ЕЩЁ РАЗ О «ПИСТОНЕ»

Статья В. Минакова «Секреты нового «пистона», опубликованная в «Моделисте-конструкторе» № 12 за 1994 год, вызвала живой интерес у раКетомоделистов. В ней впервые в доступной популярной форме излагались основные принципы разработки и изготовления газодинамической стартовой установки (ГДУ).Сегодня мы уже можем предложить вниманию ранетомоделистов обобщенные результаты исследований стартов с ГДУ спортсменов из Челябинской области. В материале приведены расчеты динамики разгона моделей ракет массой 230—290 г с двигателями общим импульсом от 20 до 40 Н — с. Авторы впервые исследуют влияние параметров ГДУ на скорость схода модели с установки. А практическая ценность данного материала в том, что результаты объемистых расчетов даются в удобном для применения виде.

К числу основных параметров, влияющих на старт моделей ракет с газодинамической установки (ГДУ), относятся стартовая масса модели, тип двигателя и его характеристики, аэродинамическое сопротивление модели и трубы ГДУ, диаметр поршня ГДУ, начальный задонный (ресиверный) объем, длина разгонного участка, масса трубы ГДУ, сила трения и степень обтюрации в системе «поршень — труба» ГДУ.

Неноторые из перечисленных параметров могут быть «заморожены» в границах реальных номинальных значений, что позволяет существенно сократить множественный перебор вариантов при численном решении многопараметричеснкой задачи динамики старта. К числу «замороженных» параметров мы относим массу подвижной части ГДУ (50 г), силу трения между поршнем и трубой ГДУ (0,5 Н) и степень обтюрации между поршнем и трубой ГДУ (96%).

Расчетная схема конструкции ГДУ приведена на рисунке 1. При выборе ее предполагалось, что усилие трения в паре «двигатель — втулка трубы» близко к нулю (свободная посадка), а отверстия в нижней части трубы обеспечивают свободный дренаж воздуха, что исключает рост давления в буферной полости и возникновение соответствующей тормозящей силы. Расчет выполнен при следующих исходных данных: стартовая масса модели 230, 260 и 290 г, аэродинамическое сопротивление модели эквивалентно оперенному телу вращения длиной 800 мм и диаметром 80 мм, двигатель — МРД-20 или МРД-40 при номинальных расходных характеристиках и температуре 20 градусов С, диаметр поршня Дл = 23,5 мм, длина разгонного пути Lmax = 700 мм, начальный задонный (ресиверный) объем Wо = 7,0 нуб.см. На рисунне 2 приведена расчетная кривая для различных значений стартовой массы модели.

Рис. 1. Расчетная схема конструкции ГДУ.

Рис. 2. Кривая зависимости скорости схода модели от длины разгонного пути.

Рис. 3. Зависимость внутреннего избыточного давления от длины разгонного участка.

Рис. 4. Оптимальная схема распределения толщины стенки по длине трубы с учетом реального избыточного давления в процессе разгона модели.

Рис. 5.Зависимость суммарной силы от текущего времени старта для различных значений диаметра поршня и ресивериого объема.

Рис. 6. Схема трубы ГДУ с рессиверной камерой.

Рис. 7. Зависимость максимальной силы в посадке «двигатель — втулка» от диаметра поршня и ресиверного объема.

Рис. 9. Зависимость оптимального объема ресиверной камеры Wр от диаметра поршня для модели массой 260 г при длине разгонного участка 700 мм.

Определяющим параметром для толщины стенни трубы является величина внутреннего избыточного давления газов, истекающих из ранетного двигателя в полость трубы. Расчетная зависимость изменения внутреннего избыточного давления в трубе в процессе разгона применительно к модели массой 260 г приведена на рисунке 3.

Что касается технологии изготовления, то для повышения долговечности стартовой установни и уменьшения количества сменных труб можно рекомендовать сделать усиление стеклопластиновой трубы подмоткой дополнительных одного-двух слоев стенлотнани толщиной 0,06 — 0,1 мм. Цикл эксплуатации подобного изделия увеличивается в неснольно раз при незначительном снижении скорости схода модели с ГДУ. Для рекордных полетов и ответственных соревнований лучше изготовить оболочку трубы с переменным сечением стенни в соответствии с рисунном 4.

Среди проблем, определяющих эксплуатационную надежность ГДУ, следует выделить обеспечение заданного усилия посадки между двигателем и втулкой трубы. Решение этой проблемы позволяет исключить преждевременное «выпрыгивание» ранеты из втулки при запуске двигателя. При старте модели это усилие должно незначительно превышать по величине модуль максимальной силы, возникающей в паре «модель — труба ГДУ». Действующую в зоне посадки двигателя и втулки силу можно определить по зависимости:

На рисунке 5 в графическом виде приведены результаты расчета силы Р для различных диаметров поршня ГДУ и начальноресиверных объемов по времени разгона. Заметим, что при диаметре поршня 23,5 мм и начальном ресиверном объеме Wo = 7 куб.см максимальная сила, действующая на систему «модель — труба ГДУ», не превышает 10 Н, и поэтому усилие посадки двигателя во втулку трубы может быть небольшим, например 15—20 Н.

На рисунке 6 приведена схема трубы ГДУ с ресиверной камерой. Ее объем Wp определяется диаметрами Dp, Dп и длиной Lр. Площадь дренажных отверстий должна подбираться с учетом обеспечения свободного перетекания газов из задонного объема в ресивер и обратно. С целью оптимизации предлагаемой схемы ГДУ выполнены расчеты динамини старта для различных значений диаметра поршня. Результаты представлены в графическом виде на рисунках 7, 8, 9. Из этих графиков следует, что при отсутствии специальной ресиверной камеры оптимальный диаметр поршня должен быть равен 23,5 мм. При этом на длине разгонного участка пути Lр = 700 мм достигается скорость модели 19,5 м/с. Введение же специальной ресиверной камеры объемом 80 — 90 куб. см и уменьшение диаметра поршня до оптимального значения Dn = 20,5 мм позволят увеличить скорость схода модели до 23,5 м/с.

При разработке ГДУ и выборе типа двигателя необходимо учитывать, что существенное влияние на динамику старта модели оказывает расходная характеристика двигателя. Для ответственных соревнований и рекордных полетов требуется разработать специальный двигатель с особой расходной характеристикой.

В. ИСАЕВ, М. ПОТУПЧИК, А. СЕМЕНОВ, г. М и а с с Челябинской обл.