RU2455195C1

RU2455195C1 - Method of decreasing acoustic effects on carrier rocket in launching and device to this end

Info

Publication number: RU2455195C1
Application number: RU2011106999/11A
Authority: RU
Inventors: Валерий Павлович Пикалов (RU); Валерий Павлович Пикалов; Александр Афанасьевич Нарижный (RU); Александр Афанасьевич Нарижный; Владимир Аркадьевич Орлов (RU); Владимир Аркадьевич Орлов
Original assignee: Федеральное казенное предприятие "Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности"
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-07-10

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to launching site equipment. Proposed method consists in creating closed water curtain adjoining carrier rocket aft section and to combustion product jet formed by incident jets pre-directed to carrier rocket axis at an angle. Incident flows of separate jets fall nearby said aft section with partial overlap. Proposed device comprises annular water duct arranged on launch pad, axially symmetric about rocket axis, with water feed branch pipes and channels to feed water on curtain made on water duct top face surface. Sleeve with through hole is secured in every aforesaid channel. Nozzle is secured on every said sleeve that deflect from vertical.

EFFECT: higher efficiency.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию стартовых ракетных комплексов, в частности, предназначенного для защиты ракеты-носителя и полезного груза от акустического воздействия газовой струи ракетных двигателей, а также от теплового воздействия на хвостовой отсек ракеты-носителя ее при старте, и может быть использовано при запуске многоблочных ракет-носителей.The invention relates to the equipment of launch rocket complexes, in particular, intended to protect the launch vehicle and payload from the acoustic effects of the gas stream of rocket engines, as well as from thermal effects on the tail compartment of the launch vehicle at launch, and can be used when launching multi-unit launch vehicles.

Запуск мощных многоблочных ракет космического назначения от момента включения ракетных двигателей до их подъема на высоту ~50…60 м над стартовым столом комплекса сопровождается мощными акустическими воздействиями от истекающих из ракетных двигателей высокоскоростных и высокотемпературных струй продуктов сгорания на ракету-носитель и ее головную часть с полезной нагрузкой, а также тепловым воздействием на нижнюю часть ракеты.The launch of powerful multiblock space rockets from the moment the rocket engines are turned on to their rise to a height of ~ 50 ... 60 m above the launch pad of the complex is accompanied by powerful acoustic impacts from the high-speed and high-temperature jets of combustion products flowing from the rocket engines onto the launch vehicle and its warhead with useful load, as well as thermal effects on the bottom of the rocket.

В связи с этим возникает задача по снижению этих отрицательных воздействий.In this regard, there is a task to reduce these negative impacts.

Известен способ снижения акустического воздействия на ракету-носитель при ее старте, включающий создание замкнутой водяной завесы вокруг хвостового отсека ракеты-носителя и струи продуктов сгорания [см. патент РФ №2320883, МПК F02K 1/34, А62С 2/08, B64G 5/00, 2006]. Кроме этого подачу воды осуществляют вверх и вниз параллельно ракете-носителю и газовой струе в виде водяной пелены замкнутой кольцевой формы.A known method of reducing the acoustic impact on a launch vehicle at its launch, including the creation of a closed water curtain around the tail section of the launch vehicle and the jet of combustion products [see RF patent No. 2320883, IPC F02K 1/34, A62C 2/08, B64G 5/00, 2006]. In addition, water is supplied up and down parallel to the launch vehicle and the gas stream in the form of a water ring of a closed annular shape.

Многоблочные ракеты-носители, типа «Союз», устанавливаются на стартовом столе таким образом, что хвостовая часть ракеты-носителя размещается в огневом проеме стартового стола стартового комплекса с радиальным зазором, при этом огневой проем имеет диаметр, существенно больший, чем поперечный размер ракеты-носителя. Это делается для того, чтобы при отходе ракеты-носителя от стартового сооружения расширяющиеся струи продуктов сгорания не повреждали стартовое сооружение.Multi-block launch vehicles, such as Soyuz, are installed on the launch pad in such a way that the tail of the launch rocket is placed in the fire opening of the launch pad of the launch complex with a radial clearance, while the fire opening has a diameter significantly larger than the transverse size of the rocket - carrier. This is done so that when the launch vehicle moves away from the launch pad, the expanding jets of combustion products do not damage the launch pad.

