WWW.DOC.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные документы
 

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«КОСМОНАВТИКА И РАКЕТОСТРОЕНИЕ 4 (77) 2014 Ц ИИМАШ ISSN 1994 – 3210 Индекс 20859 ( «Роспечать») TSNIIMASH 4 (77) В следующем выпуске журнала будут опубликованы статьи, посвящённые вопросам ...»

-- [ Страница 3 ] --

В качестве эквивалентного напряжения, фигурирующего в уравнении Вёллера, а также в уравнениях указанных критериев эквивалентности, используется одна из двух форм второго инварианта напряжений, представляемых в виде интенсивности и квазиинтенсивности напряжений [3]. Из критериев Гудмана и Одинга следуют выражения для получения амплитуд симметричных циклов напряжений, эквивалентных по повреждаемости асимметричным циклам.

Расчёты циклического нагружения и оценка остаточного ресурса корпусов модулей РС проводятся применительно к критическим по ресурсу зонам их конструкций. Критическими зонами корпусов функционально-грузового блока (ФГБ) «Заря»

и служебного модуля (СМ) «Звезда» являются концевые их участки, прилегающие к стыковочным интерфейсам ФГБ и СМ. Такими участками корпуса ФГБ являются герметичный адаптер и приборно-герметичный отсек 2, а корпуса СМ – переходный отсек и промежуточная камера.

Расчёты ресурсов конструкций стыковочного отсека 1 (СО-1) «Пирс», малого исследовательского модуля 1 (МИМ-1) «Рассвет» и малого исследовательского модуля 2 (МИМ-2) «Поиск» проводятся применительно к целым корпусам этих модулей.

В рамках настоящей методики расчёты спектров циклического нагружения основываются на сочетании традиционного построения спектров внутренних силовых факторов и перехода от них к спектрам напряжений. Это даёт возможность проведения анализа цикличности как по силовым факторам, так и на уровне напряжённых состояний.

ФОРМИРОВАНИЕ РАСЧЁТНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МКС,



СООТВЕТСТВУЮЩИХ КОНФИГУРАЦИЯМ СТАНЦИИ И РЕЖИМАМ

ОРБИТАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ПРЕДЫДУЩЕМ ПОЛЁТНОМ ПЕРИОДЕ

Исходя из хронологического перечня основных динамических и монтажных операций (стыковок, расстыковок с МКС, пристыковок к ней транспортных кораблей и модулей), выполненных за пройденный период орбитального строительства и эксплуатации МКС, определяются составы орбитальных конфигураций (сборок) станции и последовательность их реализации в этот период. Проводится формирование расчётных динамических моделей сборочных конфигураций МКС, образованных в указанный период орбитальной эксплуатации станции.

ФОРМИРОВАНИЕ ДАННЫХ О СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

НА КОНСТРУКЦИЮ СТАНЦИИ ПРИ ВСЕХ ДИНАМИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ

И РЕЖИМАХ В ЗАДАННЫЙ ПЕРИОД ОРБИТАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

При формировании данных в первую очередь составляется хронологический перечень стыковочных операций и режимов управления в рассматриваемый период орбитальной эксплуатации МКС, устанавливается соответствие всех полётных режимов конфигурациям станции.

Определяются фактические силовые контактные функции по проведённым стыковкам транспортных кораблей «Союз», «Прогресс», «Спейс шаттл» и ATV (Automated Transfer Vehicle), а также по стыковкам автономно управляемых модулей – СМ, МЛМ (многоцелевой лабораторный модуль).

На основе фактических циклограмм работы двигателей РС и ATV в рассматриваемый период орбитальной эксплуатации МКС определяются силовые функции управления, описывающие воздействия исполнительных органов системы управления движением и навигации МКС в режимах управления ориентацией и коррекций орбиты станции.

РАСЧЁТЫ ВРЕМЕННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВНУТРЕННИХ СИЛОВЫХ

ФАКТОРОВ В ГРАНИЧНЫХ ИНТЕРФЕЙСАХ КРИТИЧЕСКИХ ПО РЕСУРСУ





ЗОН МОДУЛЕЙ РС

С использованием сформированных расчётных динамических моделей станции на основе метода выделения квазистатических составляющих [4] проводятся расчёты в частотном диапазоне до 10 Гц временных зависимостей внутренних силовых факторов – трёх усилий Qx(t), Qy(t), Qz(t), трёх моментов Mx(t), My(t), Mz(t), а также суммарного по осям y, z поперечного усилия Qs(t) и суммарного изгибающего момента Mb(t) применительно к каждому граничному интерфейсу критических зон корпусов модулей РС при каждом динамическом режиме. (Например, расчёты внутренних силовых факторов зоны переходного отсека СМ проводятся применительно к четырём её граничным интерфейсам – трём стыковочным и в сечении соединения переходного отсека с остальной частью корпуса СМ.)

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СПЕКТРОВ ИНТЕРФЕЙСНЫХ

СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ КРИТИЧЕСКИХ ЗОН

По найденным при каждом динамическом режиме временным зависимостям интерфейсных силовых факторов проводится формирование их эксплуатационных спектров. Расчёты спектров выполняются с применением метода «полных циклов», либо метода «стока дождя», либо метода «максимумов». Спектры формируются по относительной шкале циклического нагружения, верхняя граница которой соответствует максимальным значениям силовых факторов в данном режиме.

Применительно к каждой критической зоне при каждом динамическом режиме проводится формирование синхронизированной амплитудной комбинации интерфейсных силовых факторов с использованием уравнения Вёллера на базе спектра доминирующего интерфейсного силового фактора, в качестве которого выбирается суммарный изгибающий момент Mb в одном из Nintrf граничных интерфейсов данной критической зоны. При этом амплитуды силовых факторов Fxi, Fyi, Fzi, Mxi, Myi, Mzi (i = 1,…,Nintrf), входящих в указанную комбинацию, определяются по величинам циклических повреждённостей, полученным на основе исходных амплитуд и спектров этих силовых факторов.

ФОРМИРОВАНИЕ ДЕТАЛИЗИРОВАННЫХ РАСЧЁТНЫХ МОДЕЛЕЙ

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕНЗОРНЫХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ В КРИТИЧЕСКИХ

ЗОНАХ МОДУЛЕЙ РС

Для определения возникающих в результате действия интерфейсных силовых факторов напряжённых состояний в критических зонах РС проводится формирование автономных детализированных (оболочечных) конечно-элементных расчётных моделей этих зон.

С использованием таких моделей проводятся расчёты тензорных полей напряжений на множестве пластиночных элементов каждой зоны, обусловленных действием единичных силовых факторов Fxi, Fyi, Fzi, Mxi, Myi, Mzi (i = 1,…,Nintrf) в граничных интерфейсах зон и единичного избыточного внутреннего давления (p = 1 ати) в гермообъёмах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШКАЛЫ АМПЛИТУДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ,

СООТВЕТСТВУЮЩЕЙ АБСОЛЮТНОЙ ФИКСИРОВАННОЙ ШКАЛЕ

ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Применительно к каждой критической зоне вводится в рассмотрение расчётная эквивалентная циклическая нагрузка с варьируемой величиной амплитуды, к шкале которой на уровне напряжений будут приводиться спектры синхронизированных комбинаций полётных интерфейсных силовых факторов и по которой формируется единый спектр полётного циклического нагружения.

В качестве эквивалентной циклической нагрузки корпусов модулей СМ и ФГБ принимается циклический изгибающий момент в плоскости тангажа с варьируемой величиной амплитуды при постоянном избыточном давлении p = 1 ати в гермообъёме.

На основе результатов мониторинга фактических динамических нагрузок в критических зонах конструкции РС за прошедший период орбитальной эксплуатации, а также анализа уровней нагружения при основных типах динамических операций и режимов принята следующая фиксированная шкала абсолютных амплитудных подуровней эквивалентной циклической нагрузки (изгибающих моментов в осевых интерфейсах модулей): 0,050; 0,100; 0,150; 0,250; 0,350; 0,500; 0,750; 1,000;

1,250; 1,500; 1,750; 2,000; 2,250; 2,500; 2,750; 3,000; 3,250; 3,500; 3,750; 4,000 тс·м (при постоянных избыточных давлениях в гермообъёмах модулей).

Применительно к принятой абсолютной фиксированной шкале эквивалентной циклической нагрузки с учётом постоянного давления согласно критериям Гудмана и Одинга проводится расчёт шкалы симметризованных амплитудных подуровней интенсивности (квазиинтенсивности) напряжений. В соответствие с этой шкалой должны приводиться полётные спектры циклического нагружения во всех пластиночных элементах данной критической зоны при всех динамических режимах.

ЦИКЛИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА ПРИВЕДЕНИЯ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ЦИКЛЫ

НАПРЯЖЕНИЙ Относительно каждой критической зоны определяется циклическая нагрузка приведения, представляющая собой эквивалентную циклическую нагрузку при амплитуде, соответствующей основному уровню испытательного циклического нагружения.

В качестве циклических нагрузок приведения применительно к критическим зонам модулей СМ и ФГБ принимаются изгибающие моменты Mz с амплитудой 2 тс·м в плоскости тангажа, приложенные со стороны осевых интерфейсов модулей (при заделке корпусных интерфейсов указанных критических зон), при постоянном давлении 1 ати в гермообъёмах модулей; корпуса СО-1 – изгибающий момент Mz с амплитудой 1,5 тс·м, приложенный со стороны заднего интерфейса модуля (при заделке переднего интерфейса), при постоянном давлении 0,7 ати в гермообъёме.

Применительно к каждому пластиночному элементу данной критической зоны с использованием критериев Гудмана и Одинга проводится расчёт симметризованной интенсивности и квазиинтенсивности амплитуды возникающих в результате действия циклической нагрузки приведения напряжений (при испытательных граничных условиях).

Определённое на множестве пластиночных элементов данной зоны максимальное значение симметризованной интенсивности (квазиинтенсивности) амплитуды напряжений принимается в качестве амплитуды эквивалентного симметризованного цикла возникающих при заданной нагрузке приведения напряжений, к которой должны приводиться все полётные и испытательные спектры напряжений, а циклы напряжений с этой амплитудой называются эквивалентными циклами напряжений в данной критической зоне.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЁТНЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СПЕКТРОВ ЦИКЛИЧЕСКИХ

НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ И РЕЖИМАХ

С использованием программного обеспечения [5, 6] применительно к каждой критической зоне при каждом полётном динамическом режиме проводится следующий комплексный расчёт.

Через суперпозицию тензорных полей напряжений, возникающих в результате всех переменных нагрузок, которые входят в синхронизированную комбинацию интерфейсных силовых факторов, определяется поле амплитудных напряжений от указанной комбинации нагрузок.

На основе полученного поля напряжений формируется шкала амплитудных подуровней напряжений, соответствующая относительной шкале базового эксплуатационного спектра синхронизированной комбинации интерфейсных силовых факторов в этом режиме.

С учётом средней интенсивности (квазиинтенсивности) напряжений от постоянного избыточного давления с использованием критериев Гудмана и Одинга проводится операция симметризации полётной шкалы напряжений, сформированной применительно к каждому пластиночному элементу.

Таким образом, на основе базового эксплуатационного спектра определяется в каждом пластиночном элементе симметризованный спектр интенсивностей (квазиинтенсивностей) амплитуд натуральных циклов напряжений, соответствующий относительной шкале циклического нагружения в данном режиме.

Далее в отношении каждого пластиночного элемента в условиях данного режима проводится переформирование спектра натуральных циклов напряжений, полученного по относительной шкале нагружения в этом режиме, в соответствии с единой для всех элементов и для всех режимов симметризованной шкалой напряжений путём пересчёта (с использованием уравнения кривой усталости) количеств натуральных циклов из подуровней относительной шкалы напряжений в данном режиме на подуровни единой шкалы.

На основе натурального симметризованного полётного спектра, полученного в каждом пластиночном элементе при данном динамическом режиме, путём пересчёта по уравнению кривой усталости формируется унифицированный эквивалентный спектр, т.е. спектр эквивалентных циклов нагрузки приведения по единой шкале напряжений.

ПОЛУЧЕНИЕ СУММАРНЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ

В ЗАДАННЫЙ ПЕРИОД ОРБИТАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Путём сложения эквивалентных спектральных полей, полученных при всех динамических режимах в заданный период орбитальной эксплуатации, определяются суммарное эксплуатационное эквивалентное спектральное поле, а также эксплуатационное поле суммарных по всем спектральным подуровням количеств эквивалентных циклов в данной критической зоне в указанный период эксплуатации.

Путём умножения полученного суммарного эксплуатационного эквивалентного спектрального поля на установленный Нормами ресурсной прочности РС МКС коэффициент безопасности на фактическое число циклов нагружения определяются суммарное расчётное эквивалентное спектральное поле, а также расчётное поле суммарных по всем спектральным подуровням количеств эквивалентных циклов, характеризующее накопленный текущий уровень полётной циклической повреждённости в данной критической зоне конструкции РС в рассматриваемый период орбитальной эксплуатации МКС.

Л И Т Е РАТ У РА

1. О д и н г И. А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1962, с. 102 – 106.

2. В о р о б ь е в А. З., О л ь к и н Б. И., С т е б е н е в В. Н. и д р. Сопротивление усталости элементов конструкций. М.: Машиностроение, 1990, с. 39 – 40.

3. J o s h i S. R., S h e w c h u k J. Fatigue-crack Propagation in a Biaxial-stress Field. – Experimental Mechanics, December 1970, pр. 529 – 533.

4. А н и с и м о в А. В., В ы л о м о в В. Н., З а б у д к и н В. В. и д р. Методика расчёта динамических нагрузок на сложные ракетные конструкции с выделением квазистатических составляющих. – Космонавтика и ракетостроение, 1995, вып. 4, с. 95 – 107.

5. Программное обеспечение для расчёта спектров циклического нагружения конструкции российского сегмента МКС при динамических воздействиях в условиях орбитального полёта. Свидетельство о государственной регистрации № 2010614110 от 23.06.2010.

6. Программное обеспечение для расчётного определения фактических спектров циклического нагружения и текущего остаточного прочностного ресурса конструкции российского сегмента МКС при динамических режимах в процессе строительства и лётной эксплуатации орбитальной станции. Свидетельство о государственной регистрации № 2011616063 от 03.08.2011.

