ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Наземная отработка включает в себя: наземные автономные испытания (НАИ) основных элементов; наземные комплексные испытания (НКЦ) летательного аппарата или групп основных элементов; наземные полигонные испытания комплекса.
Основная задача НАИ — качественная проверка работоспособности и оценка надежности основных агрегатов и систем летательного аппарата. Успешное завершение НАИ позволяет считать системы подготовленными к комплексным испытаниям в составе ЛА или его ступени. Автономным испытаниям подвергаются двигатели, системы управления, конструкции отсеков, системы питания топливом летательных аппаратов с ЖРД, системы разделения блоков и т. д. Испытания проводят на натурных опытных образцах, при этом условия их работы в составе ЛА моделируются не полностью. Для проведения испытаний оборудуют специальные лаборатории и стенды, представляющие собой иногда уникальные дорогостоящие сооружения. В связи с этим НАИ и НКИ, для проведения которых также строят специальные стенды, часто называют стендовыми испытаниями.
Автономные испытания обычно разделяют на конструкторско- доводочные (КДИ) и зачетные. В ходе КДИ проводят доработку конструкции агрегата или системы. Вскрывая и устраняя причины отказов или неисправностей изделия, добиваются его стабильной работоспособности за счет изменений конструкции или технологии изготовления. В этот период, как правило, используют нештатные опытные натурные образцы (например, двигатели с повышенным запасом прочности конструкции или ресурсом работы, системы управления с заимствованными или приспособленными приборами в т. д.).
После завершения отработки изделия принимают решение о проведении серии зачетных испытаний, которые носят приемо-сдаточный характер. В процессе этих испытаний, как правило, изменения в конструкцию и технологию не вносят и »е испытания допускают только штатные изделия.
Автономные испытания ЖРД проводят в несколько этапов. Сначала выполняют холодные проливки двигателя водой, при которых проверяют гидравлические сопротивления трактов. Затем отрабатывают систему газогенерации (горячие приливки). При этом реальные компоненты топлива подают во все агрегаты и трубопроводы двигателя, кроме камер сгорания, которые заменяют эквивалентными гидравлическими сопротивлениями. В процессе огневых испытаний двигатель работает полностью, однако режимы могут быть различными. Так, часто отдельно отрабатывают включение и выключение двигателя, действие в течение заданного времени, работу до отказа, дросселирование и форсирование. Важное место при отработке ЖРД занимают вопросы обеспечения устойчивости работы при различных режимах запуска и полета ЛА.
В ходе испытаний замеряют: температуру, давление, расходы компонентов, частоту и амплитуду колебаний в камерах сгорания, газогенераторах, основных трубопроводах и другие параметры. Определяют также и развиваемую в условиях стенда тягу двигателя. Огневые стенды для испытаний ЖРД оборудуют проводными телеметрическими системами, обеспечивающими запись измеряемых параметров, телевизионными установками, позволяющими следить за ходом испытаний. Стенды имеют системы заправки, слива и подачи компонентов топлива, нейтрализации, пожаротушения, вентиляции и т. д.
Стендовую отработку натурных РДТТ начинают с проверки прочности заряда и конструкции. Для этого проводят опрессовку двигателя давлением, близким к рабочему. При успешных результатах переходят к огневым испытаниям. >
Твердотопливные двигатели обычно рассчитаны на однократное включение и достаточно устойчиво работают до полного выгорания топлива. Поэтому основной режим испытания — запуск и работа до отказа или полного сгорания заряда. Для двигателей верхних ступеней гючения. В хо —
де испытаний измеряют давление и температуру в камере сгорания, нагрев стенок корпуса, частоту и амплитуду колебаний конструкции, тягу двигателя и другие параметры.
При огневых испытаниях РДТТ большой объем информации можно получить в случае осмотра корпуса после проведения запуска. В ходе осмотра обычно фиксируют прогары теплозащитного покрытия, разрушения вкладышей критического сечения сопла, нарушения герметичности корпуса и т. д. Проводят тщательное взвешивание двигателя до заполнения топливом, перед запуском и после испытания, что позволяет определить вес сгоревшего топлива и теплозащитного покрытия. Огневые стенды для испытаний РДТТ имеют системы телеметрии, вентиляции, пожаротушения, телевизионные камеры, а также другое необходимое оборудование и аппаратуру.
