Б4 выбор топлива
Выбор топлива при проектировании ракет имеет особое значение, так как топливо в основном определяет тип применяемого двигателя, массу и габариты ракеты. Следует иметь в виду, что 80-92% стартовой массы ракеты приходится на долю топлива.
Выбор топлива с учетом конструктивных характеристик ракеты
В учебном пособии
[1] показано, что минимальное значение
отношения начальной массы ракеты к
массе полезной нагрузки
будет соответствовать наиболее выгодному
в весовом отношении топливу при
фиксированных значениях характеристической
скорости ракеты (
):
(Б4.1)
где
- отношение начальной массы приведенной
одноступенчатой ракеты к массе полезной
нагрузки.
Там же получено следующее выражение для расчета значения отношения начальной массы ракеты к массе полезной нагрузки :
, (Б4.2)
где -
- характеристическая скорость;
- удельный импульс
топлива;
- коэффициент
безопасности;
- давление в баке;
- плотность
конструкционных материалов топливных
баков;
- допустимые
напряжения;
- средняя плотность топлива;
- начальная перегрузка;
- относительная
масса двигательной установки.
Варьируемыми параметрами будут удельный импульс топлива (w) и средняя плотность топлива .
Результаты расчета отношения начальной массы ракеты к массе полезной нагрузки по формуле (Б4.2) приведены в таблице Б4.1.
Таблица Б4.1 - Результаты расчета отношения начальной массы ракеты к массе полезной нагрузки
Для расчета были приняты следующие исходные данные, одинаковые для всех расчетных вариантов:
характеристическая скорость приведенной одноступенчатой ракеты 3000 м/с;
плотность
конструкционного материала бака 2700
;
допустимое напряжение в стенке бака 200 MПа;
среднее давление в баке 0,30 MПа;
начальная перегрузка 1,5;
относительный вес двигателя 0,002.
Для приведенных исходных данных лучший показатель относительной массы полезной нагрузки получился у пары компонентов топлива: "жидкий водород - жидкий кислород".
Выбор топлива по комплексному критерию эффективности
Для проектирования современных ракет-носителей используется следующий комплексный критерий эффективности:
,
(Б4.3)
где
- частные показатели эффективности;
- удельный вес i-го
частного показателя эффективности;
n – количество частных показателей эффективности.
В качестве частных показателей эффективности в данном курсовом проекте выбраны следующие показатели:
- показатель, характеризующий удельный импульс топлива;
- показатель, характеризующий токсичность топлива;
- показатель, характеризующий среднюю плотность топлива;
- показатель, характеризующий стабильность топлива;
- показатель, характеризующий наличие производственной базы;
- показатель, характеризующий необходимость наличия специальной производственной базы;
- показатель, характеризующий стоимость топлива.
Расчеты по комплексному критерию эффективности проводились с использованием табличного процессора Microsoft Excel. Исходные данные и результаты расчета приведены в таблице Б4.2.
Из анализа результатов видно, что лучшим топливом по данному критерию является пара: "керосин - жидкий кислород".
Таблица Б4.2 - Результаты экспертной оценки частных показателей и расчета комплексных показателей эффективности топлива
Сравнение результатов выбора топлива, выполненных по различным методикам, и выводы
Анализируя результаты расчета, делаем следующие выводы.
1. Результаты, полученные по различным методикам, не противоречат друг другу.
2. Наиболее эффективное топливо по двум критериям – «жидкий кислород - керосин».
3. Немного уступает ему пара «жидкий кислород - жидкий водород».
В данном курсовом проекте были выбраны следующие компоненты топлива:
первая ступень: окислитель - жидкий кислород;
горючее – керосин РГ-1;
вторая ступень: окислитель - жидкий кислород;
горючее – жидкий водород;
третья ступень: окислитель - жидкий кислород;
горючее – жидкий водород.