Недостаток известного способа снижения акустического воздействия на ракету-носитель при ее старте заключается в том, что он фактически обеспечивает только защиту оборудования, установленного на стартовом столе, и элементов стартового сооружения, и находящегося за водяными завесами. Это связано с тем, что между хвостовой частью ракеты-носителя с истекающими струями продуктов сгорания и вертикальной (вверх и вниз) водяной завесой образуется радиальный зазор. При этом величина зазора переменная и определяется разницей между диаметром вертикальной водяной завесы и габаритами и конфигурацией боковых блоков ракеты-носителя. Наличие этого зазора приводит к тому, что акустическое излучение, которое создается работающими двигателями, распространяется вдоль ракеты без ослабления и оказывает интенсивное воздействие как на саму ракету-носитель, так и на ее головную часть с полезной нагрузкой, что может привести к выходу из строя находящегося в них оборудования.A disadvantage of the known method of reducing the acoustic impact on the launch vehicle at its launch is that it actually provides only protection for the equipment installed on the launch pad, and the elements of the launch structure, and located behind the water curtains. This is due to the fact that a radial clearance is formed between the tail of the launch vehicle with flowing jets of combustion products and a vertical (up and down) water curtain. The gap is variable and is determined by the difference between the diameter of the vertical water curtain and the dimensions and configuration of the side blocks of the launch vehicle. The presence of this gap leads to the fact that the acoustic radiation generated by running engines propagates along the rocket without attenuation and has an intense effect both on the launch vehicle itself and on its warhead with a payload, which can lead to the failure of the equipment in them.

Известно устройство для снижения акустического воздействия на ракету-носитель при ее старте, содержащее размещенный на стартовом столе осесимметрично относительно оси ракеты-носителя кольцевой водовод с патрубками подвода воды и каналами для подачи воды на завесу, выполненными на верхней торцевой поверхности кольцевого водовода [см. патент РФ №2320884, МПК F02K 1/34, А62С 2/08, B64G 5/00, 2006].A device is known to reduce the acoustic effect on a launch vehicle at its launch, comprising an annular water conduit located on the launch pad axisymmetrically relative to the axis of the launch vehicle with water supply pipes and channels for supplying water to the curtain made on the upper end surface of the annular water conduit [see RF patent No. 2320884, IPC F02K 1/34, A62C 2/08, B64G 5/00, 2006].

Перед запуском двигателей ракеты-носителя подают воду под давлением в кольцевой водовод, из которого вода из щелей, выполненных в верхнем и нижнем торцах водовода, в виде сплошных замкнутых кольцевых завес соответственно поднимается вверх и сливается вниз относительно хвостовой части ракеты-носителя и струй продуктов сгорания из ее двигателей. Полость же между боковой поверхностью струй продуктов сгорания и внутренней боковой поверхностью полой цилиндрической водяной завесы заполнена только атмосферным воздухом, который, как известно, хорошо проводит как акустическое, так и тепловое излучение. В связи с этим использование известного устройства не может обеспечить эффективной защиты полезной нагрузки и ракеты-носителя от акустического воздействия и хвостового отсека от теплового воздействия.Before starting the launch vehicle engines, pressurized water is supplied to the annular water conduit, from which the water from the slots made in the upper and lower ends of the water conduit, in the form of continuous closed annular curtains, rises upward and merges downward relative to the tail of the carrier rocket and jets of combustion products from her engines. The cavity between the side surface of the jets of combustion products and the inner side surface of the hollow cylindrical water curtain is filled only with atmospheric air, which, as you know, conducts well both acoustic and thermal radiation. In this regard, the use of the known device cannot provide effective protection for the payload and the launch vehicle from acoustic impact and the tail section from heat.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа организации водяной завесы и реализующего его устройства, обеспечивающих повышение эффективности защиты головной части с полезной нагрузкой и собственно ракеты-носителя от акустического воздействия, а также от теплового воздействия стартового сооружения и нижней части ракеты-носителя в момент старта и при отходе ракеты от стартового стола.The technical problem solved by the invention is to develop a method of organizing a water curtain and implementing its device, providing increased efficiency of protecting the warhead with the payload and the launch vehicle itself from acoustic impact, as well as from the thermal effect of the launch structure and the lower part of the launch vehicle in start time and when the rocket moves away from the launch pad.

