17.4. Методика оптимизации массы модернизируемых ракетных блоков в составе существующих рн3

Методика заключается в следующем.

1. Задаются масса полезной нагрузки ( ) и потребная характеристическая скорость ( ) для вывода на заданную орбиту.

2. Задаются (или рассчитываются) характеристики неизменяемых ракетных блоков(РБ) в составе модернизируемой РН: , , (см. обозначения в разделе 8).

3. Составляется функция , которая представляет собой разность между потребной и располагаемой характеристическими скоростями РН в зависимости от отношения массы топлива оптимизируемого РБ к массе полезной нагрузки. Вид и сложность функции зависят от конфигурации РН.

4. Подбирается (оптимизируется) масса замещаемых или устанавливаемых дополнительно ракетных блоков (ускорителей) при условии, что и значение близко к нулю.

5. Если , то масса полезной нагрузки уменьшается и расчеты повторяются до выполнения условия в пункте 4.

6. Рассчитывается стартовая перегрузка РН, которую желательно иметь в пределах 1,3…1.5.

Если начальная перегрузка выходит из этих пределов, то проект пересматривается.

Проведена верификация методики на основе оценки грузоподъемности существующих ракет-носителей.

Пример 3. Рассчитать максимальную грузоподъемность РН среднего класса повышенной грузоподъёмности при замене двух боковых УРБ на два твердотопливных ракетных блока (ТТРБ) и сохранении водородного РБ (ВРБ).

Прежде всего отметим, что при такой замене РН становится трёхступенчатой. Протокол расчета в системе Mathcad приведен ниже. Конструктивные характеристики ТТРБ приняты с учётом статистики (см. табл. 4.3).

Протокол расчета максимальной грузоподъемности РН в конфигурации УРБ×1 +ТТРБ×2+ВРБ+ПхО+ПН+ГО

Часть обозначений, принятых в этом протоколе для РБ первой, второй ступеней и для РН соответствуют обозначениям в примере 1. Для РБ третьей ступени обозначения аналогичны. Другая часть обозначений следующая:

а – отношение сил тяги двигателей;

q (хi) – превышение потребной характеристической скорости над располагаемой в зависимости от параметра хi (все остальные параметры известны);

mt1 – масса топлива РБ первой ступени (общая);

mt11 – масса топлива в одном блоке;

mb1 – суммарная масса блоков первой ступени (ускорителей);

mb11- масса одного блока;

mt1, mt2, mt3 – масса топлива соответствующих РБ;

mb1, mb2, mb3 – масса соответствующих ракетных блоков;

mk11 – масса конструкции одного твёрдотопливного блока.

Результаты расчета показывают, что при замене двух боковых УРБ на два твердотопливных стартовых ускорителя максимальная грузоподъемность модернизированной РН «Русь-М» составляет около 17,9 тонн. Масса каждого из двух боковых блоков составляет примерно 49,5 т, масса топлива 44 т, масса конструкции 5,5 т. В данных расчетах удельный импульс и конструктивные характеристики твёрдотопливных ракетных блоков брались по данным статистики.

Пример 4. Рассчитать максимальную грузоподъемность РН среднего класса повышенной грузоподъёмности, если модернизируется водородный ракетный блок второй ступени. Начальная перегрузка должна быть более 1,1; характеристическая скорость РБ первой ступени должна быть не менее 3000 м/с (для разделения ступеней в разреженных слоях атмосферы).

Результаты расчёта приведены в протоколе. Выражение означает решение уравнения относительно параметра при заданных начальных значениях этого параметра (см. ). Анализ результатов показывает, что грузоподъёмность модернизированной РН составляет 30 т, масса водородного блока – 128,3 т, начальная перегрузка – 1,22.

Протокол расчета максимальной грузоподъемности РН в конфигурации УРБ×3 + ВРБ+ПН+ГО

Для реализации водородного блока такой массы необходим двигатель (по статистике) с силой тяги примерно в 1000 kH.