Добавил:
ikot.chulakov@gmail.com Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Основы проектирования РН Куренков

.pdf
Скачиваний:
715
Добавлен:
12.07.2020
Размер:
10.93 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА

(национальный исследовательский университет)»

А. Н. КИРИЛИН, Р. Н. АХМЕТОВ, В. И. КУРЕНКОВ

ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ФОРМИРОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОГО ОБЛИКА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ

Учебник

Рекомендовано ред.-изд. советом фед. гос. бюдж. образ. учрежд. высш. проф. образ. «Самар. гос. аэрокосм.

ун-т им. акад. С.П.Королёва (нац. иссл. ун-т)» в качестве учебника

С А М А Р А

Издательство СГАУ

2015

УДК СГАУ 629.78 (075) ББК 39.62

К 93

Рецензенты:

кафедра 601 «Космические системы и ракетостроение» Московского авиационного института (национальный исследовательский университет) (зав. кафедрой чл.-кор. РАН, д-р техн. наук, проф. О. М. Алифанов;

главный научный сотрудник ОАО РКЦ «Прогресс», заслуж. деятель науки и техн. РФ, лауреат Ленинской премии, д-р техн. наук, проф. А. В. Соллогуб

К 93 Кирилин А. Н.

Выбор основных проектных характеристик и формирование конструктивного облика ракет-носителей: учебник / А. Н. Кирилин, Р. Н. Ахметов,

В. И. Куренков. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2015. 448 с.: ил.

Приведены основные соотношения теории ракетного движения, анализируется взаимосвязь летно-технических, критериальных и основных проектных характеристик ракет-носителей (РН). Обсуждаются вопросы сбора и обработки статистических данных, анализируются общие технические требования и тактикотехнические требования при создании РН.

Рассматриваются методики расчета характеристической скорости, выбора топлива, стартовой массы и количества ступеней РН, вопросы оптимального распределения масс ракетных блоков по ступеням РН при различных схемах соединения ракетных блоков.

Обсуждаются вопросы определения объемно-габаритных характеристик и построения компоновочной схемы, методики расчета масс основных элементов конструкции и определения массоинерционных и центровочных характеристик проектируемых РН, вопросы автоматизации проектирования и разработки моделей РН в системе твёрдотельного моделирования.

Рассматриваются разгонные и апогейные ракетные блоки, а также вопросы совершенствования средств выведения в космос полезных нагрузок. Приведены сведения о ракетно-космическом и стартовом комплексах проектируемого космодрома «Восточный».

Учебник предназначен студентам специальности 160801 «Ракетостроение» направления подготовки дипломированных специалистов «Ракетостроение и космонавтика», по специальности 24.05.01 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» и по направлению подготовки магистратуры 24.04.01 «Ракетные комплексы и космонавтика».

Учебник может быть использован не только при изучении теоретического материала по проектированию ракет, но и при выполнении курсовых и дипломных проектов. Может быть полезен молодым специалистам ракетно-космической отрасли. Подготовлен на кафедре космического машиностроения СГАУ и ОАО РКЦ «Прогресс».

УДК СГАУ 629.78 (075) ББК 39.62

©Самарский государственный аэрокосмический университет, 2015

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...............................................................................

10

ПРЕДИСЛОВИЕ ...............................................................................................

11

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................

13

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ...............................................

15

1.1. История создания баллистических ракет и ракет-носителей ............

15

1.1.1. История создания первых ракет на жидких компонентах

 

топлива .....................................................................................................

15

1.1.2. Становление ракетной промышленности СССР .........................

16

1.1.3. Первые космические полёты ........................................................

18

1.2. Общие сведения о ракетно-космическом комплексе .........................

19

1.3. Основные ракеты-носители мира ........................................................

21

1.4. Классификация ракет-носителей..........................................................

21

1.5. Проектирование и стадии разработки ракет-носителей.....................

24

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ РАКЕТНОГО ДВИЖЕНИЯ.......

33

2.1. Структура многоступенчатой ракеты ..................................................

33

2.2. Относительные характеристики масс составных частей ракеты ......

35

2.3. Функциональная связь между относительными

 

характеристиками масс составных частей ракеты ....................................

38

2.4. Характеристические скорости ракеты.................................................

39

2.5. Удельный импульс ................................................................................

41

2.6. Влияние атмосферного давления на тягу ракетного двигателя.........

42

2.7. Скорость ракеты с учетом реальных условий полета ........................

43

2.8. Типовая приближенно-оптимальная программа изменения

 

угла наклона траектории ракеты .................................................................

45

2.9. Уравнения движения РН для поверочных расчётов...........................

50

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТНЫЕ

 

ПАРАМЕТРЫ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ.............................................................