Это достигается тем, что в способе снижения акустического воздействия на ракету-носитель при ее старте, включающем создание замкнутой водяной завесы вокруг хвостового отсека ракеты-носителя и струи продуктов сгорания, согласно изобретению создают замкнутую водяную завесу, прилегающую к хвостовому отсеку ракеты-носителя и струе продуктов сгорания, которую формируют нисходящие потоки падающих струй, предварительно направленных вверх под углом к оси ракеты-носителя, при этом нисходящие потоки от отдельных струй падают у хвостового отсека с частичным перекрытием, при этом замкнутую водяную завесу создают в виде капельной пелены.This is achieved by the fact that in the method of reducing the acoustic effect on the launch vehicle during its start-up, including the creation of a closed water curtain around the tail section of the launch vehicle and the jet of combustion products, according to the invention, a closed water curtain adjacent to the tail section of the launch vehicle and stream is created combustion products, which are formed by downward flows of incident jets, previously directed upward at an angle to the axis of the launch vehicle, while downward flows from individual jets fall at the tail section and partially overlap, thus creating a closed water curtain in the form of a dropping shroud.

Это достигается тем, что в устройстве для снижения акустического воздействия на ракету-носитель при ее старте, содержащем размещенный на стартовом столе осесимметрично относительно оси ракеты-носителя кольцевой водовод с патрубками подвода воды и каналами для подачи воды на завесу, выполненными на верхней торцевой поверхности кольцевого водовода, на каждом канале, выполненном на верхней торцевой поверхности кольцевого водовода, закреплена втулка со сквозным отверстием, при этом на каждой втулке закреплен насадок с возможностью изменения его углового положения относительно вертикали.This is achieved by the fact that in the device for reducing the acoustic effect on the launch vehicle at its launch, which contains an annular water conduit located on the launch pad axisymmetrically relative to the axis of the launch vehicle with water supply pipes and channels for supplying water to the curtain, made on the upper end surface of the annular the conduit, on each channel, made on the upper end surface of the annular conduit, a sleeve with a through hole is fixed, while on each sleeve there are fixed nozzles with the possibility of changing Nia its angular position relative to the vertical.

При этом втулки и насадки соединены шаровыми шарнирами, а в каждом насадке установлен запорный орган, а на выходе - съемная заглушка.In this case, the bushings and nozzles are connected by ball joints, and a shut-off element is installed in each nozzle, and a removable plug is installed at the output.

На фиг.1 изображено в поперечном разрезе устройство, реализующее предложенный способ снижения акустического воздействия на ракету-носитель при ее старте, на фиг.2 - поперечное сечение втулки с насадком для создания струи воды в увеличенном масштабе, а на фиг.3 - вид А фиг.1.Figure 1 shows a cross section of a device that implements the proposed method of reducing the acoustic impact on a launch vehicle at its launch, figure 2 is a cross section of a sleeve with a nozzle to create a jet of water on an enlarged scale, and figure 3 is a view A figure 1.

