Dynamics{Changes} of start

Movement of a rocket at start it is named by an initial site of movement, understanding under it{this} flight of a rocket near to elements and constructions of a starting complex from the moment трогания up to an output{exit} for limits of a starting complex, that is up to a raising on height of the highest construction of a starting complex.
The primary goal which is put before management of movement of a rocket on an initial site, is maintenance of conditions несоударения rockets with ground constructions and elements стартово-стыковочного the block serving by a support of a rocket on a starting complex.
The ground constructions essential from the point of view of maintenance of unaccented movement, the заправочно-drainage mast, the unit of emergency evacuation and молниеприемники which represent the highest constructions of a starting complex are. Other constructions are not important in the specified sense and at research of movement on an initial site are not considered.
From elements стартово-стыковочного the block (block) the most essential is the column of pneumohydrocommunication{pneumohydroconnection}.
Movement on an initial site can be broken into a number{line} of stages in addition, in turn.
As the first stage it is possible to consider{examine} movement of a rocket directly after occurrence of draft of engines and up to отрыва all blocks of the first step from стартово-стыковочного the block. This stage is defined{determined} by character of an output{exit} on a mode of engines and elastic properties of a rocket and стыковочного the block. If to consider{count} a rocket symmetric, and стыковочный the block and a rocket as absolutely rigid designs this stage at absence of external indignations does not exist at all. Отрыв rockets occurs{happens} instantly at achievement by total draft of the value equal to starting weight of a rocket.
The second stage - movement of the rocket, accompanied sliding of a tail frame on directing шпилькам which are located on стартово-стыковочном the block.

The following stage - movement at which chambers of mid-flight engines of the first and second steps leave from стыковочного the block, is more exact from "wells" in which chambers settle down. This stage is characteristic that between chambers and walls of the specified wells there is rather small backlash (in face value of 300 mm), and at movement of a rocket it{he} decreases due to rotation of a rocket concerning the center of weights that is caused by its{his} asymmetry, and under certain conditions without acceptance of special measures there can be an impact. For exception of this inadmissible phenomenon at the certain development cycle the so-called system of support has been entered. This system represented the hydromechanical device connecting стартово-стыковочный the block and tail compartments of blocks of the first step in such a manner that during movement of a rocket at a stage of an output{exit} of chambers of engines from the block on a rocket (in places of fastening of system of support) the forces interfering impact of chambers of combustion of engines with the starting block operated{worked}. After rise of a rocket and an output{exit} of chambers from wells communication centers of system of support are automatically disconnected from a rocket.


In the further the system of support has been excluded whereas the way of maintenance of absence of stress of movement at the considered{examined} stage, based{founded; established} on use of operating bodies has been accepted.
And at last last, in the certain sense the most complex{difficult} and responsible{crucial} stage, - free movement of a rocket which is necessary for operating by means of the automatic device of stabilization and controls. Complexity of this stage consists that movement of a rocket occurs{happens} in immediate proximity from elements of the starting block of pneumohydrocommunication{pneumohydroconnection} and units of ground constructions, a заправочно-drainage mast, the unit of emergency evacuation. The distance from them up to a rocket costing{standing} on start, makes all some meters. Movement of a rocket on an initial site in itself possesses the prominent features demanding the decision of some problem problems{tasks} in areas of designing, dynamics{changes}, management. Besides the rocket and modes of its{her} work on an initial site have a number{line} of properties and the features aggravating difficulties of the decision of a problem{task} about unaccented movement.
One of features - asymmetry of a rocket and connected with it{her} эксцентриситет equally effective forces of drafts of engines. By virtue of this circumstance on a rocket, even at absence of any additional indignations, the moment developing{unwrapping} a rocket on a uncontrollable site operates{works}. Thereof at the first flight test of "Energia" by the moment of inclusion of the automatic device of stabilization the rocket has bent on 3 degrees in a plane тангажа, that has noted been by many experts even observed of start-up on the TV (see the lowermost the staff the film-grams, presented on the right - webмастер).

