Янгель. Уроки и наследие

В силовой схеме конструкции баков ракеты Р-12 в определенной степени прослеживается влияние решений, принятых при создании ракеты Р-5 конструкции С.П. Королева, это — гладкие оболочки, подкрепленные поперечным силовым набором — шпангоутами, получаемыми штамповкой из листового материала и привариваемыми с помощью сварных точек. В баке окислителя впервые (из соображений центровки) было установлено промежуточное днище. В связи со значительным увеличением веса ракет, а следовательно, и осевых сил, действующих на баки ракет Р-14 и Р-16 в полете, по сравнению с ракетой Р-12, как показал анализ проектных проработок, схема гладких оболочек приводила к существенному увеличению веса конструкции. Новые конструкции — всегда носители передовой технологии. Решить проблему облегчения несущих оболочек баков удалось, применив продольные несущие силовые элементы — стрингеры.

Первоначально, в процессе эскизного проектирования, был заложен вариант, в котором стрингеры и соответственно шпангоуты крепились с внутренней стороны к оболочке бака с помощью сварных точек. На ракете Р-16 на определенном этапе рассматривался даже вариант с наружным расположением стрингеров, захватывающих оба бака и приборный отсек между ними. Схема с наружным расположением стрингеров имела определенные преимущества с точки зрения простоты технологии изготовления и силовой завязки стрингеров и шпангоутов. В этом случае удавалось избежать применения не только трудоемких в изготовлении и имевших значительную массу фитингов для крепления стрингеров к шпангоутам, но и искажавших продольную ось стрингеров "подсечек" при заделке их на шпангоуты. Однако ни в одном проекте, не только в конструкциях янгелевских ракет, но других КБ, в дальнейшем схема наружных стрингеров не получила развития, и для всех силовых завязок принималось внутреннее расположение стрингеров. И лишь десятилетия спустя схема наружного расположения стрингеров была успешно реализована французскими и японскими конструкторами.

Приварка стрингеров не только вызывала много трудностей с точки зрения технологии изготовления и последующего контроля качества сварных точек, но и приводила к конструктивному несовершенству, связанному с возникновением начальных неправильностей — отклонением от идеальной формы, а следовательно, и к снижению несущей способности при нагружении в полете.

В совершенствовании силовых схем ребристых баков решающее слово оказалось за технологией. Был разработан оригинальный способ получения панелей большого радиуса из труб малого диаметра. Для этого изготовленная прессованием труба с продольным силовым набором разрезалась по образующей и распрямлялась до необходимой кривизны. В результате получалась панель. В зависимости от диаметра топливный бак собирался из нескольких таких панелей, которые соединялись продольными сварными швами.

Это решение имело продолжение, связанное с дальнейшим усовершенствованием силовых схем баков. Поскольку удалось избежать приварки стрингеров, то оказалось явно неразумным приваривать к оболочке и шпангоуты, которые стесняли деформирование обечайки бака при действии внутреннего давления. В результате родилась концепция подвесных шпангоутов. Последние стали опираться на стенки стрингеров и связывались с ними с помощью уголков. Этим решением достигалось большое конструктивное преимущество, позволявшее практически дифференцировать работу шпангоутов. При действии внутреннего давления они не мешали деформированию оболочки в радиальном направлении и, следовательно, не инициировали деформации изгиба в местах их установки. В то же время шпангоуты включались в работу как опоры для стрингеров при нагружении последних осевыми сжимающими силами, уменьшая их расчетную длину. В конструкции подвесных шпангоутов получила развитие идея приспосабливающихся конструкций, то есть конструкций, реагирующих на внешние воздействия для наилучшего восприятия силовых нагрузок.

Подходы, используемые при проектировании, и порождаемые ими конструктивные решения имеют свою судьбу, свою историю, характеризуемую периодами наибольшей популярности и даже забвения. Эффективность применения разработанных методов определения параметров конструкций зависит от многих обстоятельств и, в первую очередь, от используемых при этом допущений и ограничений. Со временем они могут входить в противоречие с тенденциями развития конструкций, и формальное применение существующих методов расчета и анализа, которые с успехом использовались ранее, становятся тормозом в поисках нужных проектов и более того, иногда даже заводят в тупик.

