
- •Основы проектирования ракет-носителей.
- •Оглавление
- •Список сокращений
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Общие вопросы проектирования
- •1.1. История создания баллистических ракет и ракет-носителей
- •1.1.1. История создания первых ракет на жидких компонентах топлива
- •1.1.2. Становление ракетной промышленности ссср
- •1.1.3. Первые космические полёты
- •1.4. Классификация ракет-носителей
- •1.5. Проектирование и стадии разработки ракет-носителей
- •I стадия разработки
- •II стадия разработки
- •III стадия разработки
- •2. Основные положения теории ракетного движения
- •2.1. Структура многоступенчатой ракеты
- •2.2. Относительные характеристики масс составных частей ракеты
- •2.3. Функциональная связь между относительными характеристиками масс составных частей ракеты
- •2.4. Характеристические скорости ракеты
- •2.5. Удельный импульс
- •2.6. Влияние атмосферного давления на тягу ракетного двигателя
- •2.7. Скорость ракеты с учетом реальных условий полета
- •2.8. Типовая приближенно-оптимальная программа изменения угла наклона траектории ракеты
- •2.9. Уравнения движения рн для поверочных расчётов
- •3. Характеристики и основные проектные параметры ракет-носителей
- •3.1. Характеристики ракет-носителей
- •3.2. Основные проектные параметры ракеты
- •3.3. Выбор основных проектных параметров ракеты
- •3.3.1. Основные проектные параметры, полученные из анализа идеальной скорости ракеты
- •3.3.2. Основные проектные параметры, полученные из анализа потери скорости ракеты от действия гравитационных сил
- •3.3.3. Основные проектные параметры, полученные из анализа потери скорости ракеты от действия аэродинамических сил
- •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
- •3.3.5. Основные проектные параметры многоступенчатых ракет-носителей
- •3.4. Сопоставление значений потерь скорости ракеты
- •4. Сбор и обработка статистических данных по ракетам-носителям
- •5.2.1. Требования по назначению
- •5.2.2. Требования к надежности
- •5.2.3. Требования к эксплуатации, удобству технического обслуживания, ремонту и хранению
- •5.2.4. Требования к транспортабельности
- •5.2.5. Требования к безопасности
- •5.2.6. Конструктивные требования
- •5.2.7. Технико-экономические требования
- •5.2.8. Другие требования
- •8. Оптимальное распределение массы ракеты-носителя по ступеням и расчет стартовой массы ракеты
- •8.2.1. Постановка задачи
- •8.2.2. Решение задачи
- •8.4. Выбор количества ступеней ракеты-носителя
- •8.4.1. Выбор количества ступеней ракеты по критерию минимума стартовой массы
- •8.4.2 Выбор количества ступеней ракеты-носителя из условия функционального назначения ракетных блоков
- •9. Определение предварительных объемно-габаритных характеристик ракет-носителей
- •10. Разработка предварительной компоновочной схемы ракеты-носителя
- •10.1. Методические вопросы разработки предварительной компоновочной схемы ракеты-носителя
- •10.2. Компоновка хвостовых отсеков
- •10.2.3. Компоновочные и силовые схемы хвостовых отсеков
- •10.3. Компоновка топливных отсеков
- •10.3.1. Компоновочные схемы топливных отсеков нижних ступеней рн
- •10.3.2. Компоновочные схемы топливных отсеков верхних ступеней
- •10.3.3. Определение масс и объемов окислителя и горючего
- •10.3.4. Определение геометрических размеров баков
- •10.3.5. Особенности компоновки твердотопливных отсеков
- •10.4. Компоновка переходных отсеков
- •10.4.1. Схема с холодным разделением
- •10.4.2. Схема с горячим разделением
- •10.4.3. Схема с теплым разделением
- •10.5. Компоновка приборных отсеков
- •10.6. Компоновка космических головных частей
- •11. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя
- •11.1. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя с последовательным соединением ракетных блоков
- •11.2. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя с параллельным соединением ракетных блоков
- •11.2.1. Уточнение габаритов и мест сопряжения ракетных блоков