УДК 517.962.2:534.113.014.2:539.3-222

ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОТКЛИК УПРУГОЙ СИСТЕМЫ

С КОНЕЧНЫМ ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ:

ТОЧНЫЕ ФОРМУЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ РАСЧЁТАХ

Докт. техн. наук Ю.Г. Балакирев (ФГУП ЦНИИмаш)

–  –  –

F F e iarctg.

F (28) 1 i 22 0,5 1 Формулы для расчёта отклика конечномерной системы на основе ограниченного числа форм колебаний в модальном разложении при данном способе учёта рассеяния энергии можно получить, если в выражениях (16), (20), (23) (26) заменить комплексный частотный параметр и вектор внешних сил, F на, F, приняв во внимание формулы (28).

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ФОРМУЛ

ПРИ РАСЧЁТАХ Эффективность применения полученных формул, позволяющих уточнить результаты работы [1], исследована при решении модельной задачи о продольных колебаниях консольно закреплённого однородного стержня под действием гармонической силы P = 1000H в сечении, отстоящем на три десятых длины от свободного торца. Параметры стержня: погонная масса m = 300 кг/м; длина l = 30 м;

жёсткость на растяжение – сжатие EF = 108H; коэффициент демпфирования = 0,005. Матрица демпфирования пропорциональна матрице жёсткостей. Аналитические решения этой задачи рассмотрены в работе [2].

Перейдём от системы с распределёнными параметрами, имеющей бесконечный спектр собственных частот и форм колебаний, к системе с конечным числом степеней свободы с помощью метода конечных элементов. Стержень разбивается на N участков одинаковой длины. Масса участка разносится в концевые сечения участка, жёсткость пружин между массами равна EFN / l. Нижняя масса закреплена, сила действует Изменение продольного смещения на ближайшую к сечению приложесвободного торца стержня при вания массу. Вынужденные колебания риации частоты внешней силы в этой системы описываются уравне- диапазоне (0 – 200) l/с ниями (14).

Требуется оценить точность решения системы (14) при ограниченном числе форм её колебаний в соответствии с предлагаемой процедурой и определить соотношение полученных результатов с решением исходной задачи о колебаниях стержня. На рисунке отражено изменение перемещения верхней из ста конечных элементов массы конечномерной системы при сканировании частоты вынуждающей силы от нуля до 200 с–1. Стрелками показано направление движения соответствующей отклику точки в зависимости от роста частоты вынуждающей силы;

точки с цифрами указывают положения этой точки при указанном значении частоты. В данном случае результат не зависит от способа реализации точного решения системы (14): с помощью обращения матрицы (K – 2M) в системе (14) или с помощью формулы (15). Аналитическое решение исходной задачи применительно к свободному торцу стержня, полученное с учётом ста точно вычисленных частот и форм колебаний, тоже совпало с решением, представленным на рисунке: практически совпали резонансные частоты и отклик системы (14) при N = 100 и стержня при одинаковых частотах вынуждающей силы.

Условие N в рамках конечномерной системы означает, что в этой области нет её собственных частот, но в исходной задаче применительно к стержню такой области нет. Поэтому формулы (9), (26) для анализа отклика стержня не применимы.

При большом числе конечных элементов высшие собственные частоты конечномерной системы обычно уменьшаются по отношению к соответствующим значениям исходной конструкции и уплотняются. Так, при N = 1500 высшие частоты, определённые исходя из решения системы (2), примерно в полтора раза ниже соответствующих частот стержня, а значения ряда высших частот из системы (2) отличаются лишь в пятом-шестом знаке [3]. В этих условиях выделение частотного участка в окрестности высших частот системы (2) для расчёта отклика системы по формулам (8), (25) или (12), (23) нецелесообразно, поскольку количество учитываемых тонов колебаний будет достаточно большим, сходимость корректирующих рядов будет достаточно медленной, а получаемые результаты окажутся неприменимыми для описания поведения исходного стержня ввиду их существенной зависимости от числа конечных элементов.

Использование формул (5), (20) позволит сократить до минимума количество определяемых собственных форм колебаний конечномерной системы (2), принимаемых во внимание при расчёте её отклика на действие низкочастотной нагрузки.

В рассматриваемом примере отклик системы, полученный по формуле (20) с учётом двух собственных форм колебаний, практически совпал с точным решением, представленным на рисунке, во всём диапазоне сходимости рядов в формуле в том случае, когда в корректирующем полиноме содержалось 20 членов. Однако увеличение числа членов в этом полиноме до четырёхсот привело к искажению результатов после первого резонанса = 1. Возможно, существует схема реализации вычислений, при которой исключение разности двух одинаковых быстро растущих слагаемых в выражении корректирующего ряда позволит снять возникшее препятствие.

При расчётах по формулам (6), (16) в области сходимости входящих в них рядов сложностей не возникает. Следует отметить лишь, что скорость сходимости рядов значительно падает при приближении частоты вынуждающей силы к первой собственной частоте рассматриваемой системы. Так, отклик стержня на частоте 0,98 1, рассчитанный по формуле (16), лишь при учёте более двухсот членов ряда практически совпадает с точным значением, определённым в рамках системы (2). Область частот, где применимы приближённые формулы (7), (19), достаточно мала, так что обобщающие формулы (6), (16) могут служить хорошим средством повышения точности расчётов динамических характеристик конструкции, включающей в себя в качестве составного элемента данную достаточно жёсткую подконструкцию, методом синтеза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ш м а к о в В. П. Аппроксимация гармонического отклика упругой конечномерной системы в зависимости от частотного диапазона внешнего воздействия. – Вестник МГТУ.

Сер. Машиностроение, 1995, №2, с. 96 – 110.

2. Б а л а к и р е в Ю. Г. Метод Бубнова и его развитие. М.: МГТУ «МАМИ», 2007, 100 с.

3. Б а л а к и р е в Ю. Г. Особенности выделения квазистатических составляющих при анализе динамического нагружения упругих конструкций. – Космонавтика и ракетостроение, 2014, вып. 2 (75), с. 34 – 40.

УДК 629.7.083:629.7.015.4:625

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ

ЛАБОРАТОРНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Канд. техн. наук А.И. Войцеховский, М.С. Королёв, Б.В. Чесноков (ФГУП ЦНИИмаш) Рассматриваются основные методы экспериментальной отработки в лабораторных условиях вибрационной прочности изделий ракетно-космической техники (РКТ), перевозимых по железным и шоссейным дорогам.

Определяются необходимые виброрежимы.

Ключевые слова: вибрационное нагружение, железная дорога, шоссейная дорога, транспортировка, транспортное средство.

Basic Methods of a Modes Destination of Laboratory Transport Tests of Rocket and Space Technology Constructions. A.I. Voitsekhovsky, M.S. Korolyov, B.V. Chesnokov. Basic methods of an experimental practicing in the laboratory conditions of a vibration strength of rocket and space technology (RST) products, carried by railroads and highways, are examined. Necessary vibration modes are defined.

Key words: vibration loading, railroad, highway, transporting, transport means.

О дним из важных способов отработки надёжности изделий ракетно-космической техники является проведение лабораторных транспортных испытаний натурных конструкций, перевозимых по железным и шоссейным дорогам. Вибрационное нагружение изделий на этом предстартовом этапе эксплуатации (транспортировке), обусловленное механическими воздействиями типа ударов, толчков и вибрации, возникающих вследствие неровности дорог, оказывает существенное влияние на прочность конструктивных элементов перевозимых объектов и условия функционирования их бортовой аппаратуры.

Результаты проведённых за многие годы ведущими организациями отрасли обширных измерений вибрационных нагрузок при штатных перевозках свидетельствуют, в частности, о том, что для обеспечения прочности современных изделий необходимо учитывать не только вид транспортных средств, но и тип дорог – железные или шоссейные.

Рассмотрим один из подходов к назначению режимов вибронагружения при транспортировании в ходе лабораторных зачётных вибропрочностных испытаний (ЗВИ), в процессе которых оценивается вибропрочность испытываемых конструкций и выявляются конструктивные и технологические недостатки. Другими словами, в данном случае проводится достоверная проверка надёжности и механической целостности отрабатываемых разнообразных конструкций изделий РКТ.

Исходя из сказанного следует отметить необходимость выдачи рекомендаций, касающихся вибрационных режимов для лабораторной отработки ракетных конструкций, на основе анализа и обобщения накопленных к настоящему времени многочисленных результатов исследования вибрационных воздействий. Рассмотрим подход к назначению совмещённых гармонических виброрежимов лабораторных испытаний, имитирующих вибрационное нагружение изделий при их перевозке различными видами транспорта по железным и шоссейным дорогам.

ХАРАКТЕР НАГРУЖЕНИЯ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ

Возмущения, действующие на подвижной железнодорожный состав, являются проблемной областью динамики рельсового транспорта, что объясняется сложностью взаимодействия колёсных пар движущегося состава и пути. Экспериментальные данные показывают, что источниками случайных вибровозмущений, действующих на транспортные средства при движении, являются стыковые неровности пути; дефекты рельсов в результате их волнообразного износа (геометрические неровности поверхности рельсовых нитей); геометрические неровности поверхности катания колёс; динамические неровности, обусловленные податливостью рельсового основания, и т. д.

Рис. 1. Схема установки изделий при железнодорожной транспортировке Исследование геометрических и динамических неровностей железнодорожного пути показывают, что их величина и форма на стыковочном и бесстыковочном пути носит случайный характер, изменение ординат этих неровностей является стационарным процессом с эргодическими свойствами, а их распределение подчиняется нормальному закону.

Таким образом, процесс вибрационного нагружения изделий при железнодорожной перевозке (рис. 1) имеет случайный характер. При установившихся режимах движения состава (прямолинейном и криволинейном движении поездов навстречу друг другу с постоянной скоростью, прохождении мостов и т. п.) математической моделью вибрационных процессов может служить стационарная эргодическая функция. При изменении скорости движения состава (торможении, трогании с места, движении по стрелочным переводам и т. д.) процесс динамического нагружения изделий является нестационарным, но его можно привести к стационарному в отдельных временных интервалах.

Аналогичная картина наблюдается и при автомобильной перевозке по шоссейным дорогам. Основная причина, вызывающая интенсивные колебания автодорожных транспортных средств, – неровности дороги. Поверхность дороги даже самого хорошего качества не является идеально ровной, а с течением времени она изнашивается, разрушается, и неровности увеличиваются. Износ и разрушение поверхности дороги зависят от состояния и качества дорожного покрытия, структуры почвы данного типа дорог, температурных и атмосферных влияний, а также в очень большой степени от конструкции и грузоподъёмности эксплуатируемого автотранспорта. Так как все указанные причины возникают случайным образом, образующиеся на поверхности дороги неровности в виде выбоин, ям и волн имеют случайный характер. Ординаты неровностей автомобильных дорог образуют микропрофиль, который в силу отмеченного характера изменения высот неровностей представляет собой случайную функцию и, следовательно, может быть определён лишь статистически.

Применяемые в настоящее время типы транспортных средств зависят от назначения доставляемого изделия, расстояния перевозки, наличия дорожной сети и её состояния. Автоперевозка изделий на относительно небольшие расстояния (до нескольких сот километров) осуществляется по шоссейным дорогам. Для такой транспортировки могут использоваться, в частности, седельные автопоезда (рис. 2), состоящие из тягача и полуприцепа.

–  –  –

Опыт отработки вибропрочности конструкций РКТ в лабораторных условиях при режимах транспортировки, приведённых в табл. 4, позволяет сделать вывод о возможности обеспечения высокой надёжности испытываемых конструкций в реальных условиях эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Прочность конструкций. Руководство. ГОНТИ № 1, 1986, т. 3, кн. 1.

2. К р е н д е л С. Случайные колебания. М: Мир, 1967.

3. Л е н к А., Р е н и т ц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. М.: Мир, 1976.

4. С е н ю к о в А. М., В о л к о в Л. И., Л ь в о в А. И. и др. Баллистическая ракета на твердом топливе. М.: Воениздат, 1972.

5. Б о л о т и н В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984.

6. Г у с е в А. С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках. М.: Машиностроение, 1989.

7. В о й ц е х о в с к и й А. И., М а л и н и н А. А. Вибропрочностная отработка изделий ракетно-космической техники. – Космонавтика и ракетостроение, 2012, вып. 2 (67).

УДК 532.527:532.511

МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛОГ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ РАЗГОННОГО

БЛОКА С ЖИДКОСТЬЮ

В.Л. Ездаков, докт. техн. наук О.П. Клишев (ФГУП ЦНИИмаш) Представляется механический аналог вращающегося разгонного блока (РБ), содержащего большие массы жидкого топлива, предназначенный для исследования влияния новых конструктивных решений на динамику движения объекта. В качестве нового конструктивного решения на этапе проектирования рассматривается бак типа тора большого диаметра. Исходя из сравнения функции Лагранжа применительно к объекту с жидкостью, полученной на основе теории длинных волн, и функции Лагранжа применительно к механической системе определяются параметры такой системы, при которых она является механическим аналогом объекта. Показывается, что в результате численного моделирования выявлено значительное неблагоприятное влияние топлива на движение объекта, стабилизированного путём его вращения.

Ключевые слова: механический аналог, функция Лагранжа, пассивная стабилизация, угол нутации.

Mechanical Analog of a Rotating Booster with a Liquid. V.L. Ezdakov, O.P. Klishev. A mechanical analog of a rotating booster (RB), containing large mass of a liquid fuel, intended to study the effects of new construction decisions on the object movement dynamics is presented. As a new construction decision at the design stage examines a torus type tank of a large diameter. Based on the comparison of Lagrange functions with respect to the object with a fluid, received on the basis of a long-waves theory and Lagrange functions applied to the mechanical system to define parameters of a such system, in which it is a mechanical analog of an object. A result of a numerical modeling revealed a significant adverse effect of a fuel on the object movement, stabilized by its rotation, is shown.

Key words: mechanical analog, Lagrange function, passive stabilization, nutation angle.

–  –  –

Рис. 2. Процесс изменения угла нутации:

- - - - – Wx = 3; – – – – Wx = 6; —— – Wx = 9 нимальной величиной боковой угловой скорости (взята условно 0,1 град/с), которая может быть уменьшена с помощью системы управления.

