Оглавление

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 16

ПРЕДИСЛОВИЕ 18

ВВЕДЕНИЕ 20

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 22

1.1. История создания баллистических ракет и ракет-носителей 22

1.1.1. История создания первых ракет на жидких компонентах топлива 22

1.1.2. Становление ракетной промышленности СССР 24

1.1.3. Первые космические полёты 26

1.2. Общие сведения о ракетно-космическом комплексе 27

1.3. Основные ракеты-носители мира 29

1.4. Классификация ракет-носителей 29

1.5. Проектирование и стадии разработки ракет-носителей 33

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ РАКЕТНОГО ДВИЖЕНИЯ 44

2.1. Структура многоступенчатой ракеты 44

2.2. Относительные характеристики масс составных частей ракеты 47

2.3. Функциональная связь между относительными характеристиками масс составных частей ракеты 50

2.4. Характеристические скорости ракеты 51

2.5. Удельный импульс 52

2.6. Влияние атмосферного давления на тягу ракетного двигателя 54

2.7. Скорость ракеты с учетом реальных условий полета 55

2.8. Типовая приближенно-оптимальная программа изменения угла наклона траектории ракеты 58

2.9. Уравнения движения РН для поверочных расчётов 64

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ 71

3.1. Характеристики ракет-носителей 71

3.2. Основные проектные параметры ракеты 74

3.3. Выбор основных проектных параметров ракеты 74

3.3.1. Основные проектные параметры, полученные из анализа идеальной скорости ракеты 75

3.3.2. Основные проектные параметры, полученные из анализа потери скорости ракеты от действия гравитационных сил 77

3.3.3. Основные проектные параметры, полученные из анализа потери скорости ракеты от действия аэродинамических сил 80

3.3.4. Основные проектные параметры, полученные из анализа потери скорости ракеты от действия сил, возникающих при изменении давления воздуха на срезе сопла ракетного двигателя 82

3.3.5. Основные проектные параметры многоступенчатых ракет-носителей 85

3.4. Сопоставление значений потерь скорости ракеты 88

4. СБОР И ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО РАКЕТАМ-НОСИТЕЛЯМ 92

5. ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ 105

5.1. Структура тактико-технических требований на создаваемые ракеты-носители 105

5.2. Обзор общих технических требований, предъявляемых к ракетам-носителям 106

5.2.1. Требования по назначению 106

5.2.2. Требования к надежности 108

5.2.3. Требования к эксплуатации, удобству технического обслуживания, ремонту и хранению 110

5.2.4. Требования к транспортабельности 111

5.2.5. Требования к безопасности 113

5.2.6. Конструктивные требования 114

5.2.7. Технико-экономические требования 119

5.2.8. Другие требования 120

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 125

6.1. Методы расчета характеристической скорости ракет-носителей 125

6.1.1. Статистические данные по характеристической скорости ракет-носителей 125

6.1.2. Структура формулы для расчета характеристической скорости ракет-носителей 126

6.1.3. Расчет скорости на опорной орбите 127

6.1.4. Определение недобора характеристической скорости для затопления ракетного блока верхней ступени РН в акватории мирового океана 129

6.1.5. Расчет приращения скорости для перевода КА с опорной орбиты на эллиптическую орбиту 133

6.1.6. Расчет приращения скорости для перевода КА с эллиптической орбиты на высокую круговую орбиту 134

6.1.7. Расчет приращения скоростей для перевода КА с высокой круговой орбиты на эллиптическую орбиту и с эллиптической орбиты на низкую круговую орбиту 136

6.1.8. Расчет приращения скорости для изменения плоскости орбиты 136

6.2. Старт к Луне и планетам 139

6.2.1. Старт к Луне 139

6.2.2. Старт к планетам 141

7. ВЫБОР ТОПЛИВА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАКЕТ 148

7.1. Классификация топлива 148

7.2. Требования, предъявляемые к ракетным топливам 149

7.3. Характеристики ракетного топлива 151

7.4. Особенности использования твердого ракетного топлива 159

7.5. Критерии выбора топлива 159

7.5.1. Выбор топлива с учетом влияния средней плотности и удельного импульса на стартовую массу РН 160

7.5.2. Выбор топлива по комплексному критерию эффективности 167

8. ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ПО СТУПЕНЯМ И РАСЧЕТ СТАРТОВОЙ МАССЫ РАКЕТЫ 172

8.1. Задачи математического программирования 172

8.2. Постановка и решение задачи оптимального распределения массы ракеты-носителя по блокам методом неопределенных множителей Лагранжа 173

8.2.1. Постановка задачи 173

8.2.2. Решение задачи 175

8.3. Постановка и решение задач оптимального распределения массы ракеты-носителя по блокам численными методами 177

