Some features of calculation on durability of a booster rocket

Booster rocket of "Energia" - a design of the batch scheme{plan}. Communication{connection} between blocks is carried out in two belts{zones}. The top belt{zone} of communications{connections} executed in the form of spherical hinges, perceives three linear power{force} factors. In the bottom belt{zone} of communications{connections} lateral blocks are in pairs connected among themselves and each pair blocks fastens to the central block - only the forces operating{working} in a plane of a belt{zone} of communications{connections} here are perceived, providing free movings of blocks to a direction of its{his} longitudinal axis. Thus the scheme{plan} of fastening of lateral blocks in параблоки, and then параблоков to the central block provides static definability of the bottom belt{zone} of communications{connections}.
The accepted scheme{plan} of power{force} communications{connections} provides also static definability as a whole, in sense of definition of efforts of interaction of blocks in units of communications{connections} of a rocket in flight. It leads to that in flight, in cases of influence on a rocket of a non-uniform field of temperatures, there can be only local sites on which there are temperature pressure{voltage}. As a whole, external additional temperature loadings on blocks or efforts in interblock communications{connections} do not arise.
At ground operation rigid fastening all four blocks to Y.Kreplenie's ground block of each of blocks is carried out is made восемью шпильками and восемью by the locks providing perception{recognition} перерезывающих and longitudinal efforts and the bending moments.
Thus, on this joint it is carried out practically full заделка, that imposes additional communications{connections} on a rocket and does{makes} its{her} statically indefinable. In all cases of operation of a rocket together with the ground block I influence of temperature fields leads to occurrence of additional temperature loadings which principal causes of occurrence are considered{examined} below.
In conditions of "Baikonur" the rocket gathers in a package at an ambient temperature +20 ╟С. Upon termination of assembly it{she} gets in conditions when the temperature can make from +50 up to +40 ╟С. Thus on the general{common} uniform change of temperature of a design of a rocket influence of some the factors causing essential non-uniformity in distribution of temperature fields is imposed.
The following concern to them: cooling or heating of separate elements at refuelling or термостатировании, non-uniformity of refuelling by components of lateral blocks, influence of the Sun and a wind. The variety of these factors leads to various schemes{plans} of occurrence of temperature loadings in interblock communications{connections} and blocks. So, for example, at uniform change of temperature of a design, including and the block I, due to various factors of linear expansion arise a difference of temperature movings of the centers of lateral blocks in two sections, in section of the bottom belt{zone} of communication{connection} and in section on a joint with Y.Pri's block it{this} the tail part of lateral blocks tests a bend and the shift caused by relative displacement of specified sections.
The mismatch of levels of refuelling of lateral blocks or influence of the Sun leads to a difference of axial temperature movings of tops of lateral blocks. It causes turn of section of the top belt{zone} of communication{connection} and, as consequence{investigation}, a bend of the central block and all package.
Sizes of temperature loadings significally depend from жесткостных characteristics of elements of belts{zones} of communications{connections} of blocks. The estimations lead for of some the elementary cases in view of simplified representation жесткостных of characteristics of belts{zones} of communications{connections}, have shown, that sizes of additional temperature loadings in basic compartments of lateral blocks can reach{achieve} 30-40 % from the maximal loadings on these compartments.
Thus, at creation of "Energia" there was a necessity of the decision of a new problem{task} - definitions of loadings in interblock communications{connections} and the is intense-deformed condition of a design at ground operation from action of temperature factors. Its{her} decision has demanded development of a new design procedure жесткостных characteristics of belts{zones} of communications{connections} and an estimation of temperature efforts, and also a new technique of experimental acknowledgement{confirmation} of the received settlement sizes.