Полагается, что пассивная стабилизация должна обеспечить непревышение угла нутации в 10о в течение одного часа – времени оборота на орбите ИСЗ (и из этих соображений выбирается скорость закрутки). На рисунке представлены процессы изменения углов нутации при трёх скоростях закрутки: 3 град/с (номинальная), 6 и 9 град/с. Исходя из анализа представленных данных можно сделать вывод о том, что начальная ориентация будет лучше при большей скорости закрутки. Но темп нарастания угла нутации будет в этом случае большим, в связи с чем не имеет смысла быстро закручивать объект, так как придётся более часто включать двигатель для улучшения ориентации. Однако очень медленно закручивать объект тоже нельзя, так как в этом случае угол нутации уже с самого начала будет недопустимо большим.

ЛИТЕРАТУРА

1. Д о к у ч а е в Л. В. Нелинейная динамика летательных аппаратов с деформируемыми элементами. М.: Машиностроение, 1987, 232 с.

2. Е ф и м е н к о Г. Г., К о н д р а ш к и н И. В., К р и в о н о с о в а Н. В. и др. Экспериментальное определение параметров механического аналога жидкости в математической модели разгонного блока в режиме вращения. – Космонавтика и ракетостроение, 2012, вып. 2 (67), с. 86 – 92.

3. Н а р и м а н о в Г. С. О движении симметричного гироскопа, полость которого частично заполнена жидкостью. – ПММ, 1957, т. XXI, вып. 5.

4. Е з д а к о в В. Л., К л и ш е в О. П. Механический аналог вращающегося разгонного блока с жидкостью. – В тез. докл. научн. чтений, посвящённых 90-летию со дня рождения Юрия Александровича Мозжорина. Королёв: ЦНИИмаш, 2010.

УДК 0004.82.347.85:629.78.047

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОГО

МОНИТОРИНГА В ЦЕЛЯХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ ОКОЛОЗЕМНОГО

КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Канд. техн. наук С.С. Логинов, канд. техн. наук Ю.П. Назаров, канд. техн. наук В.С. Юраш, докт. техн. наук М.В. Яковлев (ФГУП ЦНИИмаш) Рассматриваются назначение, цели, предметная область и задачи системы информационного мониторинга (СИМ) в рамках национальной и международной деятельности по предотвращению техногенного засорения околоземного космического пространства (ОКП). Представляются организационно-методические и технологические проблемы построения и применения СИМ на основе комплекса баз данных (БД), связанных с предотвращением образования космического мусора (КМ), в том числе фактографических и аналитических данных о состоянии засорённости ОКП, включая информацию о выполнении мероприятий по предупреждению образования КМ.

Ключевые слова: информационный мониторинг, ограничение техногенного засорения космоса, безопасность космических полётов, правовое обеспечение космической деятельности.

Designing Information Monitoring Systems in Order to Prevent an Anthropogenic Pollution in the Near-Earth Space. S.S. Loginov, Yu.P. Nazarov, V.S. Yurash, M.V. Yakovlev. The purpose, goals, subject area and tasks of information monitoring systems (IMS) in the framework of national and international efforts to prevent an anthropogenic pollution in the near-Earth space (NES) are examined.

Organizational, methodological and technological problems of a construction and application of IMS based on a set of databases related to the prevention of a space debris (SD) formation, including the factual and analytical data on the status of a NES infestation, including an information on the implementation of measures to prevent a SD formation are presented.

Key words: information monitoring, space anthropogenic pollution limitation, safety of space flights, legal support for space activities.

В условиях нарастающего процесса техногенного засорения ОКП особую актуальность приобретают вопросы эффективного контроля, анализа и прогноза состояния ОКП и разработки мер по предупреждению образования космического мусора, угрожающего безопасной космической деятельности [1]. Мировое космическое сообщество уделяет постоянное внимание решению этих вопросов. В обеспечение активного участия России в этой деятельности предполагается создание специальной информационно-аналитической системы национального и международного мониторинга в целях предотвращения техногенного засорения ОКП на основе комплексного применения современных информационных технологий и средств вычислительной техники для автоматизации процессов сбора, накопления, оперативной обработки и анализа документированных данных о спектре ключевых проблем, связанных с техногенным засорением ОКП.

Многоаспектная деятельность по рассматриваемой тематике включает в себя разработку, согласование и публикацию разного рода юридических, технических, научно-методических и организационных документов. В связи с этим представляется необходимым создание регулярно пополняемого электронного фонда международных и отечественных документов и использование его при решении проблем предотвращения техногенного засорения ОКП на основе достоверного и точного знания постоянно изменяющейся информации.

Концептуальным базисом проекта создания системы информационного мониторинга деятельности в области ограничения техногенного засорения ОКП является её структурно-функциональная модель, схематически показанная на рис. 1.

о к ная и о аммная аз а о ка и мо низа ия аз ок м н а ия анны ИМ о оз анию Д ИМ

–  –  –

Рис.1. Структурно-функциональная модель системы информационного мониторинга деятельности по ограничению техногенного засорения ОКП:

ИСО – Международная организация по стандартизации; Роскосмос – Федеральное космическое агентство Информационную основу системы составляет комплекс баз данных для накопления документированной информации, касающейся рассматриваемых про-блем, а также фактографических и аналитических данных о состоянии засорённо-сти ОКП, в частности информации о выполнении мероприятий по ограничению техногенного засорения ОКП.

В качестве функциональной основы СИМ принимаются специализированные комплексы работ по её созданию и использованию, выполняемых на автоматизированных рабочих местах разработчиками системы (рис. 2).

При формировании комплекса баз данных СИМ приоритетными направлениями поиска информационных материалов, связанных с проблемой КМ, следует считать:

– международно-правовые документы, касающиеся космической деятельности и использования средств воздействия на природную среду;

–  –  –

– требования, связанные с предупреждением образования КМ при эксплуатации космической техники;

– систему мер по предупреждению образования КМ, предпринимаемых отечественными и зарубежными разработчиками ракетно-космической техники (РКТ) на всех этапах жизненного цикла изделий;

– перспективные методики и средства предупреждения образования КМ;

– комплекс методов и средств защиты космических аппаратов (КА) от воздействия космического мусора;

– методы и средства наблюдения за объектами КМ;

– результаты моделирования пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества в ОКП;

– сведения о регистрации космических объектов (КО);

– информацию о разрушениях космических объектов в ОКП.

Важнейшим направлением работ является сбор и анализ документов по техническим, организационным, научно-методическим и правовым вопросам предупреждения образования КМ и обеспечения безопасности космической деятельности, подготовленных Комитетом ООН по использованию космического пространства в мирных целях, его подкомитетами, а также национальными космическими агентствами и международными организациями, включая Межагентский координационный комитет по космическому мусору (МККМ), Международную организацию по стандартизации и др.

В настоящее время в рамках деятельности МККМ проводимые в мире исследования, связанные с проблемами КМ, можно группировать таким образом:

наблюдение КМ и использование в этих целях измерительной техники; моделирование окружающей среды и формирование специализированных баз данных о космическом мусоре; защита КА от воздействия КМ; предотвращение образования КМ. Эти направления приняты за основу при структурировании и упорядочении информации в разработанном комплексе баз данных. Наиболее полно в базах данных отражены многоаспектные вопросы ограничения количества КМ, которые постоянно находятся в центре внимания мирового космического сообщества.

Информационный фонд СИМ формируется в результате сбора и обработки информации из разнородных источников, включающих в себя публикации в Интернете и открытой печати; материалы, поступающие от головных разработчиков РКТ; базы данных МККМ и национальных космических агентств, ведущих организаций ракетно-космической промышленности, Минобороны, РАН и других ведомств, а также зарубежных организаций. Первичные сведения подвергаются проверке и сравнительному анализу, после чего накапливаются в СИМ.

Рассмотрим основные элементы СИМ.

БАЗА ДАННЫХ «НОРМАТИВНО-ПРАВОВЫЕ ДОКУМЕНТЫ»

Эта база данных (БД «НПД»), предназначенная для информационной поддержки процессов принятия и реализации решений, направленных на предупреждение образования КМ и обеспечение безопасности космической деятельности, является рабочим инструментом для специалистов, осуществляющих разработку проектов нормативно-правовых и организационно-технических документов по КМ, а также презентационных материалов и позиционных докладов для участия российских делегаций в работе международных организаций по указанной тематике.

В состав БД «НПД» входят касающиеся рассматриваемой проблемы основополагающие документы, подготовленные в Роскосмосе, МККМ, Научно-техническом подкомитете Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях, ИСО и в других организациях. Документы сгруппированы по 9 тематическим разделам (рис. 3).

При разработке БД «НПД», представляющей собой распределённый автоматизированный архив электронных данных, интегрированный в среду обозревателя Internet Explorer, использовались технологии и программные средства проектирования веб-узлов. Она снабжена пользовательским интерфейсом, с помощью которого осуществляется регламентированный доступ к имеющейся информации.

–  –  –

Рис. 3. Структура накопительного фонда информации БД «НПД»

Программные средства для проведения работ по формированию и ведению БД «НПД» включают в себя операционную систему Microsoft Windows, пакет офисных средств Microsoft Office, в том числе редактор SharePoint Designer, который является основным рабочим инструментом создания и ведения БД «НПД».

БАЗА ДАННЫХ «МЕРЫ ПО ОГРАНИЧЕНИЮ КМ»

Назначение этой БД – хранение, систематизация, анализ и обобщение отчётных материалов российских организаций – разработчиков РКТ о реализации руководящих принципов Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях в рамках программы по предупреждению образования КМ [2] и выполнении требований национального стандарта по ограничению техногенного засорения ОКП [3].

Информационные материалы, хранящиеся в БД «Меры по ограничению КМ», используются при решении задач определения источников КМ; выявления потенциально опасных с точки зрения техногенного засорения ОКП изделий РКТ; разработки мер по предупреждению образования КМ, в том числе на стадии проектирования, эксплуатации и утилизации РКТ; оценки влияния результатов проводимых мер на уровень техногенного засорения ОКП и степень безопасности космической деятельности; оценки соответствия разрабатываемых мер требованиям отечественных, межагентских и международных руководящих документов; учёта, систематизации, анализа и постоянного контроля выполнения решений и организации мероприятий, связанных с ограничением КМ; разработки информационно-аналитических презентационных материалов и руководящих документов, касающихся проблем ограничения техногенного засорения ОКП в обеспечение участия Роскосмоса в работе международных организаций по рассматриваемой тематике.

При формировании БД «Меры по ограничению КМ» использованы основные решения, разработанные при создании БД «НПД». В большей степени это относится к организации пользовательского интерфейса, в то время как алгоритм создания рассматриваемой базы в части определения состава и последовательности процедур формирования и ведения электронного архива данных, набора компонентов служебного назначения и справочных данных полностью обуславливается спецификой задач, решаемых с помощью БД «Меры по ограничению КМ»

БАЗА ДАННЫХ «РАЗРУШЕНИЯ КО»

Эта БД служит для накопления, систематизации и анализа фактографических данных о событиях разрушений КО в ОКП. С использованием БД «Разрушения КО» обеспечивается создание и ведение каталога первичных данных такого рода, включая основные характеристики событий и объектов разрушений; ведение классификатора причин разрушений КО; составление и пополнение справочника стран – владельцев КО; автоматизированная выборка данных о разрушениях КО из заданной пользователем совокупности характеристик событий и группировки объектов;

машинный анализ статистики разрушений КО (с представлением численных результатов анализа как в табличной форме, так и в графической в виде диаграмм).

Результаты решения этих задач позволяют специалистам, занимающимся проблемами снижения засорённости околоземного космического пространства, анализировать влияние разрушений на уровень засорения ОКП, прогнозировать возникновение опасности для существования и нормального функционирования космических аппаратов, выявлять негативные тенденции в целях обеспечения нормальной их эксплуатации и разрабатывать рекомендации по предотвращению угроз при проектировании и производстве КА.

Программная реализация БД «Разрушения КО» основана на использовании стандартного интерфейса операционной системы Microsoft Windows и её офисных приложений, в том числе средств управления данными реляционной системы управления базами данных Microsoft Office Access.

Разработанные научно-методические, организационные и технологические принципы информационного мониторинга национальной и международной деятельности, связанной с ограничением техногенного засорения ОКП, реализованные посредством создания комплекса баз данных на основе регулярно пополняемого электронного фонда разносторонней документированной информации, опробованы на практике и непосредственно используются для решения прикладных задач информационно-аналитического сопровождения работ, связанных с решением указанных проблем. Предполагается дальнейшее развитие комплекса баз данных СИМ в части информационного мониторинга проблем обеспечения долгосрочной устойчивости космической деятельности.

Л И Т Е РАТ У РА

1. П у д о в к и н О. Л. Методологические основы системного анализа техногенной космической обстановки. – Космонавтика и ракетостроение, 2000, вып. 18, с. 20 – 40.

2. Руководящие принципы Комитета ООН по космосу по предупреждению образования космического мусора. Резолюция 62-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН, А/RES/62/217 от 10.01.2008.

3. ГОСТ Р 52925-2008 «Изделия космической техники. Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства». М.: Стандартинформ, 2008.

УДК 629.7.018.3:629.7.036

АНАЛИЗ МЕТОДОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РИСКА АВАРИИ

ПРИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ КИСЛОРОДНОВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

С ЦЕЛЬЮ ЕГО УМЕНЬШЕНИЯ

Докт. техн. наук В.А. Бершадский, Ю.Г. Гусев, докт. техн. наук В.И. Петров (ФГУП ЦНИИмаш) В целях уменьшения риска аварии проводится анализ методологии его определения при стендовых испытаниях кислородно-водородных двигательных установок (ДУ) на ограниченном расстоянии от стенда до населённой местности. Формулируются рекомендации для совершенствования этой методологии.

Ключевые слова: двигательная установка, стендовые испытания, кислород, водород, пожар, взрыв, риск аварии, опасность.

Methodology Analysis for Determining the Risk of an Accident during Bench Tests of Oxygen-Hydrogen Propulsion Systems in Order to its Reducing. V.A. Bershadsky, Yu.G. Gusev, V.I. Petrov. In order to reduce the risk of an accident, a methodology analysis is carried out to determine bench tests of oxygen-hydrogen propulsion systems (PS) at a finite distance from the bench to a populated area. Recommendations for improving this methodology are formulated.