8.3.1. Схема с последовательным соединением ракетных блоков 178

8.3.2. Схема с параллельным соединением ракетных блоков типа "пакет без перелива" 183

8.3.3. Схема с параллельным соединением ракетных блоков типа "пакет с переливом" 188

8.3.4. Схема "трехступенчатый пакет" 190

8.3.5. Схема "трехступенчатый пакет с дополнительными стартовыми ускорителями" 192

8.3.6. Особенности расчета масс ракетных блоков с использованием различных компонентов топлива 205

8.3.7. Методика и алгоритм решения задач на условную оптимизацию в системе Mathcad 206

8.4. Выбор количества ступеней ракеты-носителя 207

8.4.1. Выбор количества ступеней ракеты по критерию минимума стартовой массы 207

8.4.2 Выбор количества ступеней ракеты-носителя из условия функционального назначения ракетных блоков 209

9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕМНО-ГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ 214

9.1. Выбор схемы соединения ракетных блоков 214

9.2. Определение объёма ракеты-носителя и её составных частей 215

9.2.1. Объем головного обтекателя 217

9.2.2. Объем приборных отсеков 220

9.2.3. Объем топливных отсеков 221

9.2.4. Объем хвостовых и переходных отсеков 223

9.3. Определение длины и диаметра ракеты-носителя при последовательном соединении ракетных блоков 224

9.4. Определение предварительных массогабаритных характеристик ракетных блоков в схемах с параллельным и смешанным соединениями 225

10. РАЗРАБОТКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 231

10.1. Методические вопросы разработки предварительной компоновочной схемы ракеты-носителя 231

10.2. Компоновка хвостовых отсеков 232

10.2.1. Выбор габаритов ракетных двигателей 232

10.2.2. Определение длины хвостового отсека 236

10.2.3. Компоновочные и силовые схемы хвостовых отсеков 237

10.3. Компоновка топливных отсеков 244

10.3.1. Компоновочные схемы топливных отсеков нижних ступеней РН 245

10.3.2. Компоновочные схемы топливных отсеков верхних ступеней 248

10.3.3. Определение масс и объемов окислителя и горючего 249

10.3.4. Определение геометрических размеров баков 250

10.3.5. Особенности компоновки твердотопливных отсеков 254

10.4. Компоновка переходных отсеков 261

10.4.1. Схема с холодным разделением 261

10.4.2. Схема с горячим разделением 263

10.4.3. Схема с теплым разделением 266

10.5. Компоновка приборных отсеков 268

10.6. Компоновка космических головных частей 270

11. УТОЧНЕНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 275

11.1. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя с последовательным соединением ракетных блоков 275

11.2. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя с параллельным соединением ракетных блоков 284

11.2.1. Уточнение габаритов и мест сопряжения ракетных блоков 284

11.2.2. Схемы с унифицированными ракетными блоками 286

11.2.3. Схема с неразъемными соединениями ракетных блоков 286

11.2.4. Схема с отдельными блоками горючего и окислителя 287

11.3. Уточнение сбрасываемых элементов ракеты-носителя 288

11.4. Схемы с переливом топлива 297

12 РАСЧЁТ МАСС ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 300

12.1. Предварительный расчет масс основных элементов конструкции ракеты-носителя 300

12.2 Предварительная массовая сводка 303

12.3. Проверка значений конструктивных характеристик ракетных блоков 305

12.4. Проектировочный расчет масс составных частей ракеты-носителя 307

12.4.1. Выбор расчетных случаев 307

12.4.2. Расчет нагрузок, действующих на РН 309

12.4.3. Выбор расчетных сечений ракеты-носителя 311

12.4.4. Расчет осевых сил в сечениях 311

12.4.5. Расчет изгибающих моментов 313

12.4.6. Расчет приведенной сжимающей силы 316

12.4.7. Расчет давления наддува баков 317

12.4.8. Расчет массы баков 318

12.4.9. Уточненные расчеты массы бака 320

12.4.10. Расчет массы сухих отсеков 327

12.4.11. Расчет прочих масс ракеты-носителя 330

12.5. Детальный расчет 331

13. РАСЧЕТ КООРДИНАТ ЦЕНТРА МАСС И МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 333

13.1. Расчет координат центра масс ракеты 333

13.2. Расчет моментов инерции ракеты 335

13.3. Расчетные таблицы 337

13.4. Расчет положения координат центра масс ракеты-носителя по времени полета 340

14. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ 345

14.1. Программа для оптимального распределения массы РН по блокам и минимизации стартовой массы 346

14.2. Программа для расчета масс составных частей ракеты-носителя и предварительной массовой сводки 349

14.3. Программа для расчета положения координат центра масс и моментов инерции РН 354

