Лекция 4 Особенности наземной эксплуатации ракет космического назначения

как объекта эксплуатации.
Эксплуатация – это тот самый этап, ради которого

разрабатывается и создается РКТ, как и любые технические устройства.
Характер и объем тех действий, которые человек как рабочее звено системы ― человек-машина должен провести для достижения заданной цели, определяет облик изделия как объекта эксплуатации, или его эксплуатационный портрет.
В ряде случаев наземная эксплуатация является более длительным и трудоемким процессом, чем летная. Поэтому человек вынужден создавать громоздкие и дорогостоящие технические и стартовые комплексы на космодромах. Эти комплексы предназначены для предстартовой подготовки РН, КА, РБ.

связанная с этим высокая цена ошибки, которая может быть допущена

при эксплуатации КСр;
высокая степень опасности для людей и окружающей среды;
необходимость разработки и использования специальных транспортных средств;
необходимость проведения сборочно-монтажных работ на космодроме, так как транспортировать РН в собранном виде с завода-изготовителя (арсенала) невозможно;
необходимость разработки и внедрения системы подготовки и принятия технических решений, связанных с эксплуатацией РКТ;
длительность и трудоемкость технологического процесса подготовки РН, КА, РБ к применению;
обеспечение возможности содержания РКТ в технических готовностях для оперативного решения задач по восполнению и наращиванию орбитальной группировки КА;
необходимость создания запасов различных видов на космодроме для оперативного решения возникающих вопросов;
необходимость оценивания и поддержания на требуемом уровне технического состояния РКТ;
необходимость наличия и совершенствования системы подготовки специалистов различного профиля и различной квалификации.

подготовки РН, КА, РБ к применению по назначению и вывода

КА (КА с РБ) на околоземную орбиту.

Анализ выполняемых РКК функций показывает, что все они могут быть разделены на две группы:
приведение бортовых систем РН, КА, РБ в состояние, позволяющее провести пуск ракеты космического назначения (РКН) в установленное время, вывести КА на заданную орбиту и обеспечить функционирование КА в полете;
проверка технического состояния бортовых систем РН, КА, РБ и устранение обнаруженных неисправностей.

комплектующих элементов с завода-изготовителя или арсенала на космодром;
хранение РН, КА,

РБ и комплектующих элементов;
проведение всего необходимого объема работ по подготовке РН, КА, РБ на техническом комплексе по установленной технологии, включая проверку состояния бортовых систем, установка комплектующих элементов и сборка РКН;
транспортирование РКН на стартовый комплекс;
подготовка РКН к пуску на стартовом комплексе, заправка РН (и РБ) компонентами ракетного топлива (КРТ);
пуск РКН.

В состав РКК входят ракета космического назначения (РКН), технический, стартовый комплексы, а также комплекс средств измерений, сбора и обработки информации и комплекс падения отделяемых частей РКН.

обеспечения контроля полета РКН на участке выведения, а также обработки

поступающей информации.
Основными функциями КСИСО являются контроль состояния и оценка качества функционирования бортовых систем РН в полете, прогнозирование мест падения отделяемых частей РКН.

Комплекс падения отделяемых частей РКН (КПОЧ) предназначен для поиска отделяемых от РКН створок головного обтекателя (сборочно-защитного блока) и отработавших ступеней РН, обследования мест их падения, сбора и утилизации.

Основными сооружениями ТК являются монтажно- испытательный корпус (МИК), хранилище РН,

КА, РБ, компрессорная станция, хранилище пиросредств, зарядно-аккумуляторная станция, заправочная станция КА и РБ.

МИК - главное сооружение технического комплекса, в котором размещаются комплекты технологического оборудования ТК.

В его состав входят стационарные и подвижные технические средства и

сооружения, предназначенные для обеспечения подготовки и пуска РКН.