Key words: propulsion system, bench tests, oxygen, hydrogen, fire, explosion, accident risk, danger.

–  –  –

Образование и накопление водорода взрывоопасной концентрации в атмосфере атомного реактора (при контакте пара воды с СССР, цирконием и радиолизе воды) – взрыв газовой смеси в зоне ре- 32 26.04.1986 актора при его функционировании, пожар на АЭС и выброс радиоактивных продуктов в окружающее пространство Утечка 350 м3 взрывоопасной смеси (66% водорода) в насосной станции производственного объединения «Азот» – взрыв в поСССР, мещении насосной станции и разрушение зданий в радиусе 20 м, Нет 19.02.1990 на расстоянии до 500 м частичное разрушение остеклений (объ- сведений ём водорода 70 м3, избыточное давление во фронте ударной волны составило 28 кПа) В период экспериментальной отработки двигателя РД-56 при Россия, аварийных испытаниях (~ 10%) разгерметизация элементов конструкций газогенератора, камеры сгорания, системы топливопо- Нет 15.12.1996 дачи – разрушения некоторых систем стенда из-за возникновения пожара и слабых ударных волн При этом происходит истечение (выброс) компонента топлива в окружающее пространство, что может привести к пожару или взрыву, к разрушениям объекта испытаний (ОИ), а также систем и сооружений испытательного комплекса.

В период проведения холодных (ХСИ) и огневых (ОСИ) стендовых испытаний кислородно-водородных двигательных установок разгонных блоков Р изделия «Н-1-Л-3» (с 1973 по 1979 г.) и 12КРБ изделия GSLV (с 1999 по 2002 г.) на стенде В-3 НИЦ РКП решение о максимальной опасности и допустимом риске испытаний принималось комиссией экспертов, назначенной правительством страны для осуществления государственного надзора (1973 –1991) за безопасностью испытаний кислородно-водородных ДУ. На основе решений этой комиссии была разработана методология безопасного проведения испытаний двигательных установок, ряд аспектов которой опубликован в работах [6 – 8].

Согласно действующему с 1998 г. федеральному закону [2] анализ риска аварий на опасных производственных объектах является составной частью управления промышленной безопасностью и содержит следующие этапы [3]: определения вида опасностей; оценки риска потенциальной аварии; разработки мероприятий для уменьшения риска аварии и её последствий. Проанализируем ранее разработанную методологию безопасного проведения стендовых испытаний кислородноводородных ДУ с точки зрения её соответствия требованиям действующего закона.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНОЙ ОПАСНОСТИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ

На основе детерминистского анализа потенциальной разгерметизации топливной системы выявлено, что причинами АС могут быть: отказы в работе агрегатов и систем объекта испытаний, нарушение условий эксплуатации или внешние воздействия на объект испытаний [4]. Аварийный выброс КТ может происходить в результате 4 случаев различного уровня опасности: разгерметизации стыков трубопроводов с агрегатами ДУ, а также разрушения трубопроводов систем топливоподачи, или наиболее напряжённых агрегатов двигателя, или топливных баков ДУ.

В первых трёх случаях при ХСИ и ОСИ с применением современных средств диагностики и аварийной защиты масса и продолжительность выброса КТ могут быть ограничены до значений, которые позволяют исключить перерастание АС в аварию. Однако при разрушении топливных баков ДУ происходит максимальный выброс КТ в окружающее пространство в течение короткого промежутка времени.

В связи с этим наиболее опасной ситуацией при испытаниях двигательных установок на стенде В-3 НИЦ РКП считается разрушение топливных баков. При принятой расчётной модели развития аварийной ситуации предполагается мгновенное развитие происходящих процессов: механического разрушения топливных баков водорода и кислорода, испарения и смешения КТ, взрыва облака стехиометрической газовой смеси.

Согласно разработанной методологии масса заправляемого жидкого водорода в бак ДУ должна иметь величину, при которой в случае разрушения топливных баков и потенциального взрыва из-за аварийного выброса КТ давление во фронте ударной волны (избыточное по отношению к атмосферному) на расстоянии R от стенда В-3 до жилого массива (R = 1,1 км) не должно превышать максимально допустимое значение рдоп = 2 кПа (0,02 кгс/см2), приводящее к частичной потере остеклений жилых зданий (до15%).

ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ РИСКА АВАРИИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ

В первом приближении технологический риск аварии Р проведения стендовых испытаний ДУ можно представить в виде произведения Р В · У, где В – вероятность аварийного исхода испытаний; У – потенциальный ущерб от возникновения пожара, взрыва и разлетающихся осколков. Анализ риска должен базироваться на использовании научно обоснованных методов для количественной оценки значений В и У с целью определения допустимого риска Рдоп Р. Согласно федеральному закону [2] результаты оценки риска являются ключевым моментом для декларирования промышленной безопасности опасного объекта.

Проведение стендовых испытаний кислородно-водородных ДУ ракетных блоков – достаточно редкое явление. Ограниченное количество информации об аварийных исходах испытаний не позволяет обосновать количественную оценку вероятности аварии или возможную частоту её возникновения при планируемой продолжительности выполнения программы испытаний. Поэтому указанная оценка является решающим фактором при определении меры опасности в период проведения ХСИ и ОСИ.

С целью оценки потенциального ущерба при аварии в зависимости от массы горючего, заправляемого в топливный бак ДУ, на практике применяются эмпирические формулы различного вида [5]. Научно обоснованных рекомендаций по применению формулы для количественной оценки потенциального ущерба при взрыве парогазовых сред не существует.

Основные расчёты в НИЦ РКП для определения рдоп проводятся по формуле М.А. Садовского, которая получена по результатам взрывов ядерных зарядов [9].

На рис.1 иллюстрируются результаты расчёта по этой формуле рдоп при R = 1,1 км от стенда в зависимости от массы жидкого водорода в топливном баке ДУ (m) и доли водорода, участвующего во взрыве (Z), которая принимается при вычислениях исходя из степени открытости рабочего объёма стенда.

Согласно проведённым расчётам при рдоп = 2 кПа и Z =0,3 допустимая масса жидкого водорода, заправляемого в топливный бак ДУ при стендовых испытаниях, должна составлять m =2,7 ± 0,2 т. Это величина максимальной массы аварийного выброса жидкого водорода, разрешённая в 1991 г. правительственной комиссией экспертов.

Сформулированное таким образом определение допустимого риска аварии не позволяет дать оценку разрушений в пределах ограниченной зоны. Поэтому для оценки масштаба разрушений на любом расстоянии от эпицентра взрыва целесообразнее использовать эмпирическую формулу, полученную по результатам исследования последствий от взрывов бомб во время войны и используемую в нормативных документах США и Англии [10].

–  –  –

Однако поражающие фугасные факторы объёмного газового взрыва (давление во взрывной волне и её импульс) зависят от количества энергии, выделяющейся при взрыве, а также от различных факторов, которые не принимаются во внимание при расчётах с использованием указанных формул. По данным работы [11], применяемый на практике простой перенос параметров взрыва веществ на основе энергетического подобия в случае горения или детонации газовых водородсодержащих смесей либо невозможен, либо для его оценки требуются существенные корректировки. Можно указать ряд факторов, которые при проведении корректировок необходимо рассматривать специально.

Количественная оценка определения допустимого ущерба в указанных формулах основывается на предварительно рассчитанном значении тротилового эквивалента заряда, определяемом по зависимости Wт = К1 qпг Z mпг / К2 qт, где Wт – условная масса тринитротолуола, соответствующая энергии взрыва массы парогазовой смеси;

qпг, qт – удельная энергия сгорания водорода в воздухе (или кислороде) и конденсированного взрывчатого вещества (тринитротолуола);

mпг – масса аварийного выброса водорода;

Z – коэффициент участия массы аварийного выброса водорода во взрыве;

К1 и К2 – соответственно доли общей энергии парогазовой смеси и тринитротолуола, переходящие в энергию взрыва.

Выбор значений коэффициентов К1 и Z производится на основе субъективной логики или исходя из результатов экспериментов, проведённых с использованием маломасштабных моделей в условиях, существенно отличающихся от реальной аварии на стенде, ввиду особенностей аварийного выброса и атмосферных условий, влияющих на образование, перемещение облака взрывоопасной смеси газообразных компонентов и его размеры; факторов, влияющих на направление и скорость распространения ударной волны и величину импульса её действия.

По мнению авторов настоящей статьи, для повышения качества оценки риска аварии при стендовой отработке перспективных кислородно-водородных ДУ требуется создание научно обоснованной методики или проведение крупномасштабных экспериментов, подтверждающих возможность применения используемых формул.

МЕРОПРИЯТИЯ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ АВАРИИ

И ЕЁ ПОСЛЕДСТВИЙ Необходимость организационно-технических мероприятий для уменьшения вероятности аварии и её последствий обусловлена тем, что общепромышленные способы безопасного проведения работ с водородом и кислородом, применяемые в соответствии с существующими стандартами и правилами, не позволяют учесть особенности конструктивного исполнения ДУ, а также режимов и условий совместного её функционирования с системами стендового комплекса. Структурная схема мероприятий, которые следует провести согласно разработанной методологии, показана на рис. 2.

–  –  –

Рис.2. Комплекс мероприятий для уменьшения опасности испытаний [6]:

СК – стендовый комплекс Мероприятия структуры А необходимы для предупреждения возникновения АС и обусловлены невозможностью 100 % -ного диагностирования дефектов и отказов при функционировании ДУ, а также существующей инерционностью исполнительных элементов пневмогидравлических систем. Мероприятия структуры Б необходимы в силу того, что при современном уровне развития техники методы упреждающего диагностирования АС и управления процессами её развития несовершенны. Организация мероприятий структуры В обусловлена невозможностью управлять явлениями, происходящими на разных стадиях развития аварии и выхода её за пределы испытательного комплекса. Следует отметить, что мероприятия (см. рис. 2), содержание которых изложено в работах [5 – 8], не в полной мере отвечают требованиям, касающимся уменьшения опасности стендовых испытаний перспективных кислородно-водородных ДУ.

По мнению авторов настоящей статьи, совершенствование рассматриваемых мероприятий в первую очередь должно быть направлено на решение следующих задач:

– подтверждения надёжности двигательной установки до начала стендовых испытаний, основанного на результатах ресурсных испытаний агрегатов и систем ДУ при их автономной отработке;

– создания аттестованной системы уравнений опасных накоплений водорода и кислорода, обладающей малой инерционностью (не более 2 – 3 с) и позволяющей формировать достоверный сигнал о превышении допустимой концентрации водорода и кислорода в воздушной атмосфере и инертной среде;

– разработки системы аварийной защиты двигателя от разрушения, аттестовываемой в период совместной автономной отработки с двигателем при условии подтверждения способности САЗ к функционированию с коэффициентом охвата потенциальных АС, превышающим 0,9;

– проведения технических разработок в части уменьшения области взрывоопасной концентрации смесей водорода с кислородом и воздухом при аварийных выбросах на основе применения флегматизаторов и ингибиторов;

– определения эффективности и достаточности реализуемых организационнотехнических мероприятий для уменьшения риска аварии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Методология безопасного проведения стендовых испытаний кислородноводородных ДУ в НИЦ РКП при ограниченном расстоянии от стендового комплекса до жилого массива разработана на основе опыта работ на стенде В-3, накопленного до выхода федерального закона, и содержит анализ риска аварии в объёме, предусмотренном действующим федеральным законом. В целях безопасного проведения стендовых испытаний перспективных кислородно-водородных ДУ целесообразно определить и реализовать мероприятия по улучшению качества оценки риска аварии и по уменьшению её последствий на основе сформулированных рекомендаций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природную среду. Под. ред. В.В. Адушкина, С.И. Козлова, А.В Петрова. М.:

Анкил, 2000, 311 с.

2. О промышленной безопасности опасных производственных объектов. Федеральный закон № 116 - ФЗ от 21.07.1997 (с ежегодными уточнениями до 2013 года).

3. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. РД 03-418-01, 2001, 22 с.

4. Б е р ш а д с к и й В. А., М а л и к о в Г. И. Основные опасности при испытаниях водородно-кислородных двигательных установок на комплексе ВКС106. ТО №106А.В3.125, НИИХМ, 1996, 32 с.

5. Б е р ш а д с к и й В. А., П е т р о в В. И., Г у с е в Ю. Г. Безопасность стендовых испытаний кислородно-водородных двигательных установок. Обобщение опыта.

НТО № 4111-1-2012, ЦНИИмаш, 2012, 66 с.

6. Б е р ш а д с к и й В. А. Методика уменьшения опасности при функционировании на водороде сложных технических устройств. – Альтернативная энергетика и экология, 2009, № 3 (71), с. 75 – 83.

7. Г а л е е в А. Г. Отработка ракетных двигателей и энергетических установок на водородном топливе и проблемы обеспечения их безопасности. – Альтернативная энергетика и экология, 2008, № 3, с. 29 – 35.

8. Г а л е е в А. Г., Д е н и с о в К. П., И щ е н к о В. И. и д р. Испытательные комплексы и экспериментальная отработка жидкостных ракетных двигателей. Под ред.

Н.Ф. Моисеева. М.: Машиностроение, 2012, 368 с.

9. С а д о в с к и й М. А. Механическое действие воздушных ударных волн по данным экспериментальных исследований. – Физика взрыва, 1952, №1, с. 20 – 111.

10. Б е с ч а с т н о в М. В. Оценка и обеспечение взрывобезопасности промышленных объектов. – Безопасность труда в промышленности, 1988, №1, с.52 – 57.

11. Г е л ь ф а н д Б. Е., П о п о в О. Е., Ч а й в а н о в Б. Б. Водород: параметры горения и взрыва. М.: Физматлит, 2008, 288 с.

УДК 532.593:536.71

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗЛЁТА ПРОДУКТОВ

СОУДАРЕНИЯ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ

С ТОНКИМ ЭКРАНОМ

Канд. техн. наук Л.В. Зинченко (МГТУ им. Н.Э. Баумана), докт. техн.наук В.П. Романченков, Ю.С. Семёнов, А.С. Скалкин, А.Г. Шоколов (ФГУП ЦНИИмаш) Представляется сравнение результатов расчёта и экспериментальных исследований основных параметров разлёта заэкранного облака продуктов разрушения (ЗОПР) механических частиц (МЧ) и экрана. Определяются размер крупного вторичного осколка (КВО) из материала частицы, скорости расширения и перемещения облака, а также угол его разлёта.

