий по снижению ударно-волновых давлений. В основном велись исследования на маломасштабных (М 1:72) моделях, а на заключительном этапе - и на крупномасштабной (М 1:10) модельной установке. На моделях М 1:72 в качестве рабочего тела использовались продукты взрыва кислородно-водородных смесей, на крупномасштабной модели - продукты сгорания твердых теплив.

     Величины ударно-волнового давления для ракеты определялись для расчетных максимальных градиентов нарастания давления в камерах сгорания двигателей РД-170 и РД-0120. При таких градиентах подача воды приводит к снижению уровней ударно-волнового давления в 2-3 раза. Однако результаты многочисленных автономных стендовых испытаний двигателей РД-170 и РД-0120 показали, что реальные наибольшие значения градиентов нарастания давления в камерах меньше расчетных в 1,75-2 раза. При таком уменьшении градиентов нарастания давления в камерах величина ударно-волнового давления уменьшается в 2-3 раза. Стендовые испытания ракетных блоков первой и второй ступеней подтвердили эти данные, таким образом, при пуске первой ракеты без подачи воды только за счет уменьшения градиентов нарастания давления в камерах сгорания двигателей ожидалось снижение величин ударно-волнового давления на днищах блоков А и Ц в 2-3 раза. Подача воды, естественно, осуществила бы дальнейшее снижение величин волнового давления.

     К одной из опасных газодинамических нагрузок, действующих на ракету при старте, относится силовое и тепловое воздействие отраженных от стартового сооружения струй маршевых двигателей. Опыт разработки различных носителей показал, что величина силового воздействия отраженных струй может существенно превышать ударно-волновое давление и привести к недопустимым для ракеты нагрузкам.

     Газодинамические нагрузки от отраженных струй зависят, главным образом, от конфигурации стартового сооружения и траектории отхода ракеты от стартового сооружения. Определить расчетными методами эти нагрузки не представляется возможным ввиду исключительно сложной газодинамической картины течения. Решение этой проблемы экспериментальным путем сводится к большому объему модельных испытаний. Это связано с тем, что при отходе ракеты от стартового сооружения могут иметь место многочисленные реализации траекторий как для штатных, так и нештатных ситуаций. Кроме того, зоны воздействия носят локальный характер, что требует тщательного экспериментального исследования.