Показательной в этом отношении явилась история совершенствования конструкции распорного шпангоута днищ баков. Такие шпангоуты устанавливаются в местах перехода цилиндрической части топливного бака в днище. Их назначение — воспринимать распорные погонные усилия (отсюда происходит и название), возникающие в днище от действия давления столба жидкости и давления наддува и передающиеся на край цилиндрической оболочки бака. Для уменьшения деформаций изгиба обечайки бака в месте стыковки ее с днищем устанавливается распорный шпангоут. Таким образом, воспринимая распорные усилия, шпангоут работает как кольцо, нагруженное равномерно распределенным радиальным погонным давлением. А поскольку при таком характере действия нагрузки, направленной к центру кольца, последнее оказывается сжатым, то исчерпание его несущей способности происходит в результате искривления кольца или потери устойчивости, на языке специалистов.

При создании первых образцов баков к решению этой задачи в конструкторском бюро С.П. Королева подошли очень просто: необходимую прочность шпангоута определяли из условия, что он полностью воспринимает на себя распорные усилия и работает независимо от всей конструкции, как изолированный элемент. Такой прием, когда рассматривается предельный, а практически невозможный вариант работы конструкции, часто применяется в расчетной практике, если нет более совершенного метода расчета, а упрощенные подходы дают вполне приемлемые по массе размеры сечений элементов конструкций. А возникающее в результате "переупрочнение" конструкции, приводящее к увеличению ее массы, скрывается обычно за стереотипной фразой: "В запас прочности принимаем…" Обоснованность подобных инженерных подходов подкреплена практикой разработки самых различных конструкций во многих областях техники. Обычно на момент зарождения какой-то идеи многое не известно о работе проектируемого узла. Зачастую отсутствуют и научно обоснованные методы анализа, что заставляет искать приближенные решения. По описанной методике были рассчитаны и распорные шпангоуты днищ баков ракеты Р-12, поскольку их конструкция и диаметры баков были заимствованы из конструкции королевской ракеты Р-5.

Однако несостоятельность такого подхода обнаружилась сразу, когда начались проектные проработки ракет Р-14 и Р-16, имевших соответственно размеры диаметров 2400 и 3000 миллиметров. Поскольку потребный момент инерции шпангоута по описываемой методике, как это следовало из принятой в расчете формулы, определялся прямо пропорционально кубу радиуса, то результаты расчета по схеме изолированного кольца приводили к несуразно большим сечениям шпангоутов. Так возникла кризисная ситуация: потребные размеры поперечного сечения распорного шпангоута росли опережающими темпами по сравнению с остальными размерами бака. Сложившееся положение, противоречащее здравому смыслу, потребовало провести переоценку существующих подходов.

Правильное решение было найдено при более глубоком изучении особенностей деформирования всего стыковочного узла. Как показали проведенные теоретические исследования, его высокая эффективность достигалась благодаря работе всех элементов как единого целого. Изолированно от всей системы примыкающих к нему оболочек, как это предполагалось в расчетной схеме, шпангоут работать не может. Прежде чем кольцо изогнется, потеряв устойчивость от распорных усилий, оно должно преодолеть сопротивление примыкающих к нему соседних элементов. При деформировании под действием возникающих усилий шпангоут обязательно "потянет" за собой и прилегающие элементы конструкций. В данном случае это днище и цилиндрическая оболочка. Вступает в силу "круговая порука", столь часто встречающаяся в технике. Поэтому необходимо рассматривать совместное деформирование всей системы под нагрузкой. Учет совместной работы всех элементов позволил разработать новую методику расчета. Когда были проведены всесторонние теоретические выкладки и соответствующие расчеты, то оказалось, что необходимая площадь распорного шпангоута, определяемая из условий обеспечения прочности узла в целом, во много раз меньше, чем та, которая получалась при бытовавшем ранее подходе.