Układy pneumatyczno-hydrauliczne
rakiet z silnikami na ciekłe materiały napędowe

Rakiety z silnikami na ciekłe materiały napędowe (RMN) mają układy pneumatyczno-hydrauliczne, składające się ze zbiorników powietrza i RMN, przewodów łączących oraz podzespołów automatyki silnika i rakiety. Pozwala to na napełnianie i opróżnianie zbiorników RMN i sprężonego powietrza, przeprowadzanie nadmuchu zbiorników przed startem i podczas lotu rakiety, stałe zasilanie silników podczas lotu oraz regulację ich pracy według założonego programu lub w funkcji aktualnych warunków lotu. Rodzaj konstrukcji układów jest zależny od typu rakiety, jednak ich wspólną cechą są ogólne wymagania i kolejność działania podzespołów pneumatyczno-hydraulicznych. Wymagania wobec układów pneumatyczno-hydraulicznych są następujące:

• wysoka gotowość bojowa rakiety, tzn. stan, który umożliwia wykonanie startu w najkrótszym czasie;
• obliczeniowe balistyczne charakterystyki rakiety, tzn. odpowiednia donośność i parametry rozrzutu;
• duża niezawodność, obejmująca bezawaryjną pracę wszystkich elementów układu w procesie przygotowania rakiety do startu i podczas lotu;
• prostota elaboracji.

Podczas przygotowania rakiety do startu najwięcej czasu zajmuje napełnianie jej RMN. Można stosować dwa sposoby napełniania:

• przedstartowe napełnianie RMN: rakieta przechowywana jest w określonym czasie w stanie napełnionym. Czas ten (określony w instrukcjach eksploatacji) zależy od stopnia oddziaływania RMN na materiały zbiorników i przewodów oraz stopnia zachowania stałych własności fizykochemicznych samych składników RMN;
• napełnianie rozpoczyna się w chwili otrzymania rozkazu do startu. Wymagane są w tym przypadku dystrybutory o odpowiednim wydatku pomp.

W celu uzyskania zadanych charakterystyk balistycznych rakiety, elementy układów pneumatyczno-hydraulicznych muszą pracować bezawaryjnie, w określonym przedziale temperatur, przy dowolnej wilgotności i stopniu zanieczyszczenia atmosfery. Zmiana temperatury otoczenia wymaga zastosowania specjalnych urządzeń kompensujących odkształcenia temperaturowe przewodów określających żądane nadciśnienie powietrza w zbiornikach RMN oraz zapewniających poprawną pracę automatyki. kadłub rakiety powinien być hermetyczny, aby zmniejszyć wpływ wilgotności i zanieczyszczeń powietrza, powodującego intensywną korozję (zwłaszcza w rejonach nadmorskich).

Donośność i charakterystyki ciężarowe rakiety zależą od siły ciągu i ciągu jednostkowego silnika, który zależny jest proporcjonalnie od wydatku masowego RMN oraz stosunku wydatku paliwa i utleniacza. W celu uzyskania żądanego wydatku RMN i właściwego stosunku wydatku paliwa i utleniacza, w rakietach dobiera się odpowiednią średnicę przewodów RMN, które między innymi zapobiegają zjawiskom kawitacji w pompach oraz projektuje układy regulacji zapewniające właściwy stosunek wydatku paliwa i utleniacza. Aby zapewnić wysoką niezawodność pracy układów pneumatyczno-hydraulicznych stosuje się wiele przedsięwzięć, takich jak:

• racjonalne projektowanie układów pneumatyczno-hydraulicznych w ścisłej korelacji pomiędzy ich charakterystykami a masą;
• minimalizowanie liczby urządzeń przy jednoczesnym zwiększaniu ich niezawodności;
• zastosowanie materiałów odpornych na oddziaływanie RMN i otoczenia;
• minimalizowanie liczby łączeń pneumatyczno-hydraulicznych pomiędzy stopniami rakiety i agregatami wyposażenia naziemnego w celu wyeliminowania uszkodzeń podczas startu rakiety i oddzielania stopni;
• projektowanie takiej kolejności działania elementów układów pneumatyczno-hydraulicznych, przy której następne operacje nie mogą być wykonane do chwili otrzymania sygnału o zakończeniu operacji poprzedniej.

Prostota eksploatacji daje możliwość zminimalizowania liczby personelu obsługującego i oprzyrządowania naziemnego oraz zmniejszenie czasu osiągania gotowości bojowej rakiety do startu. Aby to osiągnąć muszą być spełnione następujące warunki:

• na pokładzie rakiety umieszcza się ściśle określoną ilość RMN i powietrza, stosuje silniki z gazogeneratorami turbin i układu dopełniania wykorzystującymi te same składniki RMN, przez co można zmniejszyć liczbę naziemnych dystrybutorów;
• elementy układów podczas sprawdzania przedstartowego i podczas uruchamiania silnika nie powinny wymagać podgrzewania i zawierać urządzeń elektroogrzewczych;
• rakieta powinna mieć minimalną liczbę luków zapewniających dostęp do urządzeń podczas sprawdzeń kontrolno-pomiarowych w okresie przechowywania i przedstartowym.

W przypadku rakiet dwustopniowych, z szeregowym rozmieszczeniem stopni, można wyodrębnić charakterystyczne etapy pracy układów pneumatyczno-hydraulicznych, takie jak:

• czynności przygotowawcze;
• rozruch silnika pierwszego stopnia, uzyskanie nominalnej siły ciągu i start rakiety;
• współdziałanie urządzeń automatyki podczas lotu do oddzielenia się pierwszego stopnia;
• oddzielenie się stopni;
• współdziałanie urządzeń automatyki podczas lotu drugiego stopnia;
• naprowadzanie lub lot z określonym stałym programem;
• oddzielenie się części bojowej lub zadziałanie ładunku bojowego od określonego rodzaju zapalnika, bez oddzielania się od drugiego stopnia rakiety.