Second, very important circumstance - necessity of maintenance of unaccented movement at occurrence at the earliest stage of an initial site of the supernumerary situation connected with supernumerary switching-off of one engines of the first step. In this case the problem{task} of maintenance of unaccented movement essentially becomes complicated. It speaks that, first, increases эксцентриситет drafts approximately for the order in comparison with a regular case both, accordingly, the revolting moment and, secondly, noticeably decreases тяговооруженность. In this connection time of an output{exit} of a rocket from the starting block or, otherwise, time of action of the revolting moment for a uncontrollable site increases.
Following feature which it was mentioned above, getting quite concrete maintenance{contents} in a view of an opportunity of occurrence of a supernumerary situation,-affinity of ground constructions of a starting complex. Thus it is necessary to note, that the most dangerous variants of supernumerary situations arise at deenergizing engines or on the block 20А, or 30А as the revolting moments arising at it{this} cause an inclination of a rocket aside most close located constructions - according to a заправочно-drainage mast at switching-off of draft on the block 20А and the unit of emergency evacuation on the block 30А. Thus the opportunity of management is limited by a rocket of columned pneumohydrocommunication{pneumohydroconnection} which presence does not allow immediately after an output{exit} from стыковочного the block to begin vigorous maneuver on maintenance of unaccented movement.
As if to the supernumerary situations caused by deenergizing of engines on one blocks 10А and 40А they though formation of laws of management demand, do not get problem character as "dangerous" constructions in these cases are молниеприемники which are on much greater distance from a rocket, than a заправочно-drainage mast and the unit of emergency evacuation.
One more feature - presence of the revolting influences which have been not connected with supernumerary situations, but becoming appreciable enough at action:
- Inclinations of a rocket wind loadings;
- Errors of installation on a rocket of engines;
- Errors of movings of rods of steering drives;
- Disorders of массово-centering, aerodynamic characteristics of a rocket and drafts of engines.
In view of features of start of "Energia" solved following problems{tasks}:
- Development of dynamic model of a rocket применительно to all stages of an initial site of movement;
- A finding and realization of ways of maintenance of absence of stress of movement at a uncontrollable stage and formation of favorable kinematic parameters of a rocket at the moment of inclusion of the automatic device of stabilization;
- Formation of the law of management at the operated stage, providing unaccented movement in view of an opportunity of occurrence of a supernumerary situation and action of revolting factors.
All these problems{tasks} basically have been solved by design development, and the first flights of test of "Energia" have shown full qualitative and quantitative conformity of settlement data with reference to regular start with data of flights of tests and have proved the accepted concept of start.
Refusal of system of support meant a new stage in the decision of a problem of dynamics{changes} of start. It has allowed:
- To simplify and facilitate system " a rocket - стартово-стыковочный the block ";
- To raise{increase} reliability of start;
- To receive more precise way of management of a rocket on an initial site due to reduction заневоленного a site.
The opportunity of maintenance of unaccented movement at a stage of an output{exit} from the starting block without system of support and formation of demanded kinematic parameters at the moment of inclusion of the automatic device of stabilization follows from that circumstance, that action from system of support, basically, can be reproduced by means of a deviation{rejection} of a vector of draft. Really, at a deviation{rejection} of this force on some corner appears cross-section making, and the longitudinal component practically does not change at small enough corner{coal}. It is obvious, if this corner to change in time so that the cross-section component of draft has changed under the same law, as well as force from system of support at a concrete supernumerary situation and the determined indignations, will be carried out if to neglect a difference on height of points of the appendix of two comparative forces, equal 1,5 meters, reproduction of force from system of support, and movement of a rocket will pass{take place} the same as and at presence of system of support.
However such reproduction would be very difficult for carrying out: the complex{difficult} program of a deviation{rejection} of chambers of engines would be required. But, as have shown researches, such imitation and is not required, enough to reproduce an impulse of force at the elementary law of formation of cross-section making draft - due to a deviation{rejection} of all chambers of all engines or only the first step on channels тангажа and rovings on the constant corners defined{determined} by character of supernumerary situations.
Let's remind, that the resulted{brought} reasonings intended for a substantiation of a basic opportunity of refusal of system of support and as though transfers of its{her} function on controls. Actually reproduction of force of indignation with their help from system of support is not obligatory. On the contrary, this method is more flexible because it{he} is not connected with formation of the unequivocal law of change of cross-section forces and allows as to provide unaccented movement at a stage of an output{exit} from the starting block, and to generate kinematic parameters of a rocket at the moment of inclusion of the automatic device of stabilization. In particular, this method allows to begin management right after схода with шпилек when the rocket becomes free.
The complex of the scientific and technical problems{tasks} making a problem of dynamics{changes} of start has been as a result solved:
- The mathematical model of a rocket describing its{her} movement on all phases of an initial site of a trajectory, considering elasticity of elements of a design, elasticity стартово-стыковочного the block, mobility of liquid filling of tanks, and also all set of operating{working} indignations and disorders of characteristics of a rocket is developed. Calculation of parameters of mathematical model of a rocket with reference to regular and supernumerary situations is lead;
- The way of indemnification of indignations is introduced at refusals of engines of the first step at the initial stage of the movement, allowing to exclude application of special hydromechanical terminators of cross-section movements of a tail part of a rocket in supernumerary situations (system of support); calculation of compensating influences is made for their input in a control system. This action has allowed to simplify a design, to reduce volume of experimental working off, to raise{increase} reliability, to lower material inputs;
-, the calculation of kinematic parameters considering all of a degree of freedom of a rocket is made for their use as entry conditions at the moment of inclusion of the automatic device of stabilization;
- The method of program management by a rocket in the supernumerary situations caused by refusal of engines of the first step during their start on which program functions of corners тангажа and rovings are defined{determined} by number of the form on which there was a refusal of the engine and a spatial configuration of constructions of a starting complex is offered and realized;
The first start-up of "Energia" has completely proved the developed concept of start at regular functioning engines.

