Dynamic characteristics

Ultimate goal of researches dynamic нагружения designs and the equipment of any carrier{bearer} is reliable forecasting processes of their compelled{forced} fluctuations in possible{probable} conditions of operation for maintenance with the initial information прочностных calculations, realization of experimental working off of designs and systems. The decision of this problem traditionally shares on following rather independent directions:
- Research of external loadings;
- Definition of own dynamic characteristics of designs (frequencies, forms, decrements of fluctuations);
- Calculation of the compelled{forced} fluctuations;
- Experimental acknowledgement{confirmation} of settlement characteristics.
In connection with wide application to last decades calculations of dynamics{changes} of designs practically any complexity a method of final elements began possible{probable} to spend calculations of the compelled{forced} fluctuations without definition of own frequencies and forms of fluctuations. In the most responsible{crucial} cases essentially more labour-consuming and complex{difficult} likelihood methods of calculation of dynamics{changes} of designs are applied. The volume of theoretical, settlement and experimental works on dynamics{changes} of a design and the equipment of a rocket of "Energia", on maintenance вибронадежности its{her} systems is extremely great.
It was investigated{researched} dynamic нагружение all carrier{bearer} with useful loadings of separate blocks And and Ц, their compartments, engines, installations of pipelines and the equipment for regular and supernumerary flight modes, for ground operation and transportation. On each direction of works in view of features and purposes{assignments; destinations} of designs and the equipment calculations and experimental methods solved numerous private{individual} problems{tasks} that has made a subject of activity НПО of "Energia", ЦНИИМаш, ВФ НПО "Energia", КБЭМ, ЦАГИ.
A number{line} of works on dynamics{changes} of a design of a rocket was carried out for the first time in the country. At a substantiation of their necessity features of a design, experience of works in the USA and " syndrome Н-1 " were considered as arguments pro. We shall result{bring} the most important results of researches.
At research dynamic нагружений during transportation of compartments of block TS by the plane 3МТ it has noted been, that виброакустическое нагружение it is maximal at rise, due to influence of the acoustic field reflected from a runway, and low-frequency overloads are maximal at rise and landing{planting}. Maximal вибронагрузки a little below regular. In view of short duration of their influence of additional tests of the equipment it was not required. Precision devices, for example гиростабилизированную a platform, developers have preferred to transport independently. Works by this kind of researches have been completed in 1983
Dynamic tests were spent under the program on an experimental rocket 4М-Д as addition to settlement-theoretical works on dynamic нагружению and durabilities of a design of a rocket of "Energia".
Into structure of a rocket 4М-Д entered: the complete set from four technological blocks And rockets 5С, the block I modified for fastening of system силонагружения, block TS 4М-Д, systems силонагружения up to 8 т. Thus belts{zones} of power{force} communications{connections} of blocks And and Ц are executed under the regular documentation. Instead of one of engines RD-0120 the device for transfer on block TS of longitudinal effort has been established{installed} at pulse нагружениях at the stand in a longitudinal direction. Blocks And and Ц were equipped with systems виброизмерений in volume of 85 parameters. Registration of measurements and management of systems силонагружения at dynamic tests were carried out in specially equipped mobile laboratory.
The purpose of dynamic tests of a rocket 4М-Д was experimental definition жесткостей belts{zones} of power{force} communications{connections} of blocks And and Ц in view of local pliabilities of cases which definition settlement by with necessary accuracy was not represented possible{probable}, and specification of settlement dynamic model of a rocket. It was necessary for specification нагружения for a design at an early development cycle of a booster rocket and first of all for definition разновременности paired supernumerary deenergizing of engines RD-0120 which values are set in some range, proceeding from conditions of maintenance of durability of the bottoms of capacities of oxygen and hydrogen and account highways. Differences in designs of a rocket 4М-Д and regular rockets do not render essential influence on accuracy of definition of the specified characteristics and are considered by corresponding{meeting} updating of dynamic models of these designs. The program of dynamic tests of a rocket 4М-Д was the first stage of the general{common} program of dynamic tests for maintenance of start-up of a booster rocket 1Л. It{she} included:
- Pulse tests of block TS in a longitudinal direction for definition longitudinal жесткостей its{his} communications{connections} with blocks And;
- Pulse tests of block TS in a cross-section direction for definition cross-section жесткостей its{his} communications{connections};
- Pulse cross-section and longitudinal tests of the single block And for revealing жесткостей its{his} communications{connections};
- Pulse and vibrating cross-section tests параблока for definition жесткостных characteristics of communications{connections}.
Definition of actual dynamic characteristics of a rocket in a full complete set was provided in the further on the experimental sample 4МКС.