Устройство для снижения акустического воздействия на ракету-носитель закреплено на стартовом сооружении 1 и содержит кольцевой водовод 2 с выполненными на его верхней торцевой поверхности 3 каналами 4, закрепленный на стартовом сооружении 1 соосно с многоблочной ракетой-носителем 5. На каждом канале 4 соосно и герметично закреплены втулки 6 со сквозными осевыми каналами 7. Ракета-носитель 5 установлена в огневом проеме 8 стартового сооружения 1 соосно и с радиальным зазором. Во втулках 6 закреплены с помощью шаровых шарниров 9 и накидных гаек 10 полые насадки 11. Шаровые шарниры 9 и накидные гайки 11 обеспечивают изменение углового положения насадков 11 относительно вертикали. В насадках 11 установлены запорные органы 12, а на их концах - съемные заглушки 13. Вода в кольцевой водовод 2 подается через патрубки 14.A device to reduce the acoustic impact on the launch vehicle is mounted on the launch site 1 and contains an annular water conduit 2 with channels 4 made on its upper end surface 3, mounted on the launch structure 1 coaxially with the multi-block launch vehicle 5. On each channel 4, coaxially and hermetically fixed sleeves 6 with through axial channels 7. Launch vehicle 5 is installed in the fire opening 8 of the launch structure 1 coaxially and with a radial clearance. The hollow nozzles 11 are fixed in the bushings 6 by means of ball joints 9 and union nuts 10. The ball joints 9 and union nuts 11 provide a change in the angular position of the nozzles 11 relative to the vertical. Locking bodies 12 are installed in nozzles 11, and removable plugs 13 are installed at their ends. Water is supplied to annular conduit 2 through nozzles 14.

Способ снижения акустического воздействия на ракету-носитель при ее старте реализуется следующим образом.A method of reducing the acoustic impact on the launch vehicle at its launch is implemented as follows.

После установки в огневом проеме 8 стартового сооружения 1 ракеты-носителя 5 в период проведения подготовительных операций к ее запуску производят подготовку системы создания водяной завесы. Для этого проверяют закрытие запорных органов 12 на всех насадках 11 (предварительно насадки 11 устанавливают вертикально) и снимают заглушки 13, после чего в кольцевой водовод 2 подают воду под рабочим давлением. После этого на первом насадке 11 открывают запорный орган 12 и вода, расширяясь, истекает вверх параллельно ракете-носителю 5. Известно, что истекающая под давлением из цилиндрической трубы струя воды при взаимодействии с атмосферным воздухом распадается на отдельные капли, образуя пучок капель с углом конусности ~ 6 градусов. После достижения зенита струя капель под действием силы тяжести, исчерпав запасенную энергию, начинает падать вниз в зазор между ракетой-носителем 5 и стенками огневого проема 8, продолжая расширяться с тем же углом конусности. Используя шаровой шарнир 9 насадка 11 и ослабляя гайку 10, наклоняют насадок 11 в направлении вершины ракеты-носителя 5 таким образом, чтобы нисходящая часть 15 пучка капель воды струи 16 вплотную прилегала к боковой поверхности хвостового отсека ракеты-носителя 5, после этого гайку 10 затягивают. Не закрывая запорный орган 12, на уже настроенном первом насадке 11, открывают запорный орган 12 на втором насадке 11, при этом струя воды из него истекает вверх. Достигнув зенита, струя воды распадается на капли и падает расширяющимся пучком вниз. При этом регулируют положение второго насадка 11 во втулке 6 таким образом, чтобы падающий пучок капель из второго насадка 11 прилегал к боковой поверхности хвостового отсека ракеты-носителя 5 и частично перекрывал соседний пучок капель воды от первого насадка 11. После этого на первом, ранее настроенном, насадке 11 закрывают запорный орган 12 и ставят заглушку 13. Затем приступают к настройке третьего насадка 11 при работающем втором насадке 11. Аналогично осуществляют настройку всех насадков 11 на кольцевом водоводе 2. После настройки всех насадков 11 отключают подачу воды в водовод 2 (запорные органы 12 на всех насадках 11 открыты и установлены заглушки 13).After the launch structure 1 of the launch vehicle 5 is installed in the fire opening 8 during the preparatory operations for its launch, a system for creating a water curtain is prepared. To do this, check the closure of the locking elements 12 on all nozzles 11 (previously nozzles 11 are installed vertically) and the plugs 13 are removed, after which water is supplied to the annular conduit 2 under operating pressure. After that, the closure 12 is opened on the first nozzle 11 and the water, expanding, flows upward parallel to the launch vehicle 5. It is known that a stream of water flowing out under pressure from a cylindrical tube when interacting with atmospheric air breaks up into individual drops, forming a bunch of drops with a taper angle ~ 6 degrees. After reaching the zenith, the stream of drops under the action of gravity, having exhausted the stored energy, begins to fall down into the gap between the launch vehicle 5 and the walls of the fire opening 8, continuing to expand with the same taper angle. Using the ball joint 9 of the nozzle 11 and loosening the nut 10, tilt the nozzles 11 in the direction of the top of the launch vehicle 5 so that the descending part 15 of the beam of water droplets of the jet 16 is adjacent to the side surface of the tail section of the launch vehicle 5, after which the nut 10 is tightened . Without closing the locking element 12, on the already configured first nozzle 11, open the locking element 12 on the second nozzle 11, while the jet of water flows out of it up. Having reached its zenith, the jet of water breaks up into droplets and falls down in an expanding beam. In this case, the position of the second nozzle 11 in the sleeve 6 is adjusted so that the incident beam of drops from the second nozzle 11 is adjacent to the lateral surface of the tail section of the launch vehicle 5 and partially overlaps the adjacent beam of water drops from the first nozzle 11. After that, on the first, previously configured , the nozzle 11 close the shut-off element 12 and put the plug 13. Then proceed with the adjustment of the third nozzle 11 with the second nozzle 11 working. Similarly, all nozzles 11 on the ring conduit 2 are adjusted. After setting all nozzles 11 cut off the water supply to conduit 2 (locking bodies 12 on all nozzles 11 are open and mounted stub 13).