Original version of the text

Динамика старта

Движение ракеты при старте называем начальным участком движения, понимая под этим пролет ракеты вблизи элементов и сооружений стартового комплекса от момента трогания до выхода за пределы стартового комплекса, то есть до поднятия на высоту наиболее высокого сооружения стартового комплекса.
Основная задача, которая ставится перед управлением движением ракеты на начальном участке, это - обеспечение условий несоударения ракеты с наземными сооружениями и элементами стартово-стыковочного блока, служащего опорой ракеты на стартовом комплексе.
Наземными сооружениями, существенными с точки зрения обеспечения безударного движения, являются заправочно-дренажная мачта, агрегат экстренной эвакуации и молниеприемники, которые и представляют собой наиболее высокие сооружения стартового комплекса. Другие сооружения не являются важными в указанном смысле и при исследовании движения на начальном участке не учитываются.
Из элементов стартово-стыковочного блока (блока Я) наиболее существенным является колонна пневмогидросвязи.
Движение на начальном участке можно, в свою очередь, дополнительно разбить на ряд этапов.
В качестве первого этапа можно рассматривать движение ракеты непосредственно после появления тяги двигателей и до отрыва всех блоков первой ступени от стартово-стыковочного блока. Этот этап определяется характером выхода на режим двигателей и упругими свойствами ракеты и стыковочного блока. Если считать ракету симметричной, а стыковочный блок и ракету абсолютно жесткими конструкциями, то этот этап при отсутствии внешних возмущений вообще не существует. Отрыв ракеты происходит мгновенно при достижении суммарной тягой значения, равного стартовой массе ракеты.
Второй этап - движение ракеты, сопровождающееся скольжением хвостового шпангоута по направляющим шпилькам, которые расположены на стартово-стыковочном блоке.

Следующий этап - движение, при котором камеры маршевых двигателей первой и второй ступеней выходят из стыковочного блока, точнее из "колодцев", в которых располагаются камеры. Этот этап характерен тем, что между камерами и стенками указанных колодцев имеется сравнительно малый зазор (в номинале 300 мм), причем при движении ракеты он уменьшается за счет вращения ракеты относительно центра масс, что обусловлено его несимметрией, и при определенных условиях без принятия специальных мер может произойти соударение. Для исключения этого недопустимого явления на определенном этапе разработки была введена так называемая система сопровождения. Эта система представляла собой гидромеханическое устройство, связывающее стартово-стыковочный блок и хвостовые отсеки блоков первой ступени таким образом, что во время движения ракеты на этапе выхода камер двигателей из блока на ракету (в местах крепления системы сопровождения) действовали силы, препятствующие соударению камер сгорания двигателей со стартовым блоком. После подъема ракеты и выхода камер из колодцев узлы связи системы сопровождения автоматически отсоединяются от ракеты.