На этапе наземной отработки конструкцию ЛА испытывают в специальных лабораториях на действие статических и динамических нагрузок. В процессе проектирования проводят большой объем моделирования работы элементов корпуса в различных условиях, что позволяет выбрать схемы нагружения и определить характеристики конструкции. Однако только стендовые испытания натурных отсеков, а иногда и всего корпуса ЛА позволяют обеспечить его высокую надежность.
Задача статических испытаний — определение напряженно-деформированного состояния, жесткости конструкции, а также ее несущей способности по различным предельным, состояниям. Для определения напряженно-деформированного состояния конструкции проводят измерение ее деформаций, линейных и угловых перемещений при постепенном нагружении до расчетных значений. В зависимости от типа установки и объекта испытаний нагружение можно производить непрерывно или ступенчато.
Для определения несущей способности конструкции проводят нагружение до разрушения с фиксацией разрушающих нагрузок. Конструкцию, как правило, фотографируют до и после разрушения.
Остановимся на некоторых особенностях испытаний основных отсеков корпуса ЛА. Клепаные конструкции хвостовых, переходных и приборных отсеков летательного аппарата нагружают сжимающей осевой силой и изгибающим моментом. Топливные отсеки испытывают на действие внутреннего давления, осевой и перерезывающей силы, а также изгибающего момента. Корпус и днища РДТТ, сопловые блоки двигателей и трубопроводы для подачи компонентов топлива нагружают внутренним давлением.
Устойчивость топливных, хвостовых и приборных отсеков проверяют нагружением равномерно распределенным внешним давлением. Если критическое внешнее давление не превышает одной’ атмосферы, то нагрузку можно имитировать вакуумированием внутренних полостей. При испытания^ топливных отсеков, корпусов РДТТ и -трубопроводов внутреннее нагружение создают подачей воды под определенным давлением. Если топливные отсеки имеют большую длину, то такие испытания можно проводить по отдель — 1П2
ным секциям. Это позволяет точнее имитировать действие инерционного гидростатического давления при больших перегрузках в полете. Секции герметизируют технологическими днищами. Осевые нагрузки создают прессами с помощью гидравлических силовозбу — дителей и прикладывают через соседние отсеки или приспособления, имитирующие жесткость этих отсеков.
При пуске и в полете корпус ЛА испытывает воздействие высоких температур, поэтому при статических йспытаниях часто создают равномерный или направленный прогрев конструкции. Такие испытания характерны для определения несущей способности топливных баков, хвостовых и приборных отсеков.
Динамические испытания проводят для того, чтобы определить частоты и формы собственных колебаний, коэффициенты демпфирования, а также проверить вибропрочность конструкции. Для проведения испытаний изготавливают специальные макеты корпуса ЛА или его отсеков. Эксперименты проводят на специальных динамических стендах — сложных и дорогостоящих сооружениях.
Частоты и формы собственных колебаний изделия чаще всего vопределяют резонансным методом на вибростендах или с помощью мощных вибраторов, крепящихся на корпусе. Размещенные на конструкции вибродатчики позволяют измерить параметры процесса колебаний, установить природу возникновения резонансов. Как правило, незначительные доработки конструкции (увеличение жесткости, изменение формы некоторых элементов) позволяют существенно повысить вибронадежность изделия. Например, увеличение жесткости платы, на которой в приборном отсеке размещают гироскопические приборы, может заметно улучшить условия работы системы управления и повысить точность доставки полезной нагрузки.
Для определения вибронадежности ЛА при транспортировке могут быть использованы специальные стенды, имитирующие подпрыгивание, галопирование, виляние, боковую качку. Однако более полно это отрабатывают в ходе натурных транспортировочных испытаний.
Наземные автономные испытания системы управления полетом обычно проводят на специальных стендах, позволяющих имитировать работу ЛА при пуске и в полете. Часто такие условия полета имитируют с помощью ЭЦВМ или АВМ. При испытаниях, как правило, используют натурные опытные образцы основных приборов системы управления, приспособленные к условиям стенда. После завершения КДИ, в ходе которых уточняют характеристики и дорабатывают схемы основных приборов и подсистем, проводят несколько ресурсных (до отказа) испытаний штатных комплектов бортовой аппаратуры. Эти испытаний зачетные и служат для оценки надежности системы управления.
Наземные комплексные испытания летательного аппарата проводят с целью всесторонней проверки совместного действия автономно отр ‘ ІЗКИХ к летным. НКИ позволяют наиболее полно подготовить новый образец к самому ответственному, сложному и дорогостоящему этапу опытной отработки-—летным испытаниям.