Works have been completed in 1983 As a result own lowest frequencies of longitudinal and cross-section fluctuations of "dry" block TS and парциальных fluctuations of impellent installation of the block have been certain. Updating of settlement dynamic model of a flight of a variant of a rocket is lead.
Dynamic tests of an experimental variant of a booster rocket of "Energia" 4МКС-Д, dry and filled, were spent with the purpose of identification of settlement and experimental dynamic characteristics. The collected rocket on structure was close to a flight, including with the orbital ship. Thus before assembly in a package dynamic tests of blocks And, Ц and the orbital ship in the монтажно-test case were spent. As a result of the lead complex of works dynamic characteristics of a "dry" package in a cross-section direction by pulse excitation of block TS in its{his} nose of a part and harmonious - приборно-modular compartments of blocks have been certain And, a package in cross-section and longitudinal directions by inclusion of two твердотопливных the engines of small draft established{installed} on the block of A.Raboty were spent per 1987 on a universal complex the stand-start and in the assembly case.
Definition of peak-frequency characteristics of a design of unit of installation гиростабилизированной platforms with system of amortization was made in the acoustic chamber. Authentic there were only characteristics in the field of high frequencies. Works were spent during 1985-1990 гг..
Research with great dispatch-pulse нагружений at experimental working off of pyrotechnic means of division of blocks has led to necessity of change of a design of explosive elements of communication centers then influences on the equipment of block TS and blocks And were established{installed} within the limits of norm{rate}.
Traditionally dynamic tests of various breadboard models and natural blocks in which forms and frequencies of fluctuations were defined{determined} were applied to experimental acknowledgement{confirmation} жесткостных characteristics of a rocket as a whole. Comparison of the received results with settlement allowed to judge accuracy of the task жесткостных characteristics. In complex{difficult} belts{zones} of the communications{connections} which are taking place in rockets of the batch scheme{plan}, жесткостные characteristics of frames and therefore belts{zones} of communications{connections} as a whole essentially depend on the form of fluctuations of blocks. Therefore for "Energia" besides dynamic methods of experimental definition жесткостных characteristics were used static жесткостные tests. The developed approach to definition жесткостных characteristics of belts{zones} of communications{connections} has allowed to lead experimental acknowledgement{confirmation} of received results on the basis of static tests of natural objects. The applied technique жесткостных tests has allowed to use technological assembly equipment and to combine tests with separate stages of assembly of a rocket. Жесткостные the tests lead on two natural rockets have confirmed the sizes received on the basis of a developed technique жесткостных characteristics of belts{zones} of communications{connections}. Thus deviations{rejections} of settlement sizes from experimental have made less than 40 % on movings and approximately 20 % on factors of elasticity on linear sites of diagrams.
The history of realization of the program of definition of dynamic characteristics of "Energia" began with decision-making (by analogy with " the Space the Shuttle ") about carrying out of such researches at specially equipped stand, allowing to conduct works with a rocket of the natural sizes. In September, 1976 the decision on the organization of dynamic tests of a complex of "Energia" - "Buran" in conditions of a universal complex the stand-start or " on a separate workplace was accepted "." Owners " the stand-start did not suppose also an idea on carrying out of dynamic tests at themselves, including, that it{he} will be completely loaded огневыми by tests of blocks and booster rockets. Realization of an alternative way - constructions of the stand of dynamic tests - gave rise to a question, capital this construction or time{temporary}. The decision of a question was tightened{delayed}. A part of a problem, the decision of a problem{task} of definition of dynamic characteristics, it has been translated{transferred} on the model executed in scale of M 1:5, that is five times there is less than nature. The model was made in ЦНИИМаше. Believing, that the first start-up - pilotless also that it{he} takes place in 1983, have found{considered} possible{probable} construction of the stand of dynamic tests as capital construction to date for the beginning of piloted flights and occurrence of the further updatings of "Energia", type "Vulkan", first of all. And in absence of the stand before flight of the first samples it was supposed to develop the program of additional experimental and settlement-theoretical works on researches of dynamic properties and durabilities of a design. The program has been developed in May, 1982 Definition of a level of a pulsation and acoustic influence has been decided to spend on model ЭУ-360 in view of their possible{probable} decrease{reduction} due to introduction of water to ground area of a rocket at working engines.
Thus, the lead complex of researches has allowed to draw the conclusion about an opportunity of the beginning of flights of tests. Later, with input of the stand, dynamic tests of a booster rocket in variant ЗД have confirmed full identification of results of definition of dynamic characteristics of flights of rockets and the characteristics certain earlier under this wide program.

Original version of the text

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.