- •11.2.2. Схемы с унифицированными ракетными блоками
- •11.2.3. Схема с неразъемными соединениями ракетных блоков
- •11.2.4. Схема с отдельными блоками горючего и окислителя
- •11.3. Уточнение сбрасываемых элементов ракеты-носителя
- •11.4. Схемы с переливом топлива
- •12 Расчёт масс основных элементов конструкций ракеты-носителя
- •12.1. Предварительный расчет масс основных элементов конструкции ракеты-носителя
- •12.2 Предварительная массовая сводка
- •12.3. Проверка значений конструктивных характеристик ракетных блоков
- •12.4. Проектировочный расчет масс составных частей ракеты-носителя
- •12.4.1. Выбор расчетных случаев
- •12.4.2. Расчет нагрузок, действующих на рн
- •12.4.3. Выбор расчетных сечений ракеты-носителя
- •12.4.4. Расчет осевых сил в сечениях
- •12.4.5. Расчет изгибающих моментов
- •12.4.6. Расчет приведенной сжимающей силы
- •12.4.7. Расчет давления наддува баков
- •12.4.8. Расчет массы баков
- •12.4.9. Уточненные расчеты массы бака
- •12.4.10. Расчет массы сухих отсеков
- •12.4.11. Расчет прочих масс ракеты-носителя
- •12.5. Детальный расчет
- •13. Расчет координат центра масс и моментов инерции ракеты-носителя
- •13.1. Расчет координат центра масс ракеты
- •13.2. Расчет моментов инерции ракеты
- •13.3. Расчетные таблицы
- •13.4. Расчет положения координат центра масс ракеты-носителя по времени полета
- •14. Автоматизация выбора основных характеристик ракет-носителей
- •14.2. Программа для расчета масс составных частей ракеты-носителя и предварительной массовой сводки
- •14.3. Программа для расчета положения координат центра масс и моментов инерции рн
- •14.4. Программа для поверочных расчетов характеристик движения ракет-носителей
- •14.5. Разработка циклограммы запуска ракеты
- •15. Методика разработки твердотельных моделей ракет-носителей
- •15.1. Информационная поддержка жизненного цикла изделий
- •15.2. Особенности разработки твердотельных моделей ракеты
- •15.3. Разработка моделей отсеков ракетных блоков
- •15.3.1. Разработка моделей топливных баков
- •15.3.2. Разработка моделей сухих подкрепленных отсеков
- •15.3.3. Разработка моделей ферменных конструкций
- •15.3.4. Разработка моделей элементов крепления двигателей
- •15.4. Разработка моделей космических головных частей
- •15.5. Разработка модели ракеты космического назначения
- •15.5.1. Сборка ракетных блоков
- •15.5.2. Сборка ракеты и создание анимационной картины разделения составных частей рн в полёте
- •15.6. Определение геометрических и массоинерционных характеристик конструкции ракеты-носителя в системе твердотельного моделирования
- •16. Космические разгонные и апогейные ракетные блоки
- •16.1. Космические разгонные блоки
- •16.2. Апогейные блоки
- •16.3 Методика выбора характеристик разгонного блока при модернизации ракеты-носителя
- •17. Совершенствование средств выведения полезных нагрузок в космос
- •17.1. Создание серии рн различной грузоподъемности на основе унификации ракетных блоков
- •17.2. Модернизация ракет-носителей на базе рн «Союз»
- •17.3. Методика приближенной оценки грузоподъемности рн, составленных из существующих ракетных блоков
- •17.4. Методика оптимизации массы модернизируемых ракетных блоков в составе существующих рн3
- •17.5. Использование возвращаемых ракетных блоков
- •18. Согласование характеристик ракет-носителей, космодрома и стартового комплекса
- •18.3. Согласование характеристик рн с элементами технических и наземных стартовых комплексов
- •18.3.1. Требования к ракетно-космическому комплексу
- •18.3.2. Требования к стартовому комплексу
- •18.3.3. Подготовка ракеты космического назначения на техническом и стартовом комплексах
- •18.4. Согласование схем крепления рн с опорными элементами стартовых сооружений
- •18.5. Согласование характеристик рн с расположением космодрома и азимутами пуска
- •18.6.Морской старт
- •18.7. Воздушные старты
- •18.8. Оценка весовой эффективности воздушных стартов