Перед пуском ракеты-носителя 5 снимают заглушки 13 с насадков 11. Непосредственно перед стартом в водовод 2 подают под давлением воду, которая истекает из насадков 11 вверх в направлении вершины ракеты-носителя 5 в виде расширяющихся струй, которые после прохождения своего зенита разворачиваются и падают вниз в виде расширяющихся пучков капель воды. Поскольку все насадки 11 были заранее настроены таким образом, чтобы падающие расширяющиеся пучки капель воды частично перекрывали друг друга в нижней части ракеты-носителя 5 и прилегали к боковой поверхности хвостового отсека ракеты-носителя 5 по всему ее периметру, образованная из капель сплошная замкнутая завеса по конфигурации соответствует конфигурации поперечного сечения наружной поверхности ракеты в ее нижней части. После запуска двигателей ракеты-носителя продукты сгорания создают мощное акустическое излучение. За счет того, что водяная завеса прилегает к боковой поверхности хвостового отсека ракеты-носителя 5 вплотную по всему ее периметру, струя продуктов сгорания и образующееся мощное акустическое излучение становятся изолированными сверху и сбоку кольцевой водяной завесой. Поэтому акустическое воздействие высокотемпературных струй продуктов сгорания поглощается кольцевой пеленой капель, препятствуя его распространению вверх вдоль ракеты-носителя 5 к головной части. Кроме того при запуске ракеты-носителя 5 и до подъема ее на высоту нескольких десятков метров пелена капель 15 под эжектирующим воздействием струй продуктов сгорания прижимается к боковой поверхности ракеты-носителя и струям, создавая на периферии струй поверхность, насыщенную водой. Этим самым не только эффективно уменьшается акустическое воздействие струй продуктов сгорания на ракету-носитель, но также тепловое воздействие на хвостовой отсек ракеты-носителя.Before starting the launch vehicle 5, the plugs 13 are removed from the nozzles 11. Immediately before the start, water is supplied under pressure 2 to the water conduit 2, which flows upward from the nozzles 11 towards the top of the launch vehicle 5 in the form of expanding jets, which, after passing through their zenith, unfold and fall down in the form of expanding bunches of drops of water. Since all nozzles 11 were pre-configured so that the incident expanding beams of water droplets partially overlapped each other in the lower part of the launch vehicle 5 and were adjacent to the lateral surface of the tail section of the launch vehicle 5 along its entire perimeter, a continuous closed curtain formed from drops configuration corresponds to the configuration of the cross section of the outer surface of the rocket in its lower part. After the launch of the launch vehicle engines, the combustion products generate powerful acoustic radiation. Due to the fact that the water curtain is adjacent to the lateral surface of the tail section of the launch vehicle 5 right around its entire perimeter, the stream of combustion products and the resulting powerful acoustic radiation become isolated from above and from the side by an annular water curtain. Therefore, the acoustic effect of high-temperature jets of combustion products is absorbed by an annular veil of droplets, preventing it from spreading upward along the launch vehicle 5 to the warhead. In addition, when launching the launch vehicle 5 and before lifting it to a height of several tens of meters, the veil of drops 15 under the ejection effect of the jets of combustion products is pressed against the side surface of the launch vehicle and the jets, creating a surface saturated with water on the periphery of the jets. This thereby not only effectively reduces the acoustic effect of the jets of combustion products on the launch vehicle, but also the thermal effect on the tail section of the launch vehicle.