Программа НКИ во многом определяется назначением летательного аппарата. Для рассматриваемого класса ЛА основным содержанием таких испытаний является проверка надежности совместной работы двигателей, системы управления и конструкции’ ЛА. Как правило, для испытаний используют ступени изделия.
В ходе испытания организуют работу двигателей, системы управления, систем питания топливом, органов управления в течение времени, близкого к продолжительности полета. Испытания проводят на огневом стенде, позволяющем включать двигательную установку. При этом проверяют работу системы управления с элементами автоматики двигателя при его запуске и выключении, точность действия систем СОБ и РКС, а также работу органов управления по заданной программе. На стенде можно смоделировать условия работы двигателя на большой высоте при низком атмосферном давлении, запуск двигателя при отсутствии перегрузок и т. п. В ходе испытаний измеряют те параметры, которые обычно контролируют при огневых испытаниях двигателей и автономных систем. Кроме того, фиксируют прохождение — команд от системы управления, моменты срабатывания элементов автоматики, угловые перемещения и скорости поворота органов управления, показания датчиков СОБ, РКС, температуры и давления в топливных баках, деформации конструкций, частоты и амплитуды колебаний элементов основных отсеков и т. д.
В ряде случаев не представляется возможным или целесообразным проводить НКИ с запуском двигателей. При этом основное внимание уделяют проверке совместной работы системы управления с органами управления (проверка устойчивости полета), системами СОБ, РКС, автоматикой двигателей. Возмущения, которые могут воздействовать на эти системы в полете, моделируют на стенде с помощью специальных приспособлений (например, постановкой вибраторов), а также аналоговыми и цифровыми Вычислительными машинами.
После завершения НКИ первые опытные образцы ЛА и других составных частей комплекса поступают на полигон, где проводят наземную полигонную отработку комплекса. В подготовленных сооружениях, практически впервые в процессе создания, стыкуют и совместно дорабатывают ЛА, заправочное, проверочно-пусковое, подъемно-транспортное и другое вспомогательное оборудование, спроектированное разными фирмами.
Процесс наземной полигонной отработки заключается в выполнении нескольких циклов подготовки ЛА к пуску и имитации пуска, в ходе этого устраняют вскрывающиеся просчеты и неисправности. Попутно корректируют эксплуатационную документацию и контролируют разработанные ранее графики подготовки изделия к пуску. Заканчивают испытания заправкой изделия и подготовкой комплекса к первому пуску.
По согласованию заказывающих и проектирующих организаций могут быть организованы транспортировочные испытания ЛА. Задача таких испытаний — проверка вибронадежности летательного аппарата и наиболее полная отработка транспортных средств. Обычно транспортировочные испытания проводят на железных, шоссейных и грунтовых дорогах. Режимы и длительность испытаний определяют предполагаемыми условиями эксплуатации ЛА (например, доставка по железной дороге с завода-изготовителя на базу, перевозка в специальных транспортных средствах от базы до стартовой позиции по шоссейным и грунтовым дорогам или движение в процесе эксплуатации между группой стартовых позиций).
В ходе испытаний производят замеры деформаций, перемещений, частот и амплитуд колебаний элементов конструкции ЛА и транспортных средств. После завершения испытаний некоторые изделия отправляют на завод-изготовитель ддя разборки и полной дефектации, а одно-два направляют на полигон и запускают для проверки надежности в реальных условиях.
Во время проведения летной отработки или после ее завершения, когда организуют опытную эксплуатацию комплекса, могут проводить его наземные полигонные испытания для проверки возможных сроков хранения, а также испытания при предельных метеорологических условиях (так называемые климатические испытания) .
Задача испытаний возможных сроков хранения — оценка надежности ЛА и всего комплекса в течение полного, гарантированного заводом-изготовителем срока его экспулатации. Проведение таких испытаний позволяет вскрыть ряд недостатков в конструкциях и режимах эксплуатации, устранение которых дает возможность повысить надежность всей системы ЛА.
Задача испытаний при предельных метеорологических условиях— отработка режимов эксплуатации комплекса при низких и высоких температурах, повышенной влажности воздуха, сильном приземном ветре, грозе, а также оценка надежности ЛА в этих условиях. Климатические испытания заключаются в проведении при указанных выше условиях нескольких циклов подготовки ЛА к пуску и его запуске.
Пуски изделий, прошедших транспортировочные и климатические испытания, а также проверку длительным хранением, осуществляют в ходе летной отработки.