- •18.8.1. Постановка задачи
- •18.8.2. Определение потребной характеристической скорости для рн при воздушном старте
- •18.8.3. Результаты расчётов и их анализ
- •18.9. Полностью многоразовые многоцелевые авиационно-космические системы
- •18.10. Запуск малогабаритных космических аппаратов
- •Заключение
- •Приложение а рекомендации по выполнению курсовых и дипломных проектов а1. Основные этапы курсового проектирования рн
- •А2. Типовые вопросы, рассматриваемые в дипломных проектах
- •Приложение б пример выполнения курсового проекта и оформления пояснительной записки4
- •Выбор основных характеристик и проектного облика ракеты-носителя
- •Реферат
- •Содержание
- •Введение б
- •Б1 сбор и обработка статистических данных по ракетам-носителям заданного класса
- •Б3 определение потребной характеристической скорости
- •Б4 выбор топлива
- •Б5 определение массы ракетных блоков и стартовой массы ракеты-носителя
- •Б6 предварительная компоновка б6.1 Определение предварительных габаритов ракеты
- •Б8 расчет масс элементов ракеты-носителя
- •Протокол расчета масс элементов конструкций ракеты-носителя
- •Б9 расчет центровочных характеристик и моментов инерции
- •Б10 обоснование и выбор бортовых систем
- •Б10.2 Системы крепления и разделения составных частей ракеты-носителя
- •Б11 конструкция и функционирование ракеты б11.1 Конструкция ракеты-носителя
- •Заключение б
- •443086 Самара, Московское шоссе, 34.
18.4. Согласование схем крепления рн с опорными элементами стартовых сооружений
На РН должны быть предусмотрены узлы сопряжения с опорными элементами стартовых сооружений, которые оказывают влияние на ее компоновочную схему в части передачи усилий от стартовых опор. На рис. 18.5а и 18.5б показаны две из таких схем. На этих рисунках введены следующие обозначения: 1 - фермы для крепления РН; 2 - опоры РН (в районе нижнего силового кольца); 3 - силовое кольцо РН для крепления боковых блоков; 4 - фермы подвески РН; 5 - фермы крепления РН в районе нижних силовых колец.
Если ракета опирается на хвостовой отсек (см. рис 18.5а), то он должен быть силовым. Ракета может опираться на специальные опоры 2 в районе нижнего силового кольца. При установке ракеты из ниш пускового стола выдвигаются откидные опорные элементы 1.
При подъёме РН нагрузки на опорные элементы снимаются и они поворачиваются, не мешая дальнейшему движению ракеты.
а) б)
Рис. 18.5. Схемы крепления РН к опорным элементам стартовых сооружений
Если ракета «подвешена» на элементы фермы 4 (см. рис 18.5б), то на уровне этого сечения должны быть установлены силовые кольца 3. Кроме того, ракета может дополнительно крепиться фермами 5 в районе нижних силовых колец.
Если ракета опирается на хвостовые отсеки центрального и боковых блоков одновременно, то должно быть предусмотрено специальное устройство, например стартово-стыковочное (см. схему на рис. 18.6). На этой схеме введены следующие обозначения: 1 – центральный блок; 2 – боковые блоки; 3 – стартово-стыковочное устройство; 4 – окна для газовых струй; 5 – опоры регулируемые; 6 – зоны расположения элементов крепления.
Рис. 18.6. Схема сопряжения РН со стартово-стыковочным устройством
Стартово-стыковочное устройство может транспортироваться и устанавливаться на стартовый стол отдельно от РН или совместно с РН. В последнем случае РН стыкуется со стартово-стыковочным устройством в монтажно-испытательном корпусе и транспортируется совместно с РН.
18.5. Согласование характеристик рн с расположением космодрома и азимутами пуска
18.5.1. Влияние широты расположения космодрома
и ограничений по азимутам пуска на потребную
характеристическую скорость РН
Ограничения по азимутам пуска связаны с опасностью падения ракетных блоков первых ступеней РН в населенные районы, а также на территории других стран. В любом случае необходимо согласовывать районы падения ступеней с федеральными и местными органами управления или с другими странами.
