Разработка методики снижения акустического нагружения на полезную нагрузку в составе ракеты-носителя Попов Павел Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших задач проектирования изделий ракетно-космической техники является прогнозирование акустического нагружения на элементы конструкции полезной нагрузки (ПН), входящей в состав космической головной части (КГЧ), представленной на рисунке 1. При высоких уровнях акустических воздействий возникает необходимость выбора мероприятий, направленных на снижение нагружения. Разработка конструктивных мероприятий должна проводится с учётом конфигурации ПН, учётом звукопоглощающих характеристик поверхности сборочно-защитного блока (СЗБ) и ПН. Актуальность данных исследований подтверждается проводимыми в настоящее время работами по повышению фактической звукоизоляции нового СЗБ разработки АО «РКЦ «Прогресс» для научно-энергетического модуля (НЭМ), который предполагается использовать совместно с ракетой-носителем (РН) «Протон-М».

Данная работа посвящена разработке математической модели для оценки снижения шума внутри СЗБ, созданию методики выбора параметров внутренней

компоновки звукопоглощающего материала для снижения акустического нагружения ПН в целях обеспечения уровней, заданных в технической документации.

Степень разработанности темы исследования.

Вопросам прогнозирования акустического нагружения посвящены работы Мунина А. Г., Ефимцова Б. М., Зверева А. Я., Боголепова И. И., Иванова Н. И., Лазарева Л. А., Горшкова А.Г., Григолюка Э. И., Шендерова Е. Л., Balena F. J., Barton С. К., Grosveld F. W., Feit D и др. В исследованиях специалистов ЦАГИ Мунина А. Г., Ефимцова Б. М., Зверева А. Я., Лазарева Л. А. решались задачи снижения шума в отсе-Рисунок 1 - Космиче- ках летательных аппаратов, в том числе РН и СЗБ. Ре-ская головная часть зультаты данных исследований содержат обширную состоящая из СЗБ и ПН информацию о характеристиках обечаек и звукопоглощающих материалов для отсеков, таких, как звукоизоляция, коэффициенты звукопоглощения, механических потерь, постоянных затухания и постоянных распространения. Однако в этих работах отсутствуют данные о влиянии формы космического аппарата (КА), находящегося под цилиндрической оболочкой СЗБ. В работах Иванова Н. И. были представлены соотношения для определения интенсивности звука, распространяющегося, например, от плоского источника в различные направления. В данной работе не рассматривались процессы переотражения акустических волн, характерные для замкнутого пространства, и не учитывалась кривизна оболочки.

В работах Боголепова И. И., Balena F. J., Barton С. К., Grosveld F. W., Feit D. рассматривались вопросы использования звукопоглощающих материалов, наносимых на стрингерные и композитные оболочки судов и летательных аппаратов. В то же время в этих работах не рассматривались вопросы частичного нанесения звукопоглощающего материала (ЗПМ) на поверхность изделия, хотя данный вопрос может быть актуален при недостатке запаса массы выводимого КА. В рабо-

тах Горшкова А. Г., Григолюка Э. И., Шендерова Е. Л. решались связные упруго-акустические задачи колебания оболочек в газовой или жидкой среде, в то же время в них не учитывалось влияние коэффициентов поглощения акустической энергии поверхностями. В этой связи возникла необходимость в разработке методики снижения акустического нагружения на полезную нагрузку в составе РН, учитывающей упомянутые факторы. Исходя из вышесказанного, были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель работы. Снижение акустического нагружения полезной нагрузки в составе ракеты-носителя путём разработки конструктивных мероприятий на основе математического моделирования и экспериментальных данных.

