Янгель. Уроки и наследие

Показательной в этом отношении явилась история совершенствования конструкции распорного шпангоута днищ баков. Такие шпангоуты устанавливаются в местах перехода цилиндрической части топливного бака в днище. Их назначение — воспринимать распорные погонные усилия (отсюда происходит и название), возникающие в днище от действия давления столба жидкости и давления наддува и передающиеся на край цилиндрической оболочки бака. Для уменьшения деформаций изгиба обечайки бака в месте стыковки ее с днищем устанавливается распорный шпангоут. Таким образом, воспринимая распорные усилия, шпангоут работает как кольцо, нагруженное равномерно распределенным радиальным погонным давлением. А поскольку при таком характере действия нагрузки, направленной к центру кольца, последнее оказывается сжатым, то исчерпание его несущей способности происходит в результате искривления кольца или потери устойчивости, на языке специалистов.

При создании первых образцов баков к решению этой задачи в конструкторском бюро С.П. Королева подошли очень просто: необходимую прочность шпангоута определяли из условия, что он полностью воспринимает на себя распорные усилия и работает независимо от всей конструкции, как изолированный элемент. Такой прием, когда рассматривается предельный, а практически невозможный вариант работы конструкции, часто применяется в расчетной практике, если нет более совершенного метода расчета, а упрощенные подходы дают вполне приемлемые по массе размеры сечений элементов конструкций. А возникающее в результате "переупрочнение" конструкции, приводящее к увеличению ее массы, скрывается обычно за стереотипной фразой: "В запас прочности принимаем…" Обоснованность подобных инженерных подходов подкреплена практикой разработки самых различных конструкций во многих областях техники. Обычно на момент зарождения какой-то идеи многое не известно о работе проектируемого узла. Зачастую отсутствуют и научно обоснованные методы анализа, что заставляет искать приближенные решения. По описанной методике были рассчитаны и распорные шпангоуты днищ баков ракеты Р-12, поскольку их конструкция и диаметры баков были заимствованы из конструкции королевской ракеты Р-5.

Однако несостоятельность такого подхода обнаружилась сразу, когда начались проектные проработки ракет Р-14 и Р-16, имевших соответственно размеры диаметров 2400 и 3000 миллиметров. Поскольку потребный момент инерции шпангоута по описываемой методике, как это следовало из принятой в расчете формулы, определялся прямо пропорционально кубу радиуса, то результаты расчета по схеме изолированного кольца приводили к несуразно большим сечениям шпангоутов. Так возникла кризисная ситуация: потребные размеры поперечного сечения распорного шпангоута росли опережающими темпами по сравнению с остальными размерами бака. Сложившееся положение, противоречащее здравому смыслу, потребовало провести переоценку существующих подходов.

Правильное решение было найдено при более глубоком изучении особенностей деформирования всего стыковочного узла. Как показали проведенные теоретические исследования, его высокая эффективность достигалась благодаря работе всех элементов как единого целого. Изолированно от всей системы примыкающих к нему оболочек, как это предполагалось в расчетной схеме, шпангоут работать не может. Прежде чем кольцо изогнется, потеряв устойчивость от распорных усилий, оно должно преодолеть сопротивление примыкающих к нему соседних элементов. При деформировании под действием возникающих усилий шпангоут обязательно "потянет" за собой и прилегающие элементы конструкций. В данном случае это днище и цилиндрическая оболочка. Вступает в силу "круговая порука", столь часто встречающаяся в технике. Поэтому необходимо рассматривать совместное деформирование всей системы под нагрузкой. Учет совместной работы всех элементов позволил разработать новую методику расчета. Когда были проведены всесторонние теоретические выкладки и соответствующие расчеты, то оказалось, что необходимая площадь распорного шпангоута, определяемая из условий обеспечения прочности узла в целом, во много раз меньше, чем та, которая получалась при бытовавшем ранее подходе.

Но это был только первый шаг на пути раскрытия возможностей распорных шпангоутов. Изменение взглядов на роль отдельных элементов в работе узла помогло подойти к его проектированию с принципиально новых позиций.