При запуске с рассматриваемого стартового сооружения следующей ракеты с другой конфигурацией (например, с другим количеством боковых блоков) все насадки 11 снова настраивают таким образом, чтобы ниспадающие участки истекающих из них струй образовали вокруг нижней части ракеты сплошную пелену капель с конфигурацией, соответствующей конфигурации наружной поверхности нижней части этой ракеты.When starting the next rocket with a different configuration (for example, with a different number of side blocks) from the launching facility under consideration, all nozzles 11 are again tuned so that the falling sections of the jets flowing from them form a continuous veil of droplets around the bottom of the rocket with the configuration corresponding to the configuration of the outer surface bottom of this rocket.

Приводим пример оценочного расчета параметров струи подаваемой воды.We give an example of the estimated calculation of the parameters of the jet of supplied water.

Угол наклона водяной струи к вертикали составляет 10 градусов. Диаметр струи воды, истекающей из насадка, составляет 30 мм и вода подается под давлением 0,8 МПа. Для этих условий диаметр пучка капель падающей струи в плоскости кольцевого водовода составит примерно 4 м, а высота струи ~20 м. Расход воды при этом составит примерно 23 кг/с. Расчет выполнен по зависимостям, приведенным в работе А.И.Богомолов, К.А.Михайлов. Гидравлика. Стройиздат, М., 1972 г. Стр.161.The angle of the water jet to the vertical is 10 degrees. The diameter of the jet of water flowing out of the nozzle is 30 mm and water is supplied under a pressure of 0.8 MPa. For these conditions, the diameter of the beam of droplets of the incident jet in the plane of the annular conduit will be approximately 4 m, and the height of the jet ~ 20 m. The flow rate of water will be approximately 23 kg / s. The calculation was performed according to the dependencies given in the work of A.I. Bogomolov, K.A. Mikhailov. Hydraulics. Stroyizdat, M., 1972, p. 161.

Таким образом, предложенные способ снижения акустического воздействия на ракету-носитель и реализующее его устройство позволяют эффективно снизить акустическое воздействие струй продуктов сгорания на полезную нагрузку, на ракету в целом, а также тепловое воздействие на хвостовой отсек при старте ракеты-носителя.Thus, the proposed method of reducing the acoustic effect on the launch vehicle and its implementing device can effectively reduce the acoustic effect of the jets of combustion products on the payload, on the rocket as a whole, as well as the thermal effect on the tail section at the launch of the launch vehicle.

Claims

1. A method of reducing the acoustic effect on a launch vehicle at its launch, including the creation of a closed water curtain around the tail section of the launch vehicle and the jet of combustion products, characterized in that they create a closed water curtain adjacent to the tail section of the launch vehicle and to the product stream combustion, which is formed by downward flows of incident jets previously directed upward at an angle to the axis of the launch vehicle, while downward flows from individual jets fall at the tail section with a partial overlap eat.

2. The method according to claim 1, characterized in that the closed water curtain is created in the form of a droplet shroud.

3. A device for reducing the acoustic effect on a launch vehicle at its launch, comprising an annular water conduit located on the launch pad axisymmetrically relative to the axis of the launch vehicle with water supply pipes and channels for supplying water to the curtain made on the upper end surface of the annular water conduit, characterized in that on each channel made on the upper end surface of the annular conduit, a sleeve with a through hole is fixed, while on each sleeve the nozzles are fixed with the possibility of changing I have its angular position relative to the vertical.

4. The device according to claim 3, characterized in that the bushings and nozzles are connected by ball joints.

5. The device according to claim 3, characterized in that a shut-off element is installed in each nozzle, and a removable plug is installed at the output.