Задачами работы являются:

1) анализ источников акустических воздействий на элементы полезной
нагрузки в составе ракеты-носителя;

1. анализ методов и средств снижения акустического нагружения;

2. разработка математической модели для вычисления звуковых энергий внутри сборочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустических воздействий, позволяющая прогнозировать эффективность внедрённых мероприятий;

3. создание и апробация методики снижения акустического нагружения полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, позволяющая выполнить технические требования к изделию;

5) проведение экспериментальных исследований эффективности предло
женных мероприятий, направленных на снижение акустического давления.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в получении следующих результатов:

1. разработана математическая модель для вычисления звуковых энергий внутри сборочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустических воздействий, учитывающая различную площадь нанесения ЗПМ и конфигурацию космических аппаратов, позволяющая прогнозировать эффективность внедрённых мероприятий;

2. получены аналитические функции характеристического пути потока акустической энергии, движущегося в сторону космического аппарата определённой конфигурации;

3. создана и апробирована методика снижения акустического нагружения полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, учитывающая характеристики СЗБ, в который данная полезная нагрузка установлена с учётом имеющихся ограничений по массе КГЧ, позволяющая выполнить технические требования к изделию.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в получении математических моделей и разработке методики, позволяющих снижать акустическое нагружение.

Практическая значимость работы состоит в том, что с помощью предложенной методики путём выбора параметров звукопоглощающего материала снижено акустическое нагружение внутри конкретных СЗБ до необходимых уровней.

Методология и методы исследований. В рамках данной работы были использованы экспериментальные и теоретические методы исследования акустического нагружения КА. При экспериментальных исследованиях измерения акустического давления проводилось с помощью системы сбора информации «СКУТ» разработки АО «НПО ИТ» в различных конструктивных зонах пространства под СЗБ. Создан комплекс программных средств для анализа полученной телеметрической информации, включающий, в том числе, анализатор быстроменяющихся акустических процессов. Теоретические методы исследования акустического нагружения проведены с применением элементов акустической теории, энергетического метода, теории рядов, матричного метода.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель для вычисления звуковых энергий внутри сбо-рочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустических воздействий, учитывающая различную площадь нанесения ЗПМ и конфигурацию космических аппаратов и позволяющая прогнозировать эффективность внедрённых мероприятий.

2. Аналитические функции характеристического пути потока акустической энергии, движущегося в сторону космического аппарата определённой конфигурации.

3. Методика снижения акустического нагружения полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, учитывающая характеристики СЗБ, в который данная полезная нагрузка установлена с учётом имеющихся ограничений по массе КГЧ, позволяющая выполнить технические требования к изделию.

4. Программа для нахождения звукоизоляционных характеристик многослойных конструкций на основе метода «обратной матрицы».

5. Программное обеспечение, позволяющее проводить обработку быстроменяющихся акустических временных процессов при лётной эксплуатации космической головной части в составе ракеты-носителя.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной физической и математической постановкой задач, сопоставлением результатов с результатами других исследователей и подтверждением расчётных данных экспериментами проведёнными при лётно-конструкторчких испытаниях на изделиях-прототипах. Экспериментальные исследования проведены на поверенном оборудовании с использованием современных методик сбора и обработки исходной информации.

Результаты исследований апробированы в рамках «Конкурса идей среди молодых работников ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»; в рамках «Третьей международной научно-технической конференции по «Динамике и виброакустике машин»; в рамках VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации»; в рамках II Всероссийской акустической конференции, совмещённой с XXX сессией Российского акустического общества; в рамках «Пятой открытой Всероссийской (XVII научно-технической) конференции по аэроакустике». При непосредственном участии автора были разработаны, выпущены и согласованы с заинтересованными предприятиями и заказчиками следующие документы, регламентирующие режимы акустического нагружения изделий разработки АО "РКЦ "Про-

гресс": нормы эксплуатационных требований по режимам механических воздействий на РН Русь-М (2011 г.), СЗБ под НЭМ (2017 г.), РН «Союз-5» (2018 г.) и др. Диссертационная работа заслушана и одобрена в 2018 г. на расширенном заседании научно-технического совета кафедры автоматических систем энергетических установок Самарского университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России, и 2 статьи в изданиях, индексируемых в базе данных WoS.

Личный вклад соискателя. Диссертация написана по результатам исследований, выполнявшихся в Самарском университете (до 2016 года Самарский государственный аэрокосмический университет) в период с 2011 по 2018 гг. непосредственно автором. Общий объем публикаций составляет 6 печатных листов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, двух приложений. Общий объём диссертации составляет 150 страниц, 69 рисунков, 13 таблиц.