354

355

356

14.4. Программа для поверочных расчетов характеристик движения ракет-носителей 356

14.5. Разработка циклограммы запуска ракеты 361

15. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ 362

15.1. Информационная поддержка жизненного цикла изделий 362

15.2. Особенности разработки твердотельных моделей ракеты 366

15.3. Разработка моделей отсеков ракетных блоков 369

15.3.1. Разработка моделей топливных баков 369

15.3.2. Разработка моделей сухих подкрепленных отсеков 371

15.3.3. Разработка моделей ферменных конструкций 372

15.3.4. Разработка моделей элементов крепления двигателей 373

15.4. Разработка моделей космических головных частей 375

15.5. Разработка модели ракеты космического назначения 376

15.5.1. Сборка ракетных блоков 376

15.5.2. Сборка ракеты и создание анимационной картины разделения составных частей РН в полёте 377

15.6. Определение геометрических и массоинерционных характеристик конструкции ракеты-носителя в системе твердотельного моделирования 381

16. КОСМИЧЕСКИЕ РАЗГОННЫЕ И АПОГЕЙНЫЕ РАКЕТНЫЕ БЛОКИ 385

16.1. Космические разгонные блоки 385

16.2. Апогейные блоки 395

16.3 Методика выбора характеристик разгонного блока при модернизации ракеты-носителя 396

17. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ НАГРУЗОК В КОСМОС 405

17.1. Создание серии РН различной грузоподъемности на основе унификации ракетных блоков 405

17.2. Модернизация ракет-носителей на базе РН «Союз» 408

17.3. Методика приближенной оценки грузоподъемности РН, составленных из существующих ракетных блоков 412

17.4. Методика оптимизации массы модернизируемых ракетных блоков в составе существующих РН 416

17.5. Использование возвращаемых ракетных блоков 420

18. СОГЛАСОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ, КОСМОДРОМА И СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА 426

18.1. Ограничения по габаритам в связи с расположением космодромов и транспортировкой ракетных блоков 426

18.2 Выбор количества ступеней РН с учетом зон падения отработавших ракетных блоков 427

18.3. Согласование характеристик РН с элементами технических и наземных стартовых комплексов 428

18.3.1. Требования к ракетно-космическому комплексу 428

18.3.2. Требования к стартовому комплексу 429

18.3.3. Подготовка ракеты космического назначения на техническом и стартовом комплексах 430

18.4. Согласование схем крепления РН с опорными элементами стартовых сооружений 432

18.5. Согласование характеристик РН с расположением космодрома и азимутами пуска 434

18.5.1. Влияние широты расположения космодрома и ограничений по азимутам пуска на потребную характеристическую скорость РН 435

18.5.2. Особенности запуска КА на солнечно-синхронные орбиты 437

18.5.3. Особенности запуска космических аппаратов на экваториальные орбиты 438

18.6.Морской старт 438

18.7. Воздушные старты 439

18.8. Оценка весовой эффективности воздушных стартов 443

18.8.1. Постановка задачи 443

18.8.2. Определение потребной характеристической скорости для РН при воздушном старте 444

18.8.3. Результаты расчётов и их анализ 447

18.9. Полностью многоразовые многоцелевые авиационно-космические системы 451

18.10. Запуск малогабаритных космических аппаратов 451

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 455

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 456

ПРИЛОЖЕНИЕ А 462

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТОВ 462

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 472

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА И ОФОРМЛЕНИЯ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 472

ВВЕДЕНИЕ Б 480

Б1 СБОР И ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО РАКЕТАМ-НОСИТЕЛЯМ ЗАДАННОГО КЛАССА 482

Б2 РАЗРАБОТКА ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ 487

Б3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОЙ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ 491

Б4 ВЫБОР ТОПЛИВА 498

Б5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ РАКЕТНЫХ БЛОКОВ И СТАРТОВОЙ МАССЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 502

Б6 ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ КОМПОНОВКА 509

Б6.1 Определение предварительных габаритов ракеты 509

Б6.2 Компоновка отсеков ракеты-носителя 513

Б7 РАЗРАБОТКА ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ РАКЕТЫ 517

Б8 РАСЧЕТ МАСС ЭЛЕМЕНТОВ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 526

Б9 РАСЧЕТ ЦЕНТРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ 530

Б10 ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР БОРТОВЫХ СИСТЕМ 539

Б10.1 Пневмогидравлическая система ракетного блока первой ступени 539

Б10.2 Системы крепления и разделения составных частей ракеты-носителя 541

Б11 КОНСТРУКЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ РАКЕТЫ 544

Б11.1 Конструкция ракеты-носителя 544

Б11.2 Функционирование ракеты-носителя в полёте 548

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Б 553

Б СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 554

ПРИЛОЖЕНИЕ БА 555

КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 555