Днепропетровский национальный университет
Становление теории колебаний в ракетной технике в Днепропетровском национальном университете во II половине ХХ столетия
Никифорова Е. В.,
аспирантка физико-технического факультета
Аннотация
колебание ракета движение нагрузка
Начиная с 50-х годов 20-ого века, развитие ракетной техники в СССР требовало решения прочностных проблем, связанных с исследованием переходных процессов во время неустановившегося движения ракет. При проектировании равнопрочных ракет минимального веса, корпуса которых нагружались бы минимальными динамическими нагрузками и имели заданные частотные характеристики, появились необходимость в динамическом анализе и синтезе продольных нагрузок ракет. Особый интерес представляли исследования переходных процессов, протекающих в ракетах во время неустановившегося движения при действии сил малой продолжительности по сравнению с периодом собственных колебаний ракеты. Все работы, которые были написаны в Днепропетровске в ракетно-космической области, имели гриф “ісекретно ”. Этот факт не давал возможности оценить по достоинству вклад ученых. В данной статье впервые проанализирован вклад ученых Днепропетровского национального университета (ДНУ) в отечественную науку и технику по теории колебаний в ракетной технике.
Ключевые слова: теория колебаний, научная деятельность ученых ДНУ, динамика переходных процессов, многоступенчатые ракеты.
Annotation
Nikiforova I. V., graduate student of Faculty of Physical Engineering, Dnipropetrovsk National University
Formation of the theory of oscillations in rocketry in Dnipropetrovsk National University in the II half of the twentieth century
The development of rocketry in the USSR in the 70 years of the 20th century the solution of strength problems associated with the study of transient processes during unsteady motion of rockets required. In the design of equal missiles of minimum weight, the body which haved would be minimal dynamic loads, and had given the frequency characteristics, there they were in need for dynamic analysis and synthesis of longitudinal loads of rockets. The study of transition processes in missiles during unsteady motion under the action of forces of short duration compared with the period of natural oscillations of the rocket. All works that were written in Dnepropetrovsk in the aerospace field, had marked “Secret”. This fact made it impossible to appreciate the contribution of scientists. In this article, the author first analyzed the contribution of scientists Dnipropetrovsk National University (DNU) in the national science and technology in the theory of oscillations.
Keywords: the theory of oscillations, activities of scientists the DNU, the dynamics of transitional processes, the multistage rockets.
Анотація
Нікіфороеа Є. В., аспірантка фізико--технічного факультету, Дніпропетровський національний університет
Становлення теорії коливань в ракетній техніці в Дніпропетровському національному університеті в II половині ХХ сторіччя
Починаючи з 50--тих років 20-- ого століття розвиток ракетної техніки в СРСР вимагало вирішення проблем, пов'язаних з дослідженням перехідних процесів під час несталого руху ракет. При проектуванні ракет мінімальної ваги, корпус яких навантажувався б мінімальними динамічними навантаженнями і мали задані частотні характеристики, з 'явилися необхідність у динамічному аналізі та синтезі поздовжніх навантажень ракет. Особливий інтерес представляє дослідження перехідних процесів, що протікають в ракетах під час несталого руху при дії сил малої тривалості в порівнянні з періодом власних коливань ракети. Всі роботи, які були написані в Дніпропетровську в ракетнокосмічній галузі, мали гриф “таємно”. Цей факт не давав можливості достойно оцінити внесок учених. У даній статті вперше проаналізовано внесок вчених Дніпропетровського національного університету (ДНУ) у вітчизняну науку і техніку з теорії коливань.
Ключові слова: теорія коливань, наукова діяльність вчених ДНУ, динаміка перехідних процесів, багатоступеневі ракети.
Основная часть
Развитие ракетной техники в СССР во второй половине XX ст. требовало решения прочностных проблем, связанных с исследованием переходных процессов во время неустановившегося движения ракет. Проектирование ракет минимального веса, корпуса которые нагружались бы минимальными динамическими нагрузками и имели заданные частотные характеристики, выдвигало необходимость в динамическом анализе и синтезе продольных нагрузок ракет. Работа по данной тематике велась в Днепропетровске. Научные работы ученых и инженеров в виде научно-технических отчетов и диссертаций назывались “рукописными” трудами и имели гриф “секретности”. Сегодня гриф снят и данные работы стали доступны для широкого круга специалистов. Одной из таких работ является диссертация “Динамический анализ и синтез продольных нагрузок ракет” профессора ДНУ И.К. Косько, которую удалось рассекретить только через 38 лет (в 2009г).
Украина внесла весомый вклад в развитие теории колебаний в ракетно-космической отрасли во времена СССР, но сделанное не получило недостаточной оценки в мировом научном сообществе из-за секретности. В данной статье представлены материалы, которые расширят кругозор ученых относительно проведенных работ по теории колебаний в Днепропетровском национальном университете.