Do operacji przygotowawczych można zaliczyć napełnianie rakiety RMN i zadziałanie pokładowych źródeł zasilania energią elektryczną. Operacje te mogą być wykonywane autonomicznie lub automatycznie.

Płynne narastanie siły ciągu silników podczas startu można uzyskać przez stosowanie wstępnego rozruchu silnika. W celu uniknięcia nieracjonalnego zużycia paliwa, a tym samym zmniejszenia maksymalnej donośności rakiety, określa się czas wstępnego rozruchu silnika. Kolejność i czas pracy układów pneumatyczno-hydraulicznych w danym etapie określa się na podstawie następujących danych:

• rodzaju silnika;
• charakteru narastania siły ciągu podczas rozruchu silnika;
• dopuszczalnego przedstartowego zużycia RMN;
• dopuszczalnego czasu rozruchu silnika w celu określenia czasu podania sygnału do awaryjnego wyłączenia, jeżeli czas rozruchu został przekroczony.

Podczas lotu rakiety układy pneumatyczno-hydrauliczne powinny zapewnić właściwą regulację siły ciągu, współczynnika K (stosunek wydatku paliwa i utleniacza) oraz ciśnienia dopełniania zbiorników. W celu zapewnienia bezawaryjnej, poprawnej pracy urządzeń automatyki sterujących pracą układów pneumatyczno-hydraulicznych, uwzględnia się m.in. następujące dane:

• czynności naprowadzania i śledzenia z naziemnych stacji naprowadzania;
• zakres regulacji siły ciągu i współczynnika K oraz czas włączenia regulatorów po starcie rakiety;
• właściwy dopływ do zespołu napędowego RMN i sprężonego powietrza;
• sposób opróżniania zbiorników RMN podczas lotu rakiety.

Szczególnie ważne dla pracy układów pneumatyczno-hydraulicznych są etapy oddzielenia stopni rakiety. Podczas oddzielania stopni, realizowane są następujące operacje:

• wyłączenie silnika pierwszego stopnia (zakończenie pracy);
• włączenie silników sterujących drugiego stopnia (jeżeli są);
• oddzielenie stopni;
• włączenie silnika drugiego stopnia.

W tym etapie pracy układów pneumatyczno-hydraulicznych muszą być spełnione następujące wymagania:

• w procesie oddzielenia stopni konieczne jest ciągłe sterowanie, ponieważ drugi stopień może zmienić tor lotu a układ sterowania nie będzie w stanie zapewnić dalszego prawidłowego lotu;
• zapobieżenie przemieszczania się RMN w zbiornikach, gdyż może to mieć wpływ na pracę pomp i silnika;
• zapewnienie bezkawitacyjnej pracy pomp podczas rozruchu drugiego stopnia: uzyskuje się przez wytworzenie stałego ciśnienia oraz nieprzerwanego dopływu cieczy (RMN) do wlotu pomp;
• właściwe oddzielenie stopni, w określonym czasie: może nastąpić przez zmniejszenie końcowej siły ciągu pierwszego stopnia (stopniowe wyłączenie silnika), zakończenie pracy silnika pierwszego stopnia lub zastosowanie silników hamujących.

Podczas lotu rakiety układy pneumatyczno-hydrauliczne wykonują lub wspomagają pracę zespołów sterujących lotem rakiety. Zespoły te dzielą się na aerodynamiczne i gazodynamiczne. W zespołach sterujących aerodynamicznych czynnikiem sterującym pracą serwomechanizmów wychylających stery powietrzne może być sprężone powietrze. Ze względu na możliwość oderwania się strumienia największy kąt obrotu steru powietrznego nie przekracza 10-12°. Natomiast ze względu na niewielką i niestałą efektywność działania, stery powietrzne w rakietach balistycznych stosuje się tylko jako wspomagający zespół sterowania. W zespołach sterujących gazodynamicznych, stosowanych w silnikach na paliwo ciekłe i stałe, układy pneumatyczno-hydrauliczne mogą realizować następujące funkcje:

• wychylanie całego silnika zamocowanego przegubowo. maksymalny kąt wychylenia tego typu silnika nie przekracza ±10°, ze względu na szybko rosnące straty siły ciągu w kierunku lotu;
• wychylanie wylotowej części dyszy silnika, tzw. nasadki w granicach kilku stopni;
• obracanie (wychylanie) sterów żaroodpornych za pomocą siłowników pneumatycznych, umieszczonych za przekrojem krytycznym dyszy;
• sterowanie strumieniem. W nadkrytycznej części dyszy znajdują się otwory sterujące, przez które wprowadza się dodatkowy boczny strumień utleniacza, np. kwasu azotowego. Zmienia on symetrię końcowego spalania silnika, a tym samym wypływanie gazów spalinowych przez dyszę.

Podczas oddzielania części bojowej następuje wyłączenie silnika drugiego stopnia rakiety, w celu polepszenia warunków pracy układu sterowania i zmniejszenia impulsu działania końcowej siły ciągu. Należy dodać, że praca układów pneumatyczno-hydraulicznych w rakietach z silnikami na ciekłe RMN jest ściśle powiązana z pracą pokładowej aparatury układu sterowania rakietą oraz wyposażenia naziemnego.

Bibliografia:

1. A. N. Siniukow i I.H. Morozow - Konstrukcja sterowanych rakiet balistycznych. Warszawa 1972 WAT

2. R. Staniszewski - Sterowanie zespołów napędowych. Warszawa 1980 WKiŁ.