В состав технологического оборудования СК входит:
стартовое и подъемно-транспортное оборудование;
оборудование заправки, газоснабжения и термостатирования;
контрольно-проверочное оборудование;
системы электроснабжения;
специальные технические системы.
Стартовый комплекс должен быть универсальным (по типам КА, а в перспективе – и по типам РН), многоразового использования.

и пуска

РКН

Из формулы Циолковского потребное значение орбитальной скорости полета v определяется простым соотношением:


где М - масса РКН, mПН, mК -масса полезной нагрузки и конструкции ракеты; n – количество ступеней, откуда видно, что mК должна быть по возможности меньше.
Однако, достичь первой космической скорости (круговой) удается только при использовании нескольких (min двух) ступеней.
Из газовой динамики:



где k, R –коэффициент адиабаты и газовая постоянная; T0 , p0 - параметры температуры и давления в камере двигателя; pa - давление атмосферы, и отсюда видно, что достичь существенных скоростей = 2500-3500 м/с удается за счет высоких температур и давлений (P0 = 20-25 МПа, Т0 = 3500-4000o К).

могут входить в противоречие с ограничениями по габаритам для транспортных

магистралей страны. Для ж/д магистралей max диаметр 3,9 – 4 м, max L = 30 м.
2. Особенностью ракеты является мощная сверхзвуковая, высокотемпературная струя, способная «разрезать» не только саму ракету, но и бетонные и металлические конструкции СК (с температурой плавления 1800 - 1900o К).
3. Большой запас КРТ (иногда самовоспламеняющихся компонент) делает ракету после заправки – потенциально опасным объектом. Как показывает расчет и печальный опыт пусков, ее тротиловый эквивалент достигает 450 тонн ( = 0,5Кт), что приближает ракету скорее к ядерному фугасу.

целостности и работоспособности;
собрать поставляемые (подчас с разных предприятий) ее элементы;
оценить

качества сборки
выполнить проверки, имитирующие ее будущее условия функционирование во время полета.
Собранная в единый агрегат РКН требует:
термостатирования КА;
наддува баков РН, для придания ей необходимой жесткости;
обеспечения заданного температурно-влажностного режима внутри баков для криогенных компонентов во избежание появления льда из влажного атмосферного воздуха при заправке;
создание дополнительных тарированных по реакции опор вдоль корпуса;
заземления корпуса во избежание повреждений системы управления. 

операция.
2. Собранная РКН, как правило, выступает за традиционные транспортные габариты.

3. КА постоянно термостатируются, а баки РН либо остаются наддутыми, либо «дышат» через специальные системы абсорбирующие влагу.
4. Перед установкой на ПУ, ракета должна быть вывешена над его опорами с точностью до 3-5 мм при общем эффективном диаметре до 15 м, высоте 60-100м и «сухом» весе до 300 т.
5. Передача веса ракеты на опоры ПУ должна быть выполнена так, чтобы многоопорная статистически неопределимая система «ПУ – ракета» не испытывала «ножевых» нагрузок.
6. Установка же РКН в предстартовое положение, должна выполнятся так, чтобы изгибающие ее корпус напряжения от собственного веса не привели к необратимым деформационным последствиям.

8. Большие габариты при относительно низкой «сухой» массе ракеты делает

ее чрезвычайно неустойчивой в ветреную погоду. 9. На борт пилотируемых КА необходимо доставить экипаж.
10. Расположенная на СК ракета должна быть состыкована с наземными системами проверки и заправки, в ее систему управления необходимо ввести полетное задание, а кроме этого она должна получить команду на запуск своих двигателей.
11. Выполнение процессов стыковки магистралей проводится на 5-10 ярусах, по высоте ракеты. Для этого вокруг нее должны быть развернуты площадки обслуживания, установленные на БО.
Работа на открытом воздухе на высоте десятков метров зимой (летом при ветре и дожде) требуют создание условий для л.с. С этой целью на БО устанавливаются системы вентиляции, ветрозащиты, пожаротушения, системы экстренной эвакуации и т.д.