В дальнейшем система сопровождения была исключена ввиду того, что был принят способ обеспечения безударности движения на рассматриваемом этапе, основанный на использовании управляющих органов.
И наконец последний, в определенном смысле самый сложный и ответственный этап, - свободное движение ракеты, которым необходимо управлять с помощью автомата стабилизации и органов управления. Сложность этого этапа заключается в том, что движение ракеты происходит в непосредственной близости от элементов стартового блока пневмогидросвязи и агрегатов наземных сооружений, заправочно-дренажной мачты, агрегата экстренной эвакуации. Расстояние от них до ракеты, стоящей на старте, составляет всего несколько метров. Движение ракеты на начальном участке само по себе обладает характерными особенностями, требующими решения ряда проблемных задач в областях конструирования, динамики, управления. Кроме того, сама ракета и режимы ее работы на начальном участке имеют ряд свойств и особенностей, усугубляющих трудности решения задачи о безударном движении.
Одна из особенностей - несимметричность ракеты и связанный с ней эксцентриситет равнодействующей сил тяг двигателей. В силу этого обстоятельства на ракету, даже при отсутствии каких-либо дополнительных возмущений, действует момент, разворачивающий ракету на неуправляемом участке. Вследствие этого при первом летном испытании "Энергии" к моменту включения автомата стабилизации ракета наклонилась на 3 градуса в плоскости тангажа, что было отмечено многими специалистами, даже наблюдавшими за пуском по телевизору (см. самый нижний кадр кинограммы, представленной справа - webмастер).