The complex{difficult} scheme{plan} and practically any distribution of temperatures on a design of a rocket of "Energia" lead to impossibility of use of analytical methods at the decision of a problem{task} of definition of the is intense-deformed condition of a design. Application of numerical methods at the decision of the specified problem{task} with use оболочечной also does not give settlement model of an opportunity of reception of the decision with comprehensible to carrying out of the analysis by expenses. The decision of a similar problem{task}, even with use of the superelement approach, is represented rather a challenge. Use of such model for numerous calculations with the purpose of the analysis of influence of various constructive elements is especially complex{difficult}.
At the same time problems{tasks} of definition of loadings for a booster rocket of multibank type are solved, as a rule, in балочной to statement with use of a method of initial parameters and a method of final elements.
Results received at it{this} will well be coordinated{agreeed} with experimental data. Considering, that separate blocks of a booster rocket of the rocket scheme{plan} of "Energia" represent оболочечные the designs of the big lengthening practically similar to multibank booster rockets, there is an opportunity of the decision of the problems{tasks} connected with calculation of all package on the basis of балочных of representations. For this reason балочный the approach has found application by development of dynamic schemes{plans}.
In a basis of an experimental research temperature нагружения that concrete temperature modes of a design can be presented as a combination of "individual" settlement cases is necessary, and the temperature loadings corresponding{meeting} the given temperature mode, can be received by summation of temperature loadings from single instances. On the basis of the similar approach the technique of an operative estimation of temperature loadings according to which the special measures on a bench variant of a rocket - 5С has been realized is developed.
Long term of operation of this rocket has provided an opportunity of carrying out of repeated gaugings, and the greater{big} program of works - an opportunity of reception of significant differences of temperatures.
At creation of a measures special actions for increase of accuracy and stability of results on all period of operation have been lead. The received results have proved decisions and the approaches accepted at calculations of temperature loadings, and creation of a measures.
Introduction of the given measures in a combination to the developed technique of an operative estimation of temperature loadings has allowed to provide the control over a level нагружения interblock communications{connections} and basic compartments of lateral blocks on the most dangerous (from the point of view of temperature нагружения) stages of ground operation.

Original version of the text

Некоторые особенности расчета на прочность ракеты-носителя

Ракета-носитель "Энергия" - конструкция пакетной схемы. Связь между блоками осуществляется в двух поясах. Верхний пояс связей, выполненный в виде сферических шарниров, воспринимает три линейных силовых фактора. В нижнем поясе связей боковые блоки попарно связаны между собой и каждая пара блоков крепится к центральному блоку - здесь воспринимаются лишь силы, действующие в плоскости пояса связей, обеспечивая свободные перемещения блоков в направлении его продольной оси. При этом схема крепления боковых блоков в параблоки, а затем параблоков к центральному блоку обеспечивает статическую определимость нижнего пояса связей.
Принятая схема силовых связей обеспечивает и статическую определимость в целом, в смысле определения усилий взаимодействия блоков в узлах связей ракеты в полете. Это приводит к тому, что в полете, в случаях воздействия на ракету неравномерного поля температур, могут появляться лишь локальные участки, на которых возникают температурные напряжения. В целом же, внешних дополнительных температурных нагрузок на блоки либо усилий в межблочных связях не возникает.
При наземной эксплуатации осуществляется жесткое закрепление всех четырех блоков к наземному блоку Я. Крепление каждого из блоков производится восемью шпильками и восемью замками, обеспечивающими восприятие перерезывающих и продольных усилий и изгибающих моментов.
Таким образом, по этому стыку осуществляется практически полная заделка, что накладывает на ракету дополнительные связи и делает ее статически неопределимой. Во всех случаях эксплуатации ракеты совместно с наземным блоком Я воздействие температурных полей приводит к появлению дополнительных температурных нагрузок, основные причины возникновения которых рассмотрены ниже.
В условиях "Байконура" ракета собирается в пакет при температуре окружающей среды +20 ╟С. По окончании сборки она попадает в условия, когда температура может составлять от +50 до +40 ╟С. При этом на общее равномерное изменение температуры конструкции ракеты накладывается влияние ряда факторов, вызывающих существенную неравномерность в распределении температурных полей.