условии герметичности стыка «земля – борт». 13. Перед пуском ракеты

от ее борта отстыковываются большинство коммуникаций, причем так, чтобы плети кабельных стволов и магистралей не ударили о еѐ борт. Площадки обслуживания отводятся в безопасную зону, чтобы траектория полета не пересекалась с их местоположением.

14. Пуск – наиболее опасная, сложная и менее всего управляемая с Земли технологическая операция

15. Заключительными работами на СК являются послепусковые ремонтно-восстановительные работы и работы по приведению комплекса в готовность к приему очередной РКН.

В состав каждой ступени РН входят баковые отсеки. Они

очень чувствительны к перепадам давления снаружи и внутри бака. Обязательно должны быть предусмотрены системы дыхания баков.
Небаковые отсеки РН являются негерметичными, но также тонкостенными и, как и баковые отсеки, чувствительны к перегрузкам при транспортировании.
С учетом этих свойств скорость транспортирования должна быть ограничена, а транспортные средства должны быть оборудованы приспособлениями, ограничивающими перегрузки. При проектировании необходимо предусмотреть места для опор ступеней при их транспортировании и хранении.
Двигательные установки представляют собой сосредоточенные нагрузки, значительно превышающие распределенные. Чтобы при длительном хранении эти нагрузки не привели к деформациям силовых элементов крепления двигательной установки к ступени предусматриваются дополнительные тарированные опоры.

частей, инструмента, принадлежностей (ЗИП).

При транспортировании, хранении ступеней, а также

проведении работ необходимо поддерживать установленный температурно-влажностный режим.

Нельзя не отметить особенностей РН, которые обусловливают высокую степень опасности для обслуживающего персонала. К этим особенностям относятся свойства КРТ, сжатых газов, наличие пиросредств (разрывные болты, пирозамки, пиростартеры и т.д.), необходимость выполнения многих видов работ на высоте и др.

компактны и могут транспортироваться в собранном виде.
В состав КА

входят хрупкие навесные конструкции, которые должны транспортироваться отдельно от КА в специальных контейнерах.
Жесткие требования предъявляются к герметичности КА. Работы по контролю герметичности КА на ТК являются достаточно трудоемкими.

к применению на ТК должны быть предусмотрены специальные стапели, а

в составе ТК должно быть энергоемкое высокоточное оборудование.
Для КА должен быть предусмотрен комплект ЗИП, предназначенный для оперативной замены отказавших элементов, должен быть обеспечен удобный доступ к бортовым приборам для контроля их состояния и замены в случае необходимости.
Проводится контроль значений характеристик бортовых систем КА на предмет их соответствия заданным.
КА чувствительны к изменениям температуры и влажности окружающего воздуха, высокие требования предъявляются к запыленности воздуха, так как в их состав входят оптико-электронные приборы, значительно снижающие свои характеристики при наличии пыли в воздухе. Поэтому в МИКе (в зоне проведения работ) должны быть предусмотрены системы вентиляции и кондиционирования воздуха, а также системы контроля и очистки одежды и обуви обслуживающего персонала.  

эксплуатации.
Химические ракетные топлива классифицируются по следующим признакам:
а) по агрегатному состоянию:

жидкие и твердые;
б) по числу компонентов: однокомпонентные (унитарные), двухкомпонентные и многокомпонентные;
в) по способности к воспламенению: несамовоспламеняющиеся и самовоспламеняющиеся;
г) по температуре кипения: низкокипящие (криогенные) и высококипящие.
В большинстве отечественных РН используются жидкие двухкомпонентные ракетные топлива.

