6.1.Источники акустических нагрузок

В натурных условиях элементы конструкции КА подвергаются интенсивному акустическому нагружению. Акустическая нагрузка - это воздействие возникающего при работе ракетных двигателей звукового (акустического) поля на ракету-носитель, КА, сооружения и агрегаты стартового комплекса, обслуживающий персонал. Акустическая энергия , генерируемая реактивной струей ракетного двигателя , характеризуется частотным спектром, силой звука, уровнем звукового давления, продолжительностью воздействия и некоторыми другими параметрами.

Сила звука , или интенсивность акустического излучения, определяется количеством энергии, переносимой через единицу площади, перпендикулярной к направлению его распространения, в единицу времени. Для синусоидальной плоской волны сила звука , где -амплитуда переменного звукового давления , - средняя плотность среды , -скорость звука в данной среде. Для технических целей оказалось очень удобно использовать закон Вебера-Фехнера, утверждающий, что прирост силы ощущения звука человеческим ухом пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражителей. Уровень звукового давления выражают в децибелах и относят к пределу слышимости : .

На образование акустического поля затрачивается до 1 % кинетической энергии струи. Частотный спектр шума работающего двигателя, как правило, широкополосный и гладкий ( так называемый белый шум). Однако при некоторых компоновках многосопловых двигательных установок или при взаимодействии реактивных струй с элементами пускового устройства в гладком спектре шума появляются дискретные составляющие – выбросы на отдельных частотах, интенсивности которых иногда в 100 раз и более превосходят уровень интенсивности сплошного спектра. Для объекта наибольшую опасность представляют дискретные составляющие, которые могут приводить к его раскачке и даже разрушению, особенно при совпадении частоты составляющей с собственной частотой конструкции. Наиболее чувствительны к акустическим нагрузкам аппаратура и некоторые элементы системы управления .

При работе двигательной установки шум возникает не только от реактивных струй, но и от вибраций , например, от вибраций сопла и трубопроводов, вызванных воздействием на них колебаний давления в пограничном слое, непосредственных вибраций двигателей из-за несбалансированности вращающихся элементов, работы арматуры и т. д. Однако эти источники вибрации невелики по амплитуде и имеют высокую частоту. Основные, т.е. наиболее опасные , вибрации возникают в результате акустического воздействия на летательный аппарат, поэтому исследованию акустического поля двигательной установки уделяется большое внимание. Теоретические методы исследования акустического нагружения аппарата не вполне надежны. Отметим не претендующий на полноту комплекс явлений, расчет которых в настоящее время весьма затруднен и требует проведения экспериментальных исследований : 1) увеличение нагрузок на элементы аппарата из-за “динамической добавки”, вызванной случайным ( шумовым) акустическим нагружением; 2) появление нежелательных механических резонансов в электронной аппаратуре, элементах автоматики и приборах, вызванных акустической проницаемостью оболочки аппарата и вибрацией; 3) влияние акустики на процессы теплообмена; 4) влияние акустической прозрачности баков на процессы перемешивания холодных (нижних) и горячих (верхних) слоев жидкости, особенно криогенных; 5) акустический нагрев криогенных жидкостей в баках вследствие явлений поглощения звука этими жидкостями; 6) акустическая кавитация жидкостей на входе в насосы двигателей.