Задачи и содержание наземной отработки ЛА
Как указывалось выше, наземная отработка включает в себя: наземные автономные испытания (НАИ) основных элементов; наземные комплексные испытания (НКИ) летательного аппарата или групп основных элементов; наземные полигонные испытания комплекса (НПИ).
Основная задача НАИ — качественная проверка работоспособности и оценка надежности основных агрегатов и систем ЛА. 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 жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), системы разделения ступеней и т. д. Испытания проводят на натурных опытных образцах, при этом условия их работы в составе ЛА моделируются неполностью. 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, 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 изменения 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 и т. д.).
После завершения отработки изделия принимают решение о проведении серии зачетных испытаний, которые носят приемосдаточный характер. В процессе этих испытаний, как правило, изменения в конструкцию и технологию не вносятся и на испытания допускаются только штатные изделия.
На этапе наземной отработки конструкция ЛА испытывается 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 ракетного 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 ракетного двигателя на твердом топливе (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 испытаниях 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 отдельным 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 силовозбудителей 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 испытаниях 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 выполняют на специальных динамических стендах — сложных и дорогостоящих сооружениях.
Частоты и формы собственных колебаний изделия чаще всего определяют резонансным методом на вибростендах или с помощью мощных вибраторов, крепящихся на корпусе. Размещенные на конструкции вибропреобразователи 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 полезного груза.
Для определения вибронадежности ЛА при транспортировке могут быть использованы специальные стенды, имитирующие подпрыгивание, галопирование, виляние, боковую качку. Однако более полно эти нагрузки отрабатываются в ходе натурных транспортировочных испытаний.
Наземные автономные испытания системы управления полетом обычно проводятся на специальных стендах, позволяющих имитировать работу ЛА при пуске и в полете. Часто такие условия полета имитируют с помощью ЭВМ. При испытаниях, как правило, используются натурные опытные образцы основных приборов системы управления, приспособленные к условиям стенда. После завершения конструкторско-доводочных испытаний, в ходе которых уточняют характеристики и дорабатывают схемы основных приборов и подсистем, проводят несколько ресурсных (до отказа) испытаний штатных комплектов бортовой аппаратуры. Эти испытания — зачетные и служат для оценки надежности системы управления.
Наземные комплексные испытания ЛА выполняются с целью всесторонней проверки совместного действия автономно отработанных агрегатов и систем в условиях, близких к летным. Эти испытания позволяют наиболее полно подготовить новый образец к самому ответственному, сложному и дорогостоящему этапу экспериментальной отработки — летным испытаниям.
Программа НКИ во многом определяется назначением летательного аппарата. Для рассматриваемого класса, например, ракетного ЛА основным содержанием таких испытаний является проверка надежности совместной работы двигателей, системы управления и конструкции корпуса. Как правило, для испытаний используют ступени ракеты.
В ходе испытания организуют работу двигателей, системы управления, систем питания топливом, органов управления в течение времени, близкого к продолжительности полета. Испытания проводятся на огневом стенде, позволяющем включать двигательную установку. При этом проверяется работа системы управления с элементами автоматики двигателя при его запуске и выключении, точность действия систем опорожнения баков (СОБ) и регулирования кажущейся скорости (РКС), а также работа 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 уделяется проверке совместной работы системы управления с органами управления (проверка устойчивости полета), 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 проводится наземная полигонная отработка 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 ракетного ЛА к пуску и имитации пуска, в ходе этого устраняются вскрывающиеся просчеты и неисправности. Попутно корректируют эксплуатационную документацию и контролируют разработанные ранее графики подготовки изделия к пуску. Заканчиваются 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 ЛА 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 процесс эксплуатации между группой стартовых позиций).
В ходе испытаний измеряются деформации, перемещения, частоты и амплитуды колебаний элементов конструкции ЛА и транспортных средств. После завершения испытаний некоторые изделия отправляют на завод-изготовитель для 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 организуется опытная эксплуатация комплекса, могут проводиться его наземные полигонные испытания с целью определения возможных сроков эксплуатации и хранения (долговечности и сохраняемости), а также испытания при предельных метеорологических условиях (так называемые климатические испытания).
Цель испытаний на долговечность — оценка надежности ЛА и всего комплекса в течение полного, гарантированного заводом-изго — товителем срока его эксплуатации. Проведение таких испытаний позволяет вскрыть ряд недостатков в конструкциях и режимах эксплуатации, устранение которых обеспечивает повышение надежности всей системы ЛА.
Цель 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 ракетных изделий, прошедших транспортировочные и климатические испытания, а также проверку длительным хранением, осуществляют в ходе их летной отработки.