Ключевые слова: соударение, частица, вторичный осколок, экран, удельная энергия, скорость.

Parameters Determination of a Products Collisions Expansion at a Mechanical Particles High-Speed Interaction with a Thin Screen. L.V. Zinchenko, V.P. Romanchenkov, Yu.S. Semenov, A.S. Skalkin, A.G. Shokolov.

A comparison of calculation results and experimental studies of basic parameters of a behind screen cloud expansion products degradation (BCPD) of mechanical particles (MP) and a screen is presented. A large size of the secondary fragment (LSF) of a particle material, an expansion rate and moving cloud, and also an angle of its expansion are defined.

Key words: collision, particle, secondary splinter, screen, specific energy, speed.

П ри высокоскоростном и гиперскоростном диапазонах соударения механических частиц с экраном защитной конструкции образуется заэкранное облако продуктов разрушения соударяющихся материалов. В данном случае к механическим частицам относятся осколки космического мусора и метеорные частицы, воздействующие на экранную защиту гермоотсеков Международной космической станции и других космических аппаратов.

В высокоскоростном диапазоне (до ~ 8 км/с) в состав облака, наряду с мелкодисперсными частицами, входят и крупные фрагменты из материала МЧ, среди которых находится наиболее крупный вторичный осколок. К наиболее важным характеристикам ЗОПР следует отнести скорость распространения облака V01, скорость Vru и угол 2 его разлёта, а также размер d01 КВО. Далее представлены формулы для их определения и сравнение результатов расчётов с экспериментальными данными, полученными на легкогазовой многоцелевой баллистической установке в условиях соударения МЧ из Al 2017-T4 размером 7,93 мм со скоростью Vp =6,9 км/с при прямом угле соударения ( = 0) с экраном из алюминиевого сплава АМг-6 толщиной 1,9 мм.

На рис.1 представлена картина разлёта по траектории полёта заэкранного облака продуктов разрушения. Светящиеся расплавленные частицы фиксировались с помощью высокоскоростной видеокамеры NAC Memrocam HX-3/HX-1 с интервалом в 5 мкс.

В ходе эксперимента определялись значения V01, Vru, 2, d01. Расчёт перечисленных параметров осуществлялся следующим образом.

1. Скорость центра ЗОПР V01 определялась исходя из уравнения сохранения импульса bV p V01, 1,511 d p p где Vp – скорость соударения;

– угол соударения;

1 – толщина экрана;

dp – диаметр МЧ;

p – плотность МЧ;

1 – плотность материала экрана;

b = 0,9 [1].

–  –  –

Канд. физ.-мат. наук А.Э. Колозезный (ФГУП ЦНИИмаш) Рассматриваются вопросы влияния компьютерных методов проектирования на содержание экспериментальной отработки прочности изделий ракетно-космической техники (РКТ). Определяются задачи дальнейшего развития предприятий и подразделений, специализирующихся на проведении прочностных статических испытаний крупногабаритных конструкций. Обосновывается необходимость развития технологий виртуальных испытаний с целью обеспечения верификации разрабатываемых изделий и валидации расчётных программ.

Ключевые слова: экспериментальная отработка прочности, валидация, верификация, виртуальное прототипирование, виртуальные испытания.

Strength Test Centers Tasks during a Numerical Modeling Era. Part 1.

A.E. Kolozezny. Questions of a computer design methods influence for the maintenance of experimental practicing of rocket and space technology (RKT) products strength are examined. Tasks of further development of enterprises and units, specializing in an execution of large-scale structures pro-strength static tests are defined. A need of a virtual testing technologies development to ensure the developed products verification and calculation programs validation is justified.

Key words: experimental practicing of a strength, validation, verification, virtual prototyping, virtual tests..

Н аземная экспериментальная отработка прочности изделий РКТ традиционно являлась основой обеспечения их надёжности и безопасности.

Создание прочностной экспериментальной базы (ЭБ) отрасли сопровождалось проведением большого количества испытаний, в особенности в период разработки комплекса «Энергия» – «Буран», когда экспериментальные стенды как предприятий-разработчиков, так и головных институтов работали в три смены и едва успевали справляться с запланированными объёмами работ. Функционировал даже специальный отраслевой координационный совет по прочности [1]. Сегодня испытательно-стендовая база отрасли не может быть загружена в достаточной степени.

Это приводит к простоям персонала и снижению фондоотдачи. В то же время появляются новые задачи экспериментального характера, которые не могут быть решены с помощью существующих стендов, оснащённых морально устаревшим оборудованием.

На облик современной базы экспериментальной отработки прочности существенным образом повлияло бурное развитие с начала 1990-х годов средств численного моделирования. Компьютерные технологии обеспечивают не только самый широкий спектр наукоёмких инженерных расчётов: прочности, динамики, ресурса, кинематики, теплообмена, аэроупругости и т.д., – но и позволяют моделировать сложное контактное взаимодействие элементов конструкции, технологические процессы изготовления и сборки изделий, совместную работу объекта управления и системы управления, а также создавать на ранних стадиях проектирования высокоточные компьютерные модели. Применение таких моделей даёт возможность значительно сократить сроки проектирования и изготовления изделий при улучшении их характеристик и качества. Конструкторам становятся доступны целые наборы взаимосвязанных промышленно ориентированных приложений, предназначенных для того, чтобы реалистично имитировать поведение продукта при эксплуатации, отладить производственные процессы и оценить влияние внешних факторов. Собранные в единый открытый комплекс виртуального прототипирования, данные приложения позволяют устранить необходимость проведения конструкторско-доводочных испытаний (т.е. физического прототипирования) при разработке продукта.

Компьютерные модели дают возможность не только создавать новейшие изделия в самые сжатые сроки, но и сопровождать их на протяжении всего жизненного цикла при решении различных эксплуатационных задач, включая аварийные ситуации, а также проводить оперативные модификации, обеспечивая постоянный высокий уровень эксплуатационных характеристик, большой ресурс, безопасность, надёжность и качество изделий.

В связи с этим возникают вопросы о соотношении расчётов и испытаний в процессе отработки прочности разрабатываемых и модернизируемых изделий, а следовательно, об определении оптимального состава отраслевой прочностной экспериментальной базы и направлений её развития. Возможна ли полная замена испытаний расчётами? Рассмотрим эту проблему применительно к прочностным статическим испытаниям, хотя большинство основных предположений и выводов может быть обобщено по отношению к динамическим, вибрационным, тепловым и другим видам испытаний.

В защиту сохранения экспериментального подхода при отработке прочности выдвигается предположение о недостаточной точности результатов, полученных с помощью конечно-элементных (КЭ) расчётных комплексов, и их сильной зависимости от квалификации расчётчика. Однако практика последних лет показывает, что численные решения, в частности применительно к сложным конструкциям, получаются достаточно точными. Действительно, разработчики зарубежных коммерческих КЭ-комплексов изначально ориентировались на конструкторов, работающих в условиях ограниченных ресурсов, что не позволяло глубоко вникать в тонкости использования численных методов и построения КЭ-моделей. Поэтому надёжность и робастность КЭ-модели заложены и присутствуют во всех крупных конструкторско-расчётных пакетах. Данный подход изложен ранее, например в работе [2], где сказано, что «предельно важно, чтобы конечно-элементные методы, используемые в проектировании, были бы надёжны, робастны и, конечно, эффективны. Надёжность и робастность важны, потому что проектировщик имеет относительно маленькое время для процесса анализа и должен быть способен получить точное решение выбранной математической модели быстро и без «права на ошибку». Использование ненадёжных конечно-элементных методов просто недопустимо в технической практике. Под надёжностью конечных методов элемента мы подразумеваем, что в решении хорошо изложенной математической модели конечно-элементные процедуры должны всегда для разумной конечно-элементной сетки давать разумное решение.

И если сетка в разумной степени мелкая, то точное решение всегда должно быть получено. Под робастностью конечно-элементных методов мы подразумеваем, что выполнение конечно-элементной процедуры не должно быть излишне чувствительно к свойствам материала, граничным условиям и используемым условиям нагружения». Так если КЭ-расчёты с использованием современных комплексов настолько точны и надёжны, есть ли место эксперименту в ближайшей перспективе?

Надёжность современных вычислительных комплексов обуславливает отношение разработчиков к экспериментальной отработке изделий, которое эволюционирует с момента знакомства с возможностями современных средств численного моделирования по мере усложнения разрабатываемой техники и влияния конкурентной среды. Вначале разработчик одной из своих основных задач считает экономию средств на экспериментальные исследования. В рамках традиционных подходов стремление сэкономить на испытаниях приводит разработчика к решению заменить их расчётами. Испытания рассматриваются как вынужденная мера, и их программа минимизируется с учётом требований стандартов. Однако, используя подход «только стандарты», разработчик интегрально больше теряет, так как ничего не делается в плане реализации будущих проектов.

Таким образом, утрачивается возможность использовать ту же матчасть и уже смонтированную экспериментальную установку для:

– проведения валидации расчётных программ;

– обобщения статистики по выявлению дефектов, сравнения с результатами прошлых испытаний и оптимизации программы следующих;

– формирования исходных данных в целях оценки эффективности программы экспериментальной отработки и т. д.

Рано или поздно перед проектировщиком встаёт вопрос о достоверности расчётных методик, будь то собственные модели или покупные конечно-элементные комплексы. Тогда в техническом задании на испытания появляются задачи, необходимые для сравнения экспериментально определённых результатов с расчётными данными (валидация ([3], п.3.8.5)).

Действительно, обеспечение достоверности электронной модели изделия – необходимая составляющая любого инженерного проекта. На основе недостоверных расчётных моделей, неадекватно отражающих действительность, нельзя принимать ответственные конструкторские решения. При разработке конечно-элементных моделей проектируемых изделий необходимо использовать опыт, накопленный при моделировании работы изделий существующих. Практическим воплощением такого опыта является валидация расчётных моделей по данным реальных натурных испытаний изделий или замеров в ходе эксплуатации. Однако для уточнения КЭ-моделей по результатам натурных испытаний требуется использование специальных моделей и программ автоматической валидации (настройки КЭ-моделей по данным натурных испытаний).

Современное понимание задач экспериментальной отработки возникает у разработчика лишь в результате воздействия конкурентной среды, когда он смотрит на испытания не как на вынужденные траты, от которых хотелось бы избавиться, а как на инструмент снижения стоимости разработки и дальнейшего серийного производства продукции. К программе испытаний предъявляется требование не только оперативного проведения, но и валидации расчётной модели в реальном времени.

Обусловлено это также сжатыми сроками графика разработки изделия, согласно которому прочностные испытания традиционно проводятся на последних этапах.

К сожалению, конструкторско-расчётные пакеты, о которых шла речь, разрабатываются за рубежом и поставляются в РФ на коммерческой основе. В 1990-е годы, несмотря на имеющийся задел, произошло отставание в развитии коммерциализации отечественных крупных вычислительных конечно-элементных комплексов (аналогов NASTRAN, ANSYS, ABAQUS и др.). О достигнутом к середине 1990-х годов высоком уровне отечественных КЭ-расчётных программ можно судить, например, по публикации И.А. Крохина и Н.Г. Паничкина 1995 г. [4]. С тех пор госинвестирование и, следовательно, дальнейшее развитие средств имитационного моделирования в отрасли прекратилось. Развивать сейчас собственные конкурирующие продукты и пытаться выходить с ними на рынок не представляется разумным с точки зрения инвестирования. Целесообразно, основываясь на коммерческих зарубежных расчётных комплексах с открытым кодом, разрабатывать и использовать собственные подпрограммы. В ближайший период следует сконцентрировать усилия на разработке программ численного моделирования по тем направлениям, в рамках которых мировые исследования находятся в начальной стадии и российские программисты имеют шанс побороться за лидирующие позиции. К одному из таких направлений имитационного моделирования в области отработки статической прочности изделий РКТ относится разработка программного инструмента сравнения экспериментальных и расчётных данных и автоматизированной валидации электронной модели по результатам испытаний.

Виртуальное прототипирование – это та форма, к которой осознанно или неосознанно движется современное производство изделий РКТ. Конструкторы всё больше склоняются к расчётам вместо испытаний, что стимулируется и коммерческими интересами разработчиков производственно-ориентированных расчётных пакетов. Задача испытательных центров – участвовать в этом процессе, чтобы правильно определить программу экспериментальной отработки создаваемого изделия в помощь заказчику и разработчику. Важно понимать, что целью развития и внедрения средств численного моделирования является улучшение характеристик разрабатываемого изделия, а также снижение сроков и стоимости его разработки и эксплуатации, а не сокращение количества испытаний. Во имя достижения тех же целей программа экспериментальной отработки, безусловно, будет видоизменяться, но не обязательно в сторону сокращения числа испытаний. Параллельно должны совершенствоваться соответствующие стандарты, направлением развития которых станет обеспечение достоверности электронной модели изделия.

Отдельно следует сказать об этапе верификационных прочностных испытаний изделий РКТ (в РФ используется термин «зачётные» испытания), который всегда был, есть и будет. Пока ещё не всё поддаётся математическому моделированию, особенно много неопределённостей связано с технологиями изготовления, например с такими технологическими операциями, как клёпка, сварка, склейка, пайка и т.д., а также с принципиально новыми технологиями, в частности 3D-печатью. Проверить качество исполнения операций по соединению материалов несущей конструкции можно только при силовом её нагружении в лабораторных условиях с имитацией эксплуатационной температуры, в результате влияния которой изменяется изначальная степень проявления дефектов. Не моделируются в рамках расчётной схемы и технологические разбросы, так как их локализация и свойства заранее неизвестны.

Таким образом, расчёты ещё долгое время не смогут заменить зачётные прочностные испытания. Требуется разработка и валидация математических моделей технологических разбросов в конструкциях с целью их последующей интеграции в расчётные КЭ-комплексы. Исходя из подхода виртуального прототипирования должна ставиться задача выявления дефектов на как можно раннем этапе разработки, в том числе до производства дорогостоящей матчасти. Этого можно достигнуть за счёт правильного планирования программы валидационных испытаний.

