10.3.2. Компоновочные схемы топливных отсеков верхних ступеней
Как упоминалось, при малых объемах топливных баков, что характерно для верхних ракетных блоков ракет-носителей, компоновку хвостовых отсеков и компоновку топливных баков рассматривают совместно. Такие схемы представлены на рис. 10.11.
Рис. 10.11. Компоновочные схемы топливных и хвостовых отсеков
ракетных блоков верхних ступеней ракет-носителей
10.3.3. Определение масс и объемов окислителя и горючего
Масса топлива считается известной из распределения масс по блокам ракеты-носителя. Объем топлива каждой ступени складывается из объема окислителя и объема горючего:
,
(10.5)где
и
– объемы, занимаемые окислителем и
горючим соответственно.
Объемы
окислителя и горючего можно вычислить
по следующим зависимостям:
;
(10.6)
, (10.7)
где
и
- плотности окислителя и горючего
соответственно.
Массу
окислителя и массу горючего можно
рассчитать, зная коэффициент отношения
массы окислителя и массы горючего,
которые в первом приближении принимают
равными отношению секундных расходов
компонентов топлива:
.
(10.8)
Масса
окислителя и горючего определяется из
соотношений:
;
;
; (10.9)
. (10.10)
Таким
образом, подставляя (10.9) и (10.10) в (10.6) и
(10.7), можно найти объем топлива для каждой
ступени.
10.3.4. Определение геометрических размеров баков
Геометрические размеры баков в первую очередь зависят от их формы. Методика расчета сводится к определению размеров вписанного в корпус ракеты бака принятой формы. При этом считается, что диаметр ракеты установлен по предыдущим расчетам.
Кроме того, геометрические размеры баков зависят от конфигурации отдельных частей бака. На рис. 10.12 приведены три варианта днищ баков: полусферическое днище (а), днище в форме части поверхности сферы (б) и комбинированное днище, состоящее из части поверхности эллипсоида вращения и части поверхности сферы (в).
Рис. 10.12. Формы днищ для баков цилиндрической формы
На этом рисунке введены следующие обозначения: 1 - сферическое днище; 2 - цилиндрический бак; 3 - межбаковый или переходный отсек; 4 - сферический сегмент днища; 5 - часть днища в виде части поверхности эллипсоида.
У каждой схемы есть свои достоинства и недостатки. При реализации схемы а) получается тонкое днище, но высокий межбаковый отсек. При реализации схемы б) межбаковый отсек получается небольшим по высоте, но необходим мощный шпангоут и увеличенная толщина днища по сравнению с баком в форме полусферы. При реализации схемы в) необходима сложная технология изготовления.
Методику расчета геометрических характеристик бака рассмотрим на примере топливного отсека цилиндрической формы с днищами в виде части сферы. Схема для определения размеров бака представлена на рис. 10.13. Исходные данные для расчета: диаметр бака
,
объемы окислителя
и горючего
(объем компонента топлива
).
В
первом приближении можно принять радиус
днища равным диаметру бака, то есть R
= D.
При таком условии обеспечивается
равнопрочность цилиндрической и
сферической частей бака при одинаковых
толщинах этих стенок.
Алгоритм определения длины цилиндрического бака 1. Определяется высота сферической части днища h. Формулу для расчета можно получить из геометрических соотношений (см. рис. 10.13):
Рис. 10.13 Схема для определения размеров бака
.
В
частном случае, когда R=D,
,
тогда
.
(10.11)
2.
Определяется объем сферического сегмента
по одной из следующих равносильных
формул, известных из геометрии:
или
.
(10.12)
3.
Вычисляется объем цилиндрической части
бака
. (10.13)
Следует
заметить, что из объема компонента
топлива
вычитается объем только одного днища
(части сферы)
,
так как при предварительных расчетах
можно принять, что он топливом не заполнен
и используется для организации наддува
бака.
4.
Находится длина цилиндрической части
бака по формуле
. (10.14)
5.
Рассчитывается общая длина бака по
формуле
.
(10.15)
Если
форма баков сложная, то расчет габаритов
можно проводить методом последовательных
приближений, задаваясь размерами бака
и вычисляя его объем.