К ним относятся следующие: охлаждение или нагрев отдельных элементов при заправке или термостатировании, неравномерность заправки компонентами боковых блоков, воздействие Солнца и ветра. Многообразие этих факторов приводит к различным схемам возникновения температурных нагрузок в межблочных связях и блоках. Так, например, при равномерном изменении температуры конструкции, включая и блок Я, за счет различных коэффициентов линейного расширения возникает разница температурных перемещений центров боковых блоков в двух сечениях, в сечении нижнего пояса связи и в сечении по стыку с блоком Я. При этом хвостовая часть боковых блоков испытывает изгиб и сдвиг, вызванные относительным смещением указанных сечений.
Рассогласование уровней заправки боковых блоков или воздействие Солнца приводит к разнице осевых температурных перемещений вершин боковых блоков. Это вызывает поворот сечения верхнего пояса связи и, как следствие, изгиб центрального блока и всего пакета.
Величины температурных нагрузок существенным образом зависят от жесткостных характеристик элементов поясов связей блоков. Оценки, проведенные для ряда простейших случаев с учетом упрощенного представления жесткостных характеристик поясов связей, показали, что величины дополнительных температурных нагрузок в опорных отсеках боковых блоков могут достигать 30-40 % от максимальных нагрузок на эти отсеки.
Таким образом, при создании "Энергии" возникла необходимость решения новой задачи - определения нагрузок в межблочных связях и напряженно-деформированного состояния конструкции при наземной эксплуатации от действия температурных факторов. Ее решение потребовало разработки новой методики расчета жесткостных характеристик поясов связей и оценки температурных усилий, а также новой методики экспериментального подтверждения полученных расчетных величин.
Сложная схема и практически произвольное распределение температур по конструкции ракеты "Энергия" приводят к невозможности использования аналитических методов при решении задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкции. Применение численных методов при решении указанной задачи с использованием оболочечной расчетной модели также не дает возможности получения решения с приемлемыми для проведения анализа затратами. Решение подобной задачи, даже с использованием суперэлементного подхода, представляется весьма сложной проблемой. Тем более сложным является использование такой модели для многочисленных расчетов с целью анализа влияния различных конструктивных элементов.
В то же время задачи определения нагрузок для ракеты-носителя многоблочного типа решаются, как правило, в балочной постановке с использованием метода начальных параметров и метода конечных элементов.
Получаемые при этом результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Учитывая, что отдельные блоки ракеты-носителя ракетной схемы "Энергии" представляют собой оболочечные конструкции большого удлинения, практически аналогичные многоблочным ракетам-носителям, существует возможность решения задач, связанных с расчетом всего пакета на основе балочных представлений. Именно поэтому балочный подход нашел применение при разработке динамических схем.
В основу экспериментального исследования температурного нагружения положено то, что конкретные температурные режимы конструкции могут быть представлены как комбинации "единичных" расчетных случаев, а температурные нагрузки, соответствующие данному температурному режиму, могут быть получены суммированием температурных нагрузок от единичных случаев. На основе подобного подхода разработана методика оперативной оценки температурных нагрузок, в соответствии с которой была реализована специальная система измерений на стендовом варианте ракеты - 5С.
Длительный срок эксплуатации этой ракеты обеспечил возможность проведения многократных замеров, а большая программа работ - возможность получения значительных перепадов температур.
При создании системы измерений были проведены специальные мероприятия для повышения точности и стабильности результатов на всем периоде эксплуатации. Полученные результаты подтвердили правильность решений и подходов, принятых при расчетах температурных нагрузок, и создания системы измерений.
Введение данной системы измерений в сочетании с разработанной методикой оперативной оценки температурных нагрузок позволило обеспечить контроль за уровнем нагружения межблочных связей и опорных отсеков боковых блоков на наиболее опасных (с точки зрения температурного нагружения) этапах наземной эксплуатации.