Само понятие «замены испытаний расчётами» может быть отнесено только к конструкторско-доводочным испытаниям и не может быть применено к зачётным прочностным испытаниям, идея которых состоит в комплексной проверке всех этапов и всех элементов создания техники методом полной физической имитации эксплуатационных воздействий. В ходе зачётных испытаний итоговому контролю подвергаются и конструкторские программы, и расчёты, и технология сборки, и квалификация специалистов. Если где-то на этапе разработки была допущена ошибка, то изделие может разрушиться при зачётных испытаниях, и тогда уже надо будет искать причину появления дефекта. В связи с этим при составлении программы зачётных испытаний следует избегать применения инструментария, использованного при проектировании, в том числе расчётных программ, в которых также может быть обнаружен дефект (ошибки в коде программы, описании геометрических параметров, разбиении на конечные элементы, задании начальных и граничных условий и т.д.) и которые являются предметом проверки в процессе зачётных испытаний, так же, как и «человеческий фактор».

Дополнительным аргументом в пользу того что зачётные прочностные испытания будут востребованы всегда, являются естественное желание любого заказчика быть уверенным в надёжности приобретаемой услуги и требование эту надёжность продемонстрировать. Прочность изделия ракетно-космической техники перед заказчиком может быть доказана только посредством эксперимента со штатной конструкцией путём имитации эксплуатационных факторов, соответствующих расчётным случаям её нагружения с учётом температуры. Поэтому основным требованием к экспериментальным стендам для зачётных прочностных испытаний остаётся возможность воспроизведения силовых и температурных факторов во всём рабочем диапазоне применительно к полномасштабным технологически представительным сборкам.

Порядок проведения зачётных испытаний на прочность должен входить в компетенцию заказчика, т.е. Федерального космического агентства в лице его головных институтов. Состав сборок, объём экспериментальной отработки (в том числе определение расчётных случаев) и место проведения испытаний должны определяться заказчиком совместно с разработчиком изделия и заноситься в комплексную программу экспериментальной отработки.

Учитывая роль математического моделирования в отработке прочности, для увеличения его достоверности и точности в качестве одного из направлений развития ЭБ ракетно-космической промышленности предлагается внедрение в практику отработки прочности изделий РКТ валидационных экспериментов. Причём проектирование специализированных стендов для таких экспериментов должно осуществляться как составная часть плана верификации и валидации вычислительного комплекса [5] при непосредственном участии разработчиков программ математического и имитационного моделирования.

В упомянутом документе говорится о валидационном эксперименте как о таком, который проводится для того чтобы определить достоверность или прогнозируемую точность математического моделирования. Это может быть серия экспериментов, в рамках которой будет продемонстрирована пригодность вычислительной модели для конкретного использования. Валидационный эксперимент отличается от обычного тем, что он ставится в целях валидации программы, поэтому для строгой оценки экспериментальной неопределёности эксперимент должен проводиться несколько раз для установления разбросов с регистрацией дополнительных данных (например кривизны поверхностей, на которые установлены тензорезисторы), считающихся излишними в процессе классических испытаний.

В связи с этим целесообразно при проектировании стендов и разработке программы зачётных испытаний предусмотреть возможность проведения в то же время и валидационных экспериментов в интересах будущих проектов. Это, кроме всего прочего, будет способствовать загрузке стендов и поддержанию профессионального уровня испытателей в период между проведениями зачётных испытаний новой техники, который может продолжаться несколько лет.

В ходе валидационных испытаний ключевым фактором, определяющим приоритеты инвестирования и направление развития технологий экспериментальной отработки прочности изделий РКТ, является точность. Повышение точности определения нагрузок различного характера на изделия РКТ, с одной стороны, и повышение точности их имитации в процессе экспериментальной отработки – с другой, должны лечь в основу развития расчётных методов и технологий обеспечения эксперимента.

Точность определения нагрузок достигается за счёт использования новых подходов математического и имитационного моделирования, а также мониторинга в процессе лётных испытаний. Точность имитации нагрузок достигается за счёт применения новых и усовершенствованных традиционных технологий измерений и управления нагружением в ходе проведения эксперимента. Пример работы в данном направлении приведён в статье [6].

Для решения задач экспериментальной отработки изделий РКТ с учётом того, что на предприятии-разработчике внедряются конструкторско-расчётные комплексы, предназначенные для виртуального прототипирования, испытательные центры должны внедрить у себя комплексы виртуальных испытаний. Место пересечения двух виртуальных технологий – верификационные (зачётные) испытания (рис. 1).

Технология виртуальных испытаний – это современное средство обеспечения эффективности зачётных прочностных испытаний.

Целями внедрения комплекса виртуальных испытаний в центрах должны являться:

– снижение трудоёмкости и сокращение сроков проведения предыспытательных операций, оптимизация использования дорогостоящей оснастки;

– возможность разработки технологических процедур по обеспечению безопасности персонала и сохранности дорогостоящей матчасти при проведении испытаний;

– повышение информативности системы измерений и точности систем обеспечения испытаний;

– интеграция с технологиями виртуального прототипирования в части валидации расчётных моделей по результатам зачётных испытаний.

Комплекс виртуальных испытаний должен представлять собой программнографический вычислительный комплекс, который выполнял бы такие задачи, как:

И АЛЬ Е ИИ А ИЕ

Е И ИКААЛИДАЦИ ЫЕ Е ИЙ Е ИЗ Д

ЦИ ЫЕ

И ЫАИ К ЛЬ КАЧЕ А

И ЫАИ ЕХ Л И

И АЛЬ ЫХ И Ы А ИЙ

–  –  –

– 3D-моделирование объекта испытаний, смонтированного вместе с испытательной оснасткой;

– подбор и оптимизация испытательной оснастки в 3D-модели;

– конечно-элементный предыспытательный расчёт (в том числе мультидисциплинарный) с целью предсказания хода испытаний, определения соответствия заданному расчётному случаю, оптимизации взаимодействия систем бесконтактных измерений и тензорезисторов с локализацией мест их установки, выявления факторов возможных угроз безопасности при испытаниях, прогнозирования запасов прочности объекта испытаний;

– оптимизация технологии монтажа испытательной оснастки;

– формирование исходных данных для автоматизации систем нагружения, измерения и управления испытаниями;

– формирование баз данных для мониторинга хода испытаний, включая базу данных о нештатных ситуациях;

– создание интерфейса с комплексом виртуального прототипирования, обеспечивающего валидацию в квазиреальном времени.

Результатом внедрения комплекса виртуальных испытаний должны стать улучшение точности имитирования эксплуатационных нагрузок, снижение сроков подготовительных работ к проведению статических прочностных испытаний крупногабаритных Рис. 2. Пример 3D-модели объекта испытаний вместе сборок, сокращение материальных затрат на изго- с испытательной оснасткой товление матчасти для проведения испытаний (как объекта испытаний, так и испытательной оснастки), практически до нуля должно сократиться время предоставления результатов испытаний заказчику в удобном для него формате.

Своеобразной предтечей комплекса виртуальных испытаний можно считать разработанную и внедрённую в экспериментальных подразделениях отделения прочности ЦНИИ машиностроения автоматизированную систему управления испытаниями и отображения их результатов «Прогноз-1» [7]. Она была разработана в 1980-х годах, т.е. до появления мощных вычислительных систем и конечно-элементных расчётных комплексов. Тем не менее теоретические и методические основы данной системы могут быть использованы при разработке комплекса виртуальных испытаний и программ автоматизированной валидации расчётных схем.

Первым этапом внедрения технологии виртуальных испытаний должно стать создание электронной базы данных характеристик испытательной оснастки, причём желательно, чтобы она была отраслевой. Кроме информирования о наличии того или иного необходимого элемента испытательной оснастки на других предприятиях, электронные 3D-модели (рис. 2) позволяют на ранней стадии разработки определить облик экспериментальной установки, минимизировать ошибки при монтаже и автоматизировать процесс проектирования недостающих элементов (включая их поиск по базам других предприятий). Начало разработки такой базы данных уже положено, в частности создан альбом 3D-оснастки корпуса комплексных температурно-прочностных испытаний ФГУП ЦНИИмаш. В альбоме содержатся 3D-эскизы, характеристики элементов и сборок унифицированной силовой, а также измерительной оснастки, предназначенной для испытаний изделий РКТ на базе отдела температурно-статической прочности ФГУП ЦНИИмаш.

Л И Т Е РАТ У РА

1. Г и р е н ко в В. В., К л и м о н о в О. П. Планирование и координация работ по исследованию прочности ракетных конструкций. – Космонавтика и ракетостроение, 1995, вып. 4.

2. B a t h e K l a u s - J r g e n. Finite Element Procedures. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., U.S.A., 1996.

3. ГОСТ ISO 9000-2011 Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь. М.: Стандартинформ, 2012.

4. К р о х и н И. А., П а н и ч к и н Н. Г. Программные комплексы для расчетов прочности, устойчивости и динамики конструкций ракетно-космической техники. – Космонавтика и ракетостроение, 1995, вып. 4.

5. Guide for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics (An Overview of the PTC 60/V&V 10). Reprinted by permission of The American Society of Mechanical Engineers.

Transmitted by L.E. Schwer. 2006.

6. Д р я н и ц ы н Д. В., З е л е н о в Н. С., Ю р а н е в О. А. Разработка технологии повышения точности многоканального силового нагружения изделий при проведении их прочностных испытаний на базе автоматизации системы управления гидроустановкой циклического нагружения. – Космонавтика и ракетостроение, 2013, вып. 2(71).

7. М а т в е е в В. В., Н о с о в а З. М., С т р е л ь ц о в В. И. и д р. Основные требования к отработке статической прочности изделий ракетно-космической техники. – Космонавтика и ракетостроение, 1998, вып. 13.

8. К о л о з е з н ы й А. Э. Основы концепции развития экспериментальных технологий обеспечения температурной прочности «криогенных» топливных баков перспективных конкурентоспособных средств выведения. – Космонавтика и ракетостроение, 2012, вып. 2(67).

9. Б о д и н Б. В., П а н и ч к и н Н. Г. Основные положения концепции экспериментальной отработки изделий ракетно-космической техники и развития экспериментальной базы ракетно-космической промышленности. – Космонавтика и ракетостроение, 2010, вып. 3(60).

УДК 629.784

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИССИПАТИВНЫХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИИ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ

СТАНЦИИ С.С. Бобылёв (ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королёва), канд. физ.-мат. наук В.А. Титов (ФГУП ЦНИИмаш) Описываются тенденции изменения динамических, в том числе диссипативных, характеристик конструкции Международной космической станции (МКС) в процессе её строительства. Указывается, что представленная информация получена на основании математической обработки телеметрических данных о бортовых микроускорениях, зафиксированных на элементах конструкции МКС при стыковках и отстыковках транспортных и орбитальных кораблей в ходе сеансов космического эксперимента «Идентификация».

Ключевые слова: конструкция МКС, диссипативные характеристики, бортовые микроускорения.

Dissipative Properties of the International Space Station Construction Study. S.S. Bobylyov, V.A. Titov. Dynamic changes trends, including dissipative characteristics of the International Space Station (ISS) construction during its construction, are defined. An obtained information on the basis of mathematical processing of telemetry data of on-board micro-accelerations, recorded on the ISS construction elements during dockings and undockings of transport and orbital spacecraft at space "Identification" experiment sessions is shown.

Key words: ISS construction, dissipative characteristics, on-board microaccelerations.

–  –  –

Эти выражения, строго говоря, описывающие затухающие колебания линейной механической системы с учётом демпфирования согласно гипотезе «вязкого»

трения, широко используются для описания процессов свободных колебаний в реальных конструкциях [1, 2]. Значения компонент вектора параметров A1, A2,..., 1, 2,..., 1, 2,..., 1, 2,... устанавливаются исходя из нелинейной версии метода наименьших квадратов, основанной на применении методов градиентного спуска [3]. Чтобы добиться сходимости решения, важно по результатам спектрального анализа сигналов [4] выбрать начальные приближения значений частот 1, 2,....

Для построения аппроксимаций (1) применительно к временным зависимостям микроускорений, фиксируемых бортовыми акселерометрами в ходе сеансов КЭ «Идентификация», и систематизации полученных данных разработано специальное программное обеспечение. Результаты, представляемые в настоящей рабо

–  –  –

ДИССИПАТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИИ МКС В ПЕРИОД

ОРБИТАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ 01.11.2007 – 10.07.2011 В состав конструкции МКС в период орбитальной эксплуатации 01.11.2007 – 10.03.2009 входили две пары расположенных на американской ферме батарей PVA со стороны Port и одна или две пары – со стороны Starboard. Типичные расчётные динамические модели рассматриваемых конфигураций МКС представлены на рис. 5.

Полученные данные о диссипативных характеристиках конструкции МКС за указанный период систематизированы в табл. 3.

Выполненные реконфигурации конструкции МКС привели к существенному изменению её динамических характеристик. Так, наблюдаемые частоты наиболее возбудимых тонов упали сначала до 0,27 Гц (в течение 01.11.2007 – 10.03.2009), а затем, после пристыковки второй пары СБ PVA со стороны Starboard, уменьшились до 0,2 Гц. При указанных частотах также наблюдается вариативность значений логарифмического декремента (см. табл. 3).

а б Рис. 5. Расчётные динамические модели конструкции МКС в периоды орбитальной эксплуатации 01.11.2007 – 10.03.2009 (а) и 19.03.2009– 10.07.2011 (б)

–  –  –

УДК 539.411.5–185

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНОЙ ПРОЧНОСТИ

Б.И. Абашкин, канд. техн. наук Е.П. Буслов, И.С. Комаров, канд. техн. наук О.С. Покровский, канд. физ.-мат. наук А.Ю. Ренжин, канд. техн. наук А.Д. Судомоев, канд. техн. наук В.В. Устинов, докт. техн. наук В.А. Фельдштейн, канд. физ.-мат. наук Т.И. Ходцева (ФГУП ЦНИИмаш) Определяется роль экспериментальной базы (ЭБ) в процессе исследования ударной прочности при комплексной отработке изделий ракетнокосмической техники (РКТ). Излагаются основные положения программы развития ЭБ на основе взрывных технологий с учётом современных возможностей и требований к отработке перспективных изделий РКТ.