представляет собой многострелочный тупик железнодорожной ветки, позволяющий определенным образом выставить

железнодорожные цистерны с компонентом, состыковать сливные магистрали фронта, слить компонент (принять его в хранилище).
Конструкция магистралей от фронта до хранилищ, от хранилищ до пусковой установки и их протяженность определяется свойствами используемых КРТ, в первую очередь, являются ли КРТ криогенными (низкокипящими) или нет.
Для всех типов КРТ на современных стартовых комплексах предусматриваются системы дожигания паров компонентов.

пожарная опасность и агрессивность.
Под токсичностью КРТ понимается их способность оказывать

вредное действие на обслуживающий персонал и окружающую среду. Показателем токсичности может служить предельно допустимая концентрация (ПДК) КРТ в воздухе рабочей зоны. Предельно допустимые концентрации вредных веществ – это концентрации, которые при ежедневной работе в течение 8 часов в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья обслуживающего персонала как в процессе работы, так и в отдаленные сроки жизни.
По степени токсичности вредные вещества делятся:
1 – чрезвычайно опасные (ПДК < 0,0001 мг/л);
2 – высоко опасные (ПДК = 0,0001…0,001 мг/л);
3 – умеренно опасные (ПДК = 0,0011…0,01 мг/л);
4 – малоопасные (ПДК > 0,01 мг/л).
Существует необходимость обеспечения герметичности хранилищ КРТ и всех магистралей, создание систем контроля утечки компонентов в атмосферу, необходимость применения индивидуальных средств защиты, систем сбора и нейтрализации как технологических утечек, так и проливов КРТ.

и горению горючего в смеси с кислородом воздуха, а также

в способности окислителя воспламенять и поддерживать горение окружающих горючих материалов. Пожарная опасность горючих определяется горючестью, а окислителей - окислительной способностью. Поэтому необходимо предусматривать постоянный контроль состояния КРТ, систему пожаротушения.
Под агрессивностью КРТ понимается коррозионное действие на металлы и их сплавы и разрушающее действие на неметаллические материалы.

комплексов, в автоматике двигательных установок РН и КА, в системах

наддува топливных баков, в системах отделения КА, а также в качестве рабочего тела двигательных установок систем ориентации и стабилизации КА.
К сжатым газам предъявляются высокие требования, такие как:
нейтральность газов, используемых для наддува топливных баков,
по отношению к КРТ;
малая растворимость газов наддува баков в КРТ;
отсутствие механических примесей;
высокая степень осушки.
Благодаря своей сжимаемости газы способны накапливать значительные величины потенциальной энергии.

как и объект обслуживания систем наземного обеспечения делится на две

самостоятельные части — аппарат-носитель (ракета-носитель) и полезная нагрузка (космический аппарат, боевая часть).
Рассмотрим основные системы аппарата-носителя и полезной нагрузки на примере ракетно-космической системы, состоящей из ракеты-носителя и космического аппарата.
Ракета-носитель (РН). РН состоит из нескольких ступеней, как правило, жидкостных, которые включают в себя пять основных групп систем: двигательную установку; корпус и баки; электротехнические системы; системы управления полетом; телеметрические системы.

и наддува баков; система термостатирования топлива; система контроля расхода топлива;

система захолаживания; система запуска и отсечки.
К электротехническим системам относятся система получения и распределения энергии; бортовая кабельная сеть (БКС); электрическая система термостатирования.
Система управления полетом включает в себя бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ); гидростабилизированную платформу.
Телеметрическая система состоит из датчиков и систем калибровки; усилительно-преобразующей аппаратуры; передатчиков и антенн; автономных регистраторов.

Полезная нагрузка (ПН). Состав системы полезной нагрузки целесообразно рассматривать на примере состава пилотируемого аппарата (ПА), как наиболее распространенной ПН и наиболее сложного по составу систем и методам их проверки.

собой замкнутую систему автоматического управления. Наибольшее применение нашли инерциальные системы.

Чтобы инерциальная система давала правильные результаты, необходимо точно знать исходное положение ПА перед началом процесса управления. Исходные значения координат и скорости ПА поступают в БЦВМ от системы наведения.