Напомним, что азимут пуска ракет-носителей - это угол на плоскости горизонта в точке старта, отсчитываемый от направления на Север по часовой стрелке до линии пересечения с плоскостью опорной орбиты, на которую выводится полезная нагрузка. Если запуск РН осуществляется не с экваториальных космодромов, то азимуты пуска будут отличаться от углов наклонения плоскостей орбит, на которые выводятся космические аппараты. Например, первый пуск ракеты-носителя «Энергия» был ориентирован на полет по трассе с азимутом пуска 63,5 градуса, обеспечивающем наклонение орбиты выведения 50,7 градуса [47].Азимут пуска РН (без учета вращения Земли) можно рассчитать по следующей зависимости [22]:
,
где i – угол наклонения опорной орбиты;
- широта точки
старта РН (или расположения космодрома).
При проектных расчётах приращений потребной характеристической скорости РН достаточно лишь знать углы наклонения орбит, на которые выводятся полезные нагрузки РН с тех или иных космодромов. На рис. 18.7 представлены значения углов наклонения плоскостей орбит, на которые могут быть выведены КА при запуске РН с космодрома Байконур (слева) и с космодрома Плесецк. С космодрома «Восточный» предполагается осуществлять запуски КА на опорные орбиты с базовыми наклонениями 51,7°, 63°, 72°, 83° и 98°.
Если РН выводит КА на орбиту с другим углом наклонения, то следует сопоставить этот угол с углами орбит, которые может обеспечить запуск РН с конкретного космодрома, и выбрать наиболее близкие по значениям углы. Поворот плоскости орбиты до нужного угла должен обеспечиваться в дальнейшем разгонным блоком или двигательной установкой самого КА. Если поворот осуществляется разгонным блоком РН, то разность между этими углами наклонения плоскостей орбит и следует учитывать в расчете характеристической скорости РН (см. раздел 6, п. 6.1.8).
В свою очередь, изменения в потребной характеристической скорости влияет на стартовую массу проектируемой РН при фиксированной полезной нагрузке или на массу полезной нагрузки при фиксированной стартовой массе РН.

для космодромов Байконур (слева) и Плесецк (справа)
18.5.2. Особенности запуска КА
на солнечно-синхронные орбиты
У
солнечно-синхронных орбит суточный
угол поворота плоскости орбиты (прецессии
долготы восходящего узла орбиты) равен
суточному углу прохождения Земли
относительно Солнца в плоскости
эклиптики. Этот угол остается неизменным
в процессе полета КА в течение нескольких
лет. Наклонение плоскости орбиты i
солнечно-синхронных орбит всегда больше
.
18.5.3. Особенности запуска космических аппаратов
на экваториальные орбиты
Если запуск космических аппаратов на экваториальные орбиты (с углом наклонения плоскости орбиты, близким к нулю градусов) проводить с космодрома Байконур при обеспечении минимального угла наклона плоскости орбиты, то плоскость орбиты КА необходимо изменять на 51,6 градуса, что требует увеличения потребной характеристической скорости на 1,389 км/с, если поворот осуществлять в апогее орбиты, переходной к геостационарной. На потребную характеристическую скорость РН также оказывает влияние скорость вращения поверхности Земли, которая на экваторе составляет 463 м/с, а на широте Байконура (46 градусов) – 321 м/c. Поэтому с точки зрения энергетики запуск спутников на экваториальные орбиты выгоднее производить с космодромов, находящихся вблизи экватора. Например, космодром Куру (во Французской Гвиане) расположен на широте 5° 18' северной широты. Можно осуществлять запуск и с плавучей платформы (совместный проект США, России, Норвегии и Украины - компания «Морской старт»), место старта которой находится в координатах: широта - 0°, долгота (западная) - 154°. Однако при определении места запуска российских КА на экваториальные орбиты следует учитывать, что при запуске их с космодромов или плавучих платформ, расположенных вблизи экватора, необходимо задействовать морские средства транспортировки, что требует дополнительных затрат.