Ключевые слова: ударная прочность, экспериментальная база, высокоинтенсивные ударные нагрузки, откольная прочность, высокоскоростное соударение, испытательное оборудование.

Prospects for the Experimental Base Development for the Impact Strength Study. B.I. Abashkin, E.P. Buslov, I.S. Komarov, O.S. Pokrovsky, A.Yu. Renzhin, A.D. Sudomoev, V.V. Ustinov, V.A. Fel’dshtein, T.I. Khodtseva.

An experimental base (EB) role in the percussive toughness study process during the rocket and space technology (RST) products complex practicing is defined.

Main EB development provisions programs on the basis of explosive technologies with current capabilities and requirements for the perspective RST products practicing are stated.

Key words: percussive toughness, experimental base, high-intensity shock loadings, spall strength, hypervelocity impact, testing equipment.

НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ

В 1972 1976 гг. в ЦНИИ машиностроения (ЦНИИмаш) была создана отраслевая экспериментальная база для исследования ударной прочности как основной в СССР научно-методический и испытательный центр отработки изделий РКТ при воздействии на них высокоинтенсивных ударных нагрузок [1].

Испытания, связанные с этим видом нагрузок, обуславливают применение преимущественно основанных на взрывных технологиях специальных методов, позволяющих имитировать распределённые нагрузки на изделия интенсивностью порядка 100 ГПа и длительностью 1 мкс [2], а также проводить испытания их конструкции при высокоскоростном соударении с механическими частицами массой 0,1 100 г при скоростях 0,1 10 км/с.

В 70 – 80-е годы с использованием этой базы прошли отработку прочности и зачётные испытания практически все изделия отрасли, к ударной прочности которых предъявлялись повышенные требования. В последующие годы объём испытаний и исследований в этой области существенно уменьшился, однако и в этот период (1995 2009 гг.) была успешно проведена отработка ударной прочности ряда изделий. В настоящее время осуществляется отработка перспективных изделий ведущих КБ-разработчиков. Параллельно, в рамках федеральной космической программы начиная с 1997 г., проводятся научно-исследовательские опытноконструкторские работы по обеспечению стойкости модулей Международной космической станции к воздействию высокоскоростных ударов метеороидных техногенных частиц.

Лабораторная экспериментальная база по исследованию ударной прочности ЦНИИ машиностроения является единственной в России, которая при условии её модернизации и реконструкции способна комплексно решать задачи по отработке ударной прочности и стойкости практически всей номенклатуры изделий ракетнокосмической отрасли на уровне, отвечающем современным требованиям.

В состав экспериментального комплекса отработки ударной прочности изделий РКТ на базе корпуса 028 ФГУП ЦНИИмаш входят:

– взрывные камеры, позволяющие проводить испытания при воздействии распределённого механического импульса, виброударных нагрузок, удара механических частиц с использованием взрывных технологий нагружения: большая, средняя и малая объёмом соответственно 3310, 1130 и 143 м3;

– лаборатория баллистических установок (газовых пушек (ГП)) для исследования физико-механических характеристик материалов (ударных адиабат и откольной прочности) в экстремальных условиях высокоинтенсивного ударного нагружения;

– лабораторный зал копровых испытаний;

– измерительно-вычислительные системы ИИС-5557/1, ИИС-5557/2 и ИИС-5557/3.

Как уже отмечалось, в 90-е годы развитие экспериментальной базы и методического обеспечения отработки ударной прочности существенно замедлилось, что привело к увеличению степени физического износа экспериментального оборудования и его моральному старению. Для сохранения и развития научнотехнического потенциала базы и создания опережающего задела с учётом новых требований к испытаниям перспективных изделий необходима модернизация испытательного, измерительного и технологического оборудования; производственных помещений, инженерных сетей, энергетического оборудования, а также частичная реконструкция строительных сооружений. В настоящее время подготовлены и представлены в Роскосмос обоснованные материалы по инвестиционному проекту реконструкции корпуса 028. В целях решения указанных задач планируются следующие мероприятия: реконструкция строительной части здания, внутренних помещений и технологических систем; замена изношенных элементов технологической инфраструктуры экспериментальных стендов; создание новых стендов по отработке прочности перспективных изделий; реконструкция систем управления, измерения, сбора и обработки экспериментальной информации; внедрение в практику экспериментальных исследований методов пред- и постиспытательного моделирования на основе компьютерных технологий.

ОБЪЕКТЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Взрывные камеры Основное назначение взрывных камер – обеспечение испытаний изделий с использованием взрывных технологий. Исторически главным направлением было испытание изделия на воздействие механического импульса, в ходе которого требуется имитация распределённых по поверхности конструкции высокоинтенсивных импульсных нагрузок с удельным импульсом порядка 1 кПа·с. Метод создания таких нагрузок путём контактного подрыва взрывчатого вещества (ВВ), нанесённого на поверхность объекта, хорошо зарекомендовал себя для моделирования указанного вида нагрузок. Однако в дальнейшем потребуется расширение диапазона удельного импульса, поскольку на практике ставится задача имитации «малых» импульсов (0,1 0,5 кПа·с при длительности менее 10–6 с). В рамках метода, основанного на использовании взрыва так называемого накладного ВВ, требуется уменьшать толщину слоя вещества, что в этом случае оказывается практически невозможным, так как детонация становится неустойчивой. Использование методики, основанной на применении ВВ типа азида свинца, детонирующего от воздействия света, опасно и обуславливает большие затраты на создание соответствующего стенда. Поэтому расширять экспериментальные возможности имитации «малых» импульсов следует в направлении использования отнесённых зарядов, что в свою очередь потребует развития технологии их изготовления и проведения расчётно-экспериментальных исследований для обоснования корректности воспроизведения нагрузок.

Баллистические установки – газовые пушки (ГП-50 и ГП-100) для исследования свойств материалов   Существующие установки находятся в работоспособном состоянии, но вспомогательные системы (управления, вакуумирования, газообеспечения), связанные со всем комплексом ГП, практически изношены.

Необходимо реконструировать две баллистические установки со вспомогательными системами, оборудовав их современными средствами измерения массовой скорости и давления ударной волны в испытуемом образце, для решения двух новых задач:

испытания блоков электронной аппаратуры на воздействие сверхвысоких кратковременных ускорений до 2·104 g (такие перегрузки могут испытывать элементы изделий, предназначенных для входа с высокой скоростью в плотные среды, – пенетраторов);

– создания на базе установок ГП-50 или ГП-100 устройства для реализации нормированных импульсных давлений величиной до 1 ГПа длительностью ~ 10–610–5 с, так как в настоящее время отсутствуют технические средства калибровки датчиковой аппаратуры, предназначенной для регистрации высоких импульсных давлений, что затрудняет экспериментальную отработку изделий при воздействии механического импульса.

Баллистические установки для испытания конструкций на воздействие ударных нагрузок В настоящее время в эксплуатации находятся установки двух типов: одноствольная пороховая баллистическая установка и комплекс ударных труб взрывного действия (УТВД). Пороховая баллистическая установка с гладким стволом калибром 14,5 мм, обеспечивающая ускорение алюминиевых частиц до 1 2 км/с, используется для отработки защитных экранов в низкоскоростном диапазоне и определения ресурса стёкол иллюминаторов Международной космической станции.   Установки второго типа с нарезными артиллерийскими стволами (калибр 57;

30 и 45 мм), позволяющие разгонять частицы массой 1 200 г до ~ 2 км/с, предназначены для испытаний элементов изделий на стойкость к ударным воздействиям.

Основным направлением модернизации УТВД является повышение технологичности испытаний: переход на высоковольтные безопасные детонаторы, доработка взрывной камеры, сокращение обслуживающего персонала.

Для расширения диапазона скоростей и размеров метаемых частиц, согласно требованиям к испытаниям космических аппаратов (КА) различного назначения, комплекс метательных установок должен быть модернизирован с целью обеспечения ударного нагружения частицами размером 2 15 мм со скоростями до 7 8 км/с. В этих целях предполагается рассмотреть два возможных варианта модернизации: дооснащение комплекса установок ГП-50 двухступенчатой баллистической установкой с водородом в качестве рабочего тела [3] или создание двухступенчатой установки по схеме воздух – водород с использованием в первой ступени порохового заряда [4].

Стенды для испытаний перспективных транспортных кораблей в условиях посадки, а также нагружения при аварийных ситуациях В связи с разработкой перспективного базового пилотируемого транспортного корабля (ПТК) возникает необходимость экспериментальной отработки прочности конструкции и работоспособности бортового оборудования при посадке, которая является наиболее ответственным этапом эксплуатации в отношении режимов нагружения. Большая масса ПТК, многообразие вариантов его использования (включая многоразовость) и условий посадки возвращаемого аппарата (ВА) не позволяют проводить испытания корабля на существующем стендовом оборудовании. В связи с этим целесообразно использовать корпус 028 ФГУП ЦНИИмаш, где имеется лабораторный зал размером в плане 4236 м, высотой до подкрановых путей 18,5 м, с мостовым краном грузоподъёмностью 20 т. Зал оборудован бетонным фундаментом размером 686 м для проведения копровых испытаний, что позволяет с минимальными затратами адаптировать зал к проведению испытаний ПТК. Расчётные оценки показали, что габариты зала позволяют моделировать посадку корабля в необходимом диапазоне вертикальной и горизонтальной скоростей. Для этого следует спроектировать и изготовить стапель, с помощью которого объекту испытаний сообщается требуемая скорость по схеме маятника или «горки». В целях моделирования ударных нагрузок при посадке и в аварийных ситуациях могут быть также использованы вертикальный и горизонтальный толкающие стенды взрывного типа, обеспечивающие динамические нагрузки до 600 тс длительностью 10 40 мс с изменением во времени в виде полуволны синусоиды. Эти стенды ранее использовались для отработки пенетраторов в рамках программы «Марс-96» при условиях внедрения его в грунт (реализовались скорости до 70 м/с и ускорения до 103 g). После реконструкции стенды могут применяться для широкого круга испытаний крупномасштабных изделий различного назначения, а именно: подтверждения заданных нормированных режимов нагружения ВА и узлов крепления оборудования при различных режимах посадки; проверки и оценки сохранности посадочных плоскостей под приборы; определения ударных воздействий на экипаж; определения характера и величины ускорений на опорах, усилий в подкосах и амортизаторах, ходов амортизаторов в процессе посадки; определения возможных деформаций опор при контакте с грунтом-аналогом; определения деформации грунта-аналога; установления уровня ударных воздействий на экипаж путём замеров с использованием антропоморфных манекенов; уточнения эмпирических зависимостей перегрузок от упругих характеристик ВА, грунта и условий посадки; отработки ресурсной ударной прочности.

ИНСТРУМЕНТАРИЙ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ИСПЫТАНИЙ БОРТОВОГО

ОБОРУДОВАНИЯ НА ВИБРОУДАРНЫЕ НАГРУЗКИ

Устойчивое функционирование бортового оборудования ракет-носителей (РН) и КА в значительной степени определяется его стойкостью к воздействию виброударных нагрузок в результате срабатывания пиротехнических средств разделения. Существующие, в том числе серийно выпускаемые, виброударные стенды не обеспечивают воспроизведение нагрузок с требуемыми параметрами. Применение штатных пиросредств разделения КА при автономных испытаниях бортового оборудования затруднительно, так как эти средства являются дорогостоящими сложными устройствами однократного действия.

В ЦНИИмаше разработано семейство стационарных виброударных стендов взрывного действия, позволяющих создавать виброударные нагрузки на элементы бортового оборудования в частотном диапазоне до 10 кГц при амплитудах ускорения до 10000 g. Кроме этих стендов разработано также мобильное виброударное устройство, с помощью которого создаётся локальное воздействие, нормированное по ударному спектру.

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

В процессе отработки ударной прочности требуются регистрация и обработка результатов измерения высокоинтенсивных быстропротекающих процессов. Моделируемые процессы характеризуются широким диапазоном измеряемых величин: ускорение от 400 до 20000 g в полосе частот 0,1 100 кГц; давление от 500 кПа до 10 ГПа в полосе частот 0,1 100 кГц; скорости от 0,4 до 10 км/с.

В 1996 2013 гг. система измерений параметров быстропротекающих процессов (ускорения, импульсного давления и т. д.), применяемая при отработке ударной прочности, постоянно модернизировалась. В этот период был осуществлён переход от аналоговых средств регистрации к цифровым. Однако проведённая модернизация была частичной и коснулась только наиболее критичных систем. В настоящее время в эксплуатации находятся информационноизмерительные системы ИИС-5557/1 и ИИС-5557/2, предназначенные для измерения ударного ускорения и импульсного давления, оснащённые современной датчико-преобразующей аппаратурой; вводится в эксплуатацию система ИИС-5557/3 для измерения динамических деформаций. Измерительные системы построены на программно-аппаратной платформе с открытой модульной архитектурой [5].

С технической и метрологической точек зрения обеспечение проведения испытаний в указанных диапазонах измеряемых параметров с использованием только одной системы невозможно. Планируемая модернизация систем измерения будет реализована по следующим направлениям:

– измерение ударных ускорений – повышение частоты опроса на канал (c 200 до 250 килослов/с), уменьшение погрешности преобразования сигнала; увеличение объёма встроенной памяти; применение измерительных модулей со встроенными усилителями заряда, что позволяет работать как с датчиками со встроенной электроникой, так и с зарядовыми датчиками; внедрение датчиков ускорения с высокими амплитудно-частотными характеристиками;

– измерение импульсных давлений – расширение номенклатуры используемых датчиков давления со встроенной электроникой (от 500 кПа до 690 МПа);

применение в датчиках давления со встроенной электроникой усилителей – источников питания с полосой пропускания до 1 МГц; повышение частоты опроса на канал с 1 до 2 мегаслов/с; увеличение количества каналов измерений; внедрение пьезорезистивных датчиков давления с пределом измерений до 1,3 ГПа и резонансной частотой 1 МГц;

– измерение динамических деформаций – увеличение частоты опроса на канал с 102,4 килослов/с до 1 мегаслов/с и полосы пропускания с 46 до 450 кГц.

