12 Расчёт масс основных элементов конструкций ракеты-носителя

Расчет масс основных элементов конструкции ракеты-носителя производится с разной степенью точности в зависимости от этапа проектирования.

1. Предварительный расчет (первое приближение).

2. Проектировочный расчет (второе приближение).

3. Детальный расчет.

Рассмотрим первые два этапа подробнее.

12.1. Предварительный расчет масс основных элементов конструкции ракеты-носителя

На этом этапе используются статистические данные по относительным массам элементов конструкции ракеты-носителя.

Масса конструкции типового ракетного блока включает следующие составляющие.

1. Масса хвостового отсека

Если ракета на старте опирается на корпус хвостового отсека или силовые потоки от двигателей передаются через корпус хвостового отсека, то масса этого корпуса считается пропорциональной стартовой массе ракеты:

, (12.1) где - статистический коэффициент пропорциональности;

- начальная масса i-й ступени.

Если корпус хвостового отсека на старте не нагружен (ракета подвешена, например, за верхние переходные отсеки боковых блоков), то массу такого корпуса можно считать по той же зависимости (12.1), но принять коэффициент пропорциональности .

2. Масса двигателя

Если предполагается разрабатывать новый двигатель, то в первом приближении его масса рассчитывается на основе данных по изделиям-аналогам:

, (12.2) где - относительная масса двигателя i-й ступени (отношение веса двигателя к его тяге);

- сила тяги двигателя i-й ступени в пустоте.

Учитывая, что и , где - коэффициент высотности двигателя (для двигателей ракетных блоков первых ступеней );

- тяга двигателей первой ступени на поверхности Земли;

- начальная перегрузка первой ступени ( ), приводим выражение (12.2) к виду

. (12.3)

Аналогично рассчитываются массы двигателей других ракетных блоков с учётом того, что на двигателях, запускаемых в пустоте, коэффициент высотности не учитывается.

3. Массы окислителя и горючего считаются известными из расчётов масс и объёмов компонентов топлива (см. раздел 7, формулы (9.9) и (9.10)). Напомним, что эти массы рассчитываются по следующим зависимостям:

;

.

4. Масса конструкции топливных отсеков

Масса конструкции топливных отсеков считается пропорциональной массе топлива:

, (12.4) где - масса топлива i-го ракетного блока;

- коэффициент пропорциональности, который назначается по статистике.

5. Масса конструкции приборного отсека считается пропорциональной начальной массе ракеты-носителя и максимальному значению перегрузки , которое, как правило, имеет место в конце работы первой ступени:

, (12.5) где - коэффициент пропорциональности, который назначается также по статистике.

Выразим максимальное значение перегрузки через известные проектные характеристики:

, (12.6) где - конечная масса первой ступени;

- начальная масса первой ступени;

- число Циолковского первой ступени.

В первом приближении можно принять следующие значения проектных характеристик: ; . Число Циолковского можно определить, зная начальную массу ступени и массу топлива первой ступени ( ).

Подставляя (12.6) в (12.5), получим

. (12.7)

6. Масса приборов системы управления (для ракетного блока последней ступени ракеты-носителя) считается пропорциональной начальной массе этой ступени:

, (12.8) где - коэффициент пропорциональности.

Можно также получить статистические зависимости и для расчёта масс других элементов конструкций ракет-носителей.