и направления скорости его полета относительно выбранных космических ориентиров (Земли,

Солнца, планеты и т. д.).

Система электроснабжения может включать в себя химические источники тока — аккумуляторы (серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые, никель-кадмиевые), топливные элементы (электрохимические генераторы); физические источники тока — фотоэлектрические генераторы (солнечные батареи), термоэлектрические генераторы (термоэлектродвижущая сила полупроводников или термопар), ядерные источники тока.

элементов температуры и расхода, теплообменников и системы управления.
Система жизнеобеспечения включает

в себя аппаратуру автоматического поддержания заданных параметров воздуха, кондиционирования, водоснабжения, обеспечения питания. Система аварийного спасения (САС) состоит из автоматической системы обнаружения аварийной ситуации и включения двигателей САС.
Испытания и подготовка к пуску РН осуществляются с помощью подачи управляющих воздействий и контроля состояния ее систем.
Испытания включают в себя:
автономные испытания;
комплексные испытания;
отбойные испытания.

и производится оценка ответных сигналов.
При динамической проверке в аппаратуру

подаются изменяющиеся сигналы. Как правило, динамическая проверка заключается в имитации штатного режима работы системы.
В зависимости от наличия в проверяемой системе цепей обратной связи проверки на функционирование делятся на проверки по замкнутой схеме (с обратной связью) и проверки по разомкнутой схеме (без обратной связи).

систем наземного обеспечения (КСНО) представляет собой совокупность сооружений, агрегатов и

систем специального технологического оборудования, предназначенных для подготовки к полету и обслуживания ЛА.
Основными операциями, выполняемыми с помощью КСНО, являются: транспортировка; установка; заправка; наведение; проведение предстартовой подготовки; защита от воздействий внешней среды и несанкционированных действий; управление технологическим процессом предстартовой подготовки и работами, проводимыми в случае несостоявшегося пуска; электропитание ЛА, находящегося на пусковом устройстве; обеспечение безопасности обслуживающего персонала; осуществление контроля за полетом ЛА и выдача необходимых команд.
К главным факторам, определяющим состав и структуру комплекса систем наземного обеспечения, можно отнести следующее:
тактико-технические характеристики ЛА, для обслуживания которого предназначен данный КСНО;
требуемая частота запусков ЛА;
надежность подготовки ЛА к запуску;
технологические принципы, положенные в основу предстартовой подготовки ЛА.

сооружения и оборудование, имеющие разное функциональное назначение.
Сооружения предназначены, во-первых, для

размещения оборудования, ЛА и обслуживающего персонала с целью защиты их от неблагоприятных воздействий окружающей среды, во-вторых, для установки ЛА в положение, позволяющее проводить его предстартовую подготовку и пуск.
Оборудование систем наземного обеспечения предназначено для выполнения работ, непосредственно связанных с эксплуатацией и обслуживанием ЛА.

контрольно-испытательного;
проверочно-пускового.
Специальное технологическое оборудование в зависимости от назначения подразделяются на

следующие группы:
транспортное;
подъемно-перегрузочное;
установочное;
заправочное;
аппаратура контроля и управления технологическими процессами;
вспомогательное.

группы: функциональные, эксплуатационные, эргономические и экономические.
К группе функциональных требований относятся:

высокая надежность подготовки проведения пуска ЛА в любое время года и суток при значительных изменениях метеорологических условий;
минимальное время подготовки ЛА к пуску;
минимальное количество обслуживающего персонала.

Высокая надежность обеспечивается целым рядом мероприятий, основными из которых являются:
выбор рациональной прочности конструктивных элементов КСНО;
упрощение применяемой системы или агрегата;
создание конструктивных схем с наименьшими последствиями отказов элементов;
резервирование отдельных элементов;
осуществление постоянного контроля за состоянием исполнительных элементов;
механизация и автоматизация всех технологических процессов.