Планируется также создание мобильных информационно-измерительных систем. Бросковые испытания изделий всегда являлись трудоёмкой задачей в части их подготовки и проведения. Применение расположенных внутри объекта испытаний малогабаритных систем измерения в ударопрочном исполнении с высоким функционалом позволит существенно облегчить процесс наземной отработки при указанных испытаниях. Предлагается в рамках инвестиционного проекта создать мобильную информационно-измерительную систему в ударопрочном исполнении с возможностью регистрации измерительной информации (давление, ускорения, деформации) от различных датчиков. Такие системы должны обладать небольшой массой и при этом иметь высокие метрологические характеристики.

Системы высокоскоростной съёмки Высокоскоростные оптические камеры можно разделить на две основные категории: созданные с применением технологий на базе комплементарной структуры металл – оксид – полупроводник и с применением электронно-оптических преобразователей (ЭОП).

Высокоскоростные камеры первого типа характеризуются высоким разрешением при малых скоростях съёмки (на сегодняшний день это 22 500 кадров в секунду при разрешении 1280 800 пикселей). Такие камеры эффективны в случае регистрации относительно медленных процессов, например регистрации скорости частицы в диапазоне от 100 до 1500 м/с, или при бросковых испытаниях. Применение программных пакетов по обработке изображений позволяет создавать на базе высокоскоростных камер системы измерения скорости. В настоящее время база ударной прочности обеспечена одной камерой Phantom Miro-310, позволяющей регистрировать процессы со скоростью 3200 кадров в секунду при разрешении 1280800 пикселей. Предполагается создать систему регистрации на основе нескольких камер фирмы Ametek для проведения измерений при бросковых испытаниях и при низкоскоростных взаимодействиях.

Камеры второго типа позволяют регистрировать процессы с длительностью экспозиции 3 нс при разрешении 13801024 пикселей [6]. Данный тип камер имеет ограничение по количеству регистрируемых кадров – максимум 8. Основным направлением использования камер с ЭОП является фиксирование высокоскоростного метания частиц (от 2 до 10 км/с) и взаимодействия ударника с преградой на легкогазовых установках.

Рентгеноимпульсные установки Для моделирования воздействия микрометеоритной среды на защитные конструкции КА, в особенности с использованием взрывных методов ускорения частиц, требуется создание средств регистрации и контроля режимов нагружения. В мировой практике в этих целях применяются рентгеноимпульсные установки. Разгоняемые при помощи взрывчатых материалов до 10 км/с и более алюминиевые частицы невозможно зарегистрировать обычными оптическими методами из-за возникающих при подрыве ВВ вспышки, вибрации конструкции и разлёте облака осколков. Поэтому следует использовать рентгеновское излучение, которое может быть зарегистрировано на люминофорах с памятью [7], с последующим считыванием информации засвеченного люминофора и конвертацией её в цифровое изображение. Для получения трёхмерной картины регистрируемого процесса необходимо построение 3-канальной рентгеноимпульсной установки. В ходе проводимой модернизации экспериментальной базы может возникнуть ряд проблем метрологического характера. Известно, что при создании измерительных систем требуется использование датчиков утверждённого типа, имеющих свидетельство о поверке в государственной метрологической службе с действующим сроком. Однако в отрасли отсутствуют эталоны импульсного давления и ударного ускорения применительно к перегрузкам свыше 5000 g. Вследствие этого считается перспективным создание стенда для калибровки датчиков давления и ускорения на базе установок ГП-100. Кроме того, в настоящее время не существует промышленно выпускаемых средств измерений скорости, превышающей 1500 м/с, что приводит к необходимости их разработки.

ХРАНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Следует отметить, что для решения поставленных задач должна быть создана постоянно пополняемая база данных о проведённых методических экспериментах и испытаниях изделий. Сохранение такой информации имеет особо важное значение при исследованиях в области ударной прочности, где для обеспечения практически каждого испытания требуются специальная оснастка, отработка режимов нагружения, а иногда и создание специальных нагружающих устройств.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ

Методы компьютерного моделирования для исследования и отработки ударной прочности изделий, сформированные в основном до 1985 г., были существенно ограничены возможностями вычислительной техники того периода. Сейчас необходимо провести работу по совершенствованию расчётных исследований в направлении расширения классов корпусных конструкций, использования уточнённых уравнений состояния конструкционных и защитных материалов, применения новых численных алгоритмов с повышенной расчётной устойчивостью, применения технологии параллельных вычислений.

Вследствие развития вычислительных средств сложилась качественно новая ситуация в инженерной практике расчётов. На рынке программного обеспечения имеется широкий выбор прикладных программных пакетов: ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, – применение которых даёт возможность решить преобладающую часть задач динамической и ударной прочности, позволяющих проводить оценки поведения как сложных элементов, так и конструкций в целом с учётом основных особенностей процессов деформирования.

Важным и приоритетным направлением совершенствования технологии экспериментальной отработки ударной прочности конструкций РКТ является внедрение в практику предыспытательного моделирования, положительно зарекомендовавшего себя при отработке статической прочности ряда изделий РКТ, прежде всего РН «Ангара».

Надо отметить, что современные программные комплексы позволяют исследовать прочность конструкций самой сложной конфигурации на основе использования уточнённых уравнений состояния конструкционных и защитных материалов с учётом применения новых численных алгоритмов с повышенной расчётной устойчивостью и технологии параллельных вычислений.

ПРОБЛЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОРПУСА 028

Таким образом, в целях технического перевооружения экспериментальной базы для исследования ударной прочности необходимо: провести реконструкцию части здания, его помещений и технологических систем; заменить изношенные элементы технологической инфраструктуры; модернизировать системы управления, измерения, сбора и обработки информации; переоснастить экспериментальные установки современными средствами измерений и диагностики, а также высокотехнологичными средствами сбора, обработки и отображения результатов испытаний; создать новые испытательные стенды по отработке прочности и стойкости перспективных изделий.

ЛИТЕРАТУРА

1. З а б и р о в И. Х., С т а р ц е в В. Г., С у д о м о е в А. Д. и др. Исследования ударной прочности ракетных конструкций. – Космонавтика и ракетостроение, 1995, вып. 4.

2. Б о р и с о в В. А., К у з о в л е в В. Д. и др. Физика ядерного взрыва. М.:

Физматлит, 2009, т. 1 3.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
Похожие работы:

«А.А. Банщикова ОБРАЗ ЧУЖОЙ СТРАНЫ: НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВОСПРИЯТИЯ ОБРАЗА РОССИИ В НИГЕРИИ 1 С конца прошлого столетия как широкую общественность, так и научные круги стали особенно волновать проблемы ксенофобии...»

«2015, № 4 (42) УДК 94(4) UDC DOI: 10.17223/18572685/42/6 ИМПЕРСКАЯ СЛОВЕСНОСТЬ И СЛАВЯНСКИЙ ЛИТЕРАТУРНЫЙ РЕГИОНАЛИЗМ: СЛУЧАЙ УКРАИНСКОЙ ЖУРНАЛИСТИКИ НАЧАЛА XIX в.* В.С. Киселев Томский государственный университет Россия, 134050, г. Томск, пр. Ленина, 36 E-mail: kv-u...»

«ГОДОВОЙ ОТЧЕТ Банка ВТБ 24 (закрытое акционерное общество) за 2012 год СОДЕРЖАНИЕ 1. Положение Банка в отрасли 3 2. Приоритетные н а п р а в л е н и я деятельности Банка 7 3. Результаты развития Ьанка по приоритетным н а п р а в л е н и я м его д е я т е л ь н о с т и 21 4. И н ф о р м а ц и я об объеме каждого из и с п о л ь з о в а н...»

«W1500 Цифровой проектор Серия: Домашний кинотеатр Руководство пользователя Содержание Важные правила Регулировка угла проецирования безопасности Общее описание. 6 изображения Использование стандартных и Комплект поставки пользова...»

«Таблица 1 Изменение МД по типам лесных насаждений Снижение МД в 2005 к 1994, % Типы насаждений на поверхности почвы на высоте 1м Березняки 24,5 18,5 Дубравы 33,1 29,0 Сосняки 36,6 36,4 Залежи и луга 48,9 41,9 Черноольшаники 50,1 41,8 Среднее значение 38,6 33,5 CHANGE RADIACIONNOY SITUATIONS IN NEAR ZONE CHNNP Chudinov A.N...»

«ГОДОВОЙ ОТЧЕТ 2014 год Hewlett-Packard Company 2014 год ОГЛАВЛЕНИЕ Обращение Председателя Совета директоров некоммерческого партнерства "Национальный платежный совет" Мурычева А.В. I. О некоммерческом партнерстве "Национальный платежный совет" I...»

«Кьеркегор, Фихте и субъект идеализма Майкл О’Нил Бёрнс Старший преподаватель, факультет философии, Университет Западной Англии. Адрес: Frenchay Campus, Coldharbour Lane, BS16 1QY Bristol, UK. E-mail: michael2.burns@uwe.ac.uk. Ключевые слова: Кьеркегор; Фих...»

«Center of Scientific Cooperation Interactive plus Никитина Наталья Ивановна д-р пед. наук, профессор, ведущий научный сотрудник Научно-образовательный центр ФГБОУ ВО "Российский государственный социальный университет" г. Москва Верёвкина Анна Николаевна студентка ФГБОУ ВО "Российский государственный социальный университет" г. Москва Машкович Наталия...»

«Д.Г. Пикунов РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПОГРАНИЧНИКОВ, СЛУЖАЩИХ НА ЗЕМЛЕ ТИГРА И ЛЕОПАРДА ПОСОБИЕ Владивосток 2007 ББК 28.68 Пи 32 Рекомендации для пограничников, служащих на земле тигра и леопарда. Пособие. Владивосток: АВК "Апельсин", 2007. — 44 стр. 2-е издание, дополненное Научный редактор: к.б.н. Ю....»

«июль 2013 г. № 2 (75) Пополнение Торжественный Выставочный сезон: по трём брэндам в запуск пятого итоги участия модельной линейке прессового комплекса компании СИАЛВТО стр. 3 стр. 5 Дорогие друзья! Уважаемые коллеги! От всей души поздравляю вас с праздником – с Днем...»

«Предварительно УТВЕРЖДЕН: УТВЕРЖДЕН: Решением Совета директоров Решением годового общего собрания акционеров ОАО "МЕТРОВАГОНМАШ" ОАО "МЕТРОВАГОНМАШ" Протокол № 11 от 23 мая 2008 г. Протокол № 1 от 04 июля 20...»

«УДК 658.155.012.7 И. Г. Ушанов Самарский государственный университет путей сообщения г. Самара, Россия Ключевые показатели эффективности (KPI): основы группировки, взаимосвязь с системой планирования и бюджетирования В ра...»

«ГОС ВПО по направлению подготовки дипломированного специалиста 656100 Технология и конструирования изделий легкой промышленности утвержден приказом Министерства образования Российской Федерации №194 от 23.03.2000...»

«ЭНИОЛОГИЯ Глава 1 Эниология – древнейшая наука современности. Чудес на свете не бывает. У самосознания природы, каковым является на Земле человек, должно быть универсальное зрение: в расчете не только на пространство, но и на время. Все дело в уровне ра...»

«Институт институциональных исследований М.В. Семенова Набеги вкладчиков и издержки получеНия иНформации Препринт WP10/2010/07 Серия WP10 Научные доклады Института институциональных исследований Москва УДК 336.717 ББК 65.262.1 C30 Редакторы серии WP10 "Научные доклады Института институциональных исследований" Я.И....»

«ПОЛИТИКА И РЕЛИГИЯ ВСЕ ЛИ СОЦИАЛИСТЫ АНТИРЕЛИГИОЗНЫ? Ы АНТИРЕЛИГИОЗН НОСТЬ И "ЛЕВЫЕ" В 21 СТРАНЕ ЗАП ПАДНОЙ ЕВРОПЫ (1990—2008 ГГ.)* Э. Рибберинк1, П. Ахт терберг2, Д. Хаутман1 Лёвенский университет, Бельгия Университет Тилб бурга, Н...»

«УТВЕРЖДЕНО Постановление Министерства образования Республики Беларусь 03.10. 2008 № 96 Образовательный стандарт ОБЩЕЕ СРЕДНЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ Основные нормативы и требования Адукацыйны стандарт АГУЛЬНАЯ СЯРЭДНЯЯ АДУКАЦЫЯ Асноўныя нарматывы і патрабаванні Educational standard GENERAL SECONDA...»

«Грохольский Никита Сергеевич Научно-методические основы оценки интегрального риска экзогенных геологических процессов Специальность 25.00.08 Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук Москва 2014 г. Работа в...»

«Содержание Введение..3 1 Теоретические подходы к оценке демографической ситуации в регионе...5 1.1 Понятие демографической ситуации. Динамика и структура населения региона..5 1.2 Система показателей характеризующих демографическую ситуацию..11 2 Анализ демографической обстановки.17 2.1 Общая демографическая ситуация в Российско...»

«РУКОВОДСТВО для дипломатического и консульского персонала по оказанию помощи жертвам торговли людьми и их защите РУКОВОДСТВО В качестве одного из своих стратегических направлений деятельности в 2008-2010 гг. Целевая группа Совета государств Балтийского моря по борьбе с торговлей людьми, специ...»

«5. Замена футеровки глиссажных и опорных труб на более современную, что позволит значительно снизить теплопотери с охлаждающей водой.6. Заменить заслонку на загрузке, на не водоохлаждаемую конструкцию с применением волокнистой изоляции.7. Провести проектирование и изготовление...»

«Данная инструкция актуальна для следующих моделей: ВНИМАНИЕ SPORT: Rave™ 600 ACE Rave™ 600 E-TEC Rave™ RE 600 E-TEC Rave™ RE 800 E-TEC DEEP SNOW SPORT: BoonDocker® 3700 600 E-TEC BoonDocker® 3700 800R E-TEC BoonDocker® RE 3700 800R E-TEC B...»

«Приложение Утверждены Приказом №_ От_ УСЛОВИЯ оказания услуг связи ПАО "МЕГАФОН" РАЗДЕЛ I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Услуги в соответствии с настоящими Условиями оказываются Оператором под товарным знаком "МегаФон". Товарный знак "МегаФон" надлежащим образом зарегистрирован и охраняется...»








 
2017 www.doc.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.