При разработке первых отечественных баллистических ракет вопросы прочности корпуса ракеты решались без учета ее упругих колебаний. В процессе разработки ракеты 8К71 впервые возникла необходимость учета упругости корпуса ракеты при определении ее динамических характеристик. Определением динамических характеристик ракеты 8К71 занимались в Конструкторском бюро “Южное” (КБЮ) [1, с. 246].
Для расчета собственных частот и форм продольных колебаний корпуса применяются две основные расчетные схемы:
1. континуальная в виде прямого неоднородного стержня с присоединенными колебательными контурами, моделирующими жидкие наполнители;
2. дискретная пружинно-массовая модель, состоящая из элементов с сосредоточенными параметрами.
Каждая ступень многоступенчатой жидкостной ракеты состоит из хвостового двигательного отсека, баков для горючего и окислителя и переходного отсека. Большинство из них имеет цилиндрическую форму, а обтекатель и переходные, отсеки - форму конуса. Поначалу они рассматривались как твердые тела с полостями, частично заполненными жидкостью. Позже эти составные части корпуса ракеты стали рассматривать как тонкостенные оболочки. Таким образом, бурное развитие авиационной и космической техники в 1960-е гг. вызвало значительный прогресс в теории пластин и оболочек и потребовало проведения исследований их динамики, причем зачастую в нелинейной постановке. Первыми работами, посвященными устойчивости и автоколебаниям баллистических ракет с учетом упругих свойств корпуса и подвижности жидкости в баках, были труды Д. Е. Охоцимского, Б. И. Рабиновича и К. С. Колесникова [2].
С проблемами колебаний ракет столкнулись и украинские специалисты. В сентябре 1959 г. состоялся первый пуск ракеты Р-12 производства “Южный машиностроительный завод” имени А. М. Макарова с первой в СССР шахтной установки “Маяк”. Пуск оказался неудачным из-за чрезмерных вибрационных и акустических нагружений на конструкцию ракеты при ее движении в шахте. В ряде источников в качестве причины аварии называется недостаточная вибропрочность приборов системы управления (СУ). В действительности, зажатая газами в стакане шахты ракета вырвалась из нее с оторванной рулевой машинкой и вскоре упала [2].
Днепропетровская школа нелинейной динамики возникла в 60-е годы 20-ого столетия. Ее основателем и научным лидером был профессор Леонид Исаакович Маневич. Некоторые классы нелинейных систем допускают точные периодические решения - нормальные колебания. В школе, основанной профессором Л. И. Маневичем, развивается разработанный Р. Розенбергом метод нелинейных нормальных форм колебаний. Основным направлением стало получение аналитических решений в нелинейной теории колебаний, основанное на применении асимптотических методов. В 1976 г. профессор Л. И. Маневич переехал в Москву, а метод нелинейных нормальных форм для существенно нелинейных систем получил дальнейшее развитие в работах его учеников и последователей [3]. С распадом СССР и кризисом в ракетно-космической отрасли Украины многие видные представители школы профессора Л. И. Маневича покинули Днепропетровск, часть из них работает за рубежом, а профессор Ю. В. Михлин в 1995 г. перешел на работу в НТУ “ХПИ”. С его приходом там также стало развиваться аналитическое направление нелинейной теории колебаний. В своей коллективной монографии Ю. В. Михлин и К. В. Аврамов дают анализ достижений харьковских ученых в этой области. Практическое приложение работы днепропетровских ученых находили в задачах динамики и управления полетом ракет и космических летательных аппаратов, их динамики и прочности и других задачах, возникавших на Южном машиностроительном заводе и в КБ “Южное” [4].
Целью настоящей работы является комплексное описание работ ученых ДНУ, выполненных по теории колебаний в ракетной технике во II половине ХХ столетия.
Усовершенствование конструкции машин и механизмов, повышение прочности, увеличение мощностей машин, скоростей движения, обеспечение устойчивости и управляемости - область, которая стала актуальной в 20-том веке. В начале 40-х годов этими вопросами занимался широко известный с то время ученый Сергей Николаевич Кожевников, а с начала 50-х годов - его ученик Игорь Константинович Косько.
Продолжению методов расчетов С. Н. Кожевникова в научном направлении “Динамика переходных процессов” были посвящены кандидатская и докторская диссертации профессора И. К. Коська [5; 6]. В основе исследований, представленных в диссертациях И. К. Косько, лежат важные новые теоретические положения. Основные достижения разработанной теории относятся к теории колебаний. В работе любой машины нужно различать три периода, а именно: период пуска или разгона до скорости установившегося движения, период установившегося движения и период торможения. Длительный период - период установившегося движения, а период пуска и торможения измеряется секундами или их долями. Воспринимаемые усилия отдельными звеньями машин в различные периоды работы будут отличаться и в период неустановившегося движения могут превышать усилия, действующие при установившемся режиме работы. Поэтому возникла необходимость в создании теории и методики расчета амплитуд и частот колебаний в период неустановившегося режима. Именно здесь профессор И. К. Косько применил теорию переходных процессов, развитую профессором С. Н. Кожевниковым.