Второе, очень важное обстоятельство - необходимость обеспечения безударного движения при возникновении на самой ранней стадии начального участка нештатной ситуации, связанной с нештатным отключением одного из двигателей первой ступени. В этом случае существенно усложняется задача обеспечения безударного движения. Это объясняется тем, что, во-первых, увеличивается эксцентриситет тяги примерно на порядок по сравнению со штатным случаем и, соответственно, возмущающий момент и, во-вторых, заметно уменьшается тяговооруженность. В связи с этим увеличивается время выхода ракеты из стартового блока или, иными словами, время действия возмущающего момента на неуправляемом участке.
Следующая особенность, о которой упоминалось выше, приобретающая вполне конкретное содержание в свете возможности возникновения нештатной ситуации, -близость наземных сооружений стартового комплекса. При этом следует отметить, что наиболее опасные варианты нештатных ситуаций возникают при выключении двигателей либо на блоке 20А, либо 30А, так как возникающие при этом возмущающие моменты обусловливают наклон ракеты в сторону наиболее близко расположенных сооружений - соответственно заправочно-дренажной мачты при отключении тяги на блоке 20А и агрегата экстренной эвакуации на блоке 30А. При этом возможность управления ракетой ограничена колонной пневмогидросвязи, наличие которой не позволяет немедленно после выхода из стыковочного блока начать энергичный маневр по обеспечению безударного движения.
Что же касается нештатных ситуаций, обусловленных выключением двигателей на одном из блоков 10А и 40А, то они, хотя и требуют формирования законов управления, не приобретают проблемного характера, так как "опасными" в этих случаях сооружениями являются молниеприемники, которые находятся на значительно большем расстоянии от ракеты, чем заправочно-дренажная мачта и агрегат экстренной эвакуации.
Еще одна особенность - наличие возмущающих воздействий, не связанных с нештатными ситуациями, но становящихся достаточно заметными при действии:
- наклонения ракеты ветровыми нагрузками;
- погрешности установки на ракете двигателей;
- погрешности перемещений штоков рулевых приводов;
- разбросов массово-центровочных, аэродинамических характеристик ракеты и тяг двигателей.
С учетом особенностей старта "Энергии" решались следующие задачи:
- разработка динамической модели ракеты применительно ко всем этапам начального участка движения;
- нахождение и реализация способов обеспечения безударности движения на неуправляемом этапе и формирование благоприятных кинематических параметров ракеты на момент включения автомата стабилизации;
- формирование закона управления на управляемом этапе, обеспечивающего безударное движение с учетом возможности возникновения нештатной ситуации и действия возмущающих факторов.
Все эти задачи были в принципе решены при проектных разработках, а первые летные испытания "Энергии" показали полное качественное и количественное соответствие расчетных данных применительно к штатному старту с данными летных испытаний и подтвердили правильность принятой концепции старта.
Отказ от системы сопровождения означал новый этап в решении проблемы динамики старта. Это позволило:
- упростить и облегчить систему "ракета - стартово-стыковочный блок";
- повысить надежность старта;
- получить более четкий способ управления ракетой на начальном участке за счет сокращения заневоленного участка.
Возможность обеспечения безударного движения на этапе выхода из стартового блока без системы сопровождения и формирования требуемых кинематических параметров на момент включения автомата стабилизации вытекает из того обстоятельства, что действие со стороны системы сопровождения, в принципе, может быть воспроизведено с помощью отклонения вектора тяги. Действительно, при отклонении этой силы на некоторый угол появляется поперечная составляющая, а продольная составляющая практически не изменяется при достаточно малом угле. Очевидно, если этот угол изменять во времени таким образом, чтобы поперечная составляющая тяги изменилась по такому же закону, как и сила со стороны системы сопровождения при конкретной нештатной ситуации и детерминированных возмущениях, то будет осуществлено, если пренебречь разностью по высоте точек приложения двух сравнительных сил, равной 1,5 метра, воспроизведение силы со стороны системы сопровождения, и движение ракеты будет проходить так же, как и при наличии системы сопровождения.
Однако такое воспроизведение было бы очень трудно осуществить: потребовалась бы сложная программа отклонения камер двигателей. Но, как показали исследования, такая имитация и не требуется, достаточно воспроизвести импульс силы при простейшем законе формирования поперечной составляющей тяги - за счет отклонения всех камер всех двигателей или только первой ступени по каналам тангажа и рыскания на постоянные углы, определяемые характером нештатных ситуаций.
Напомним, что приведенные рассуждения предназначались для обоснования принципиальной возможности отказа от системы сопровождения и как бы передачи ее функции на органы управления. На самом деле воспроизведение силы возмущения с их помощью со стороны системы сопровождения не является обязательным. Наоборот, этот метод является более гибким, потому что он не связан с формированием однозначного закона изменения поперечных сил и позволяет как обеспечить безударное движение на этапе выхода из стартового блока, так и сформировать кинематические параметры ракеты на момент включения автомата стабилизации. В частности, этот метод позволяет начинать управление сразу после схода со шпилек, когда ракета становится свободной.
В результате был решен комплекс научно-технических задач, составляющих проблему динамики старта:
- разработана математическая модель ракеты, описывающая ее движение на всех фазах начального участка траектории, учитывающая упругость элементов конструкции, упругость стартово-стыковочного блока, подвижность жидкого наполнения баков, а также всю совокупность действующих возмущений и разбросов характеристик ракеты. Проведен расчет параметров математической модели ракеты применительно к штатной и нештатной ситуациям;
- внедрен способ компенсации возмущений при отказах двигателей первой ступени на начальном этапе движения, позволяющий исключить применение специальных гидромеханических ограничителей поперечных движений хвостовой части ракеты в нештатных ситуациях (системы сопровождения); произведен расчет компенсирующих воздействий для ввода их в систему управления. Это мероприятие позволило упростить конструкцию, уменьшить объем экспериментальной отработки, повысить надежность, снизить материальные затраты;
- произведен расчет кинематических параметров, учитывающий все степени свободы ракеты, для использования их в качестве начальных условий на момент включения автомата стабилизации;
- предложен и реализован метод программного управления ракетой в нештатных ситуациях, обусловленных отказом двигателей первой ступени в процессе их запуска, по которому программные функции углов тангажа и рыскания определяются номером бланка, на котором произошел отказ двигателя и пространственной конфигурации сооружений стартового комплекса;
Первый пуск "Энергии" полностью подтвердил правильность разработанной концепции старта при штатном функционировании двигателей.