55

3.1. Характеристики ракет-носителей ........................................................

55

3.2. Основные проектные параметры ракеты ............................................

57

3.3. Выбор основных проектных параметров ракеты ...............................

58

3.3.1. Основные проектные параметры, полученные из анализа

 

идеальной скорости ракеты ....................................................................

59

3.3.2. Основные проектные параметры, полученные из анализа

 

потери скорости ракеты от действия гравитационных сил..................

60

3.3.3. Основные проектные параметры, полученные из анализа

 

потери скорости ракеты от действия аэродинамических сил ..............

63

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 ..................................................................................................

65

3.3.5. Основные проектные параметры многоступенчатых

 

ракет-носителей .......................................................................................

67

3.4. Сопоставление значений потерь скорости ракеты .............................

70

4. СБОР И ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО

 

РАКЕТАМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ............................................

72

 

3

4.1. Статистические данные по ракетам-носителям ..................................

72

4.2. Статистические данные по ракетным двигателям ..............................

85

4.3. Статистические данные по твёрдотопливным ускорителям ..............

89

5. ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ.............................................

93

5.1. Структура тактико-технических требований на создаваемые

 

ракеты-носители ...........................................................................................

93

5.2. Обзор общих технических требований, предъявляемых

 

к ракетам-носителям.....................................................................................

94

5.2.1. Требования по назначению ...........................................................

94

5.2.2. Требования к надежности .............................................................

95

5.2.3. Требования к эксплуатации, удобству технического

 

обслуживания, ремонту и хранению ......................................................

97

5.2.4. Требования к транспортабельности .............................................

98

5.2.5. Требования к безопасности...........................................................

99

5.2.6. Конструктивные требования.......................................................

100

5.2.7. Технико-экономические требования..........................................

105

5.2.8. Другие требования .......................................................................

106

5.3. Пример разработки и оформления тактико-технических

 

требований в учебных проектах ................................................................

107

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ

 

РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ....................................................................................

113

6.1. Методы расчета характеристической скорости ракет-

 

носителей.....................................................................................................

113

6.1.1. Статистические данные по характеристической скорости

 

ракет-носителей .....................................................................................

113

6.1.2. Структура формулы для расчета характеристической

 

скорости ракет-носителей .....................................................................

114

6.1.3. Расчет скорости на опорной орбите ...........................................

115

6.1.4. Определение недобора характеристической скорости

 

для затопления ракетного блока верхней ступени РН в

 

акватории Мирового океана..................................................................

116

6.1.5. Расчет приращения скорости для перевода КА с опорной

 

орбиты на эллиптическую орбиту ........................................................

120

6.1.6. Расчет приращения скорости для перевода КА

 

с эллиптической орбиты на высокую круговую орбиту .....................

121

6.1.7. Расчет приращения скоростей для перевода КА с высокой

 

круговой орбиты на эллиптическую орбиту и с эллиптической

 

орбиты на низкую круговую орбиту ....................................................

123

6.1.8. Расчет приращения скорости для изменения плоскости

 

орбиты.....................................................................................................

123

6.2. Старт к Луне и планетам .....................................................................

127

6.2.1. Старт к Луне .................................................................................

127

6.2.2. Старт к планетам..........................................................................

128

7. ВЫБОР ТОПЛИВА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАКЕТ ........................

135

7.1. Классификация топлива ......................................................................

135

7.2. Требования, предъявляемые к ракетным топливам..........................

136

7.3. Характеристики ракетного топлива ...................................................

138

7.4. Особенности использования твердого ракетного топлива...............

144

4

 

7.5. Критерии выбора топлива ..................................................................

145

7.5.1. Выбор топлива с учетом влияния средней плотности

 

и удельного импульса на стартовую массу РН ...................................

145

7.5.2. Выбор топлива по комплексному критерию

 

эффективности .......................................................................................

152

8. ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ РАКЕТЫ-

 

НОСИТЕЛЯ ПО СТУПЕНЯМ И РАСЧЕТ СТАРТОВОЙ МАССЫ

 

РАКЕТЫ ..........................................................................................................

156

8.1. Задачи математического программирования....................................

156

8.2. Постановка и решение задачи оптимального распределения

 

массы ракеты-носителя по блокам методом неопределенных

 

множителей Лагранжа ...............................................................................

157

8.2.1. Постановка задачи .......................................................................

157

8.2.2. Решение задачи............................................................................

159

8.3. Постановка и решение задач оптимального распределения

 

массы ракеты-носителя по блокам численными методами ....................

161

8.3.1. Схема с последовательным соединением ракетных блоков

 

.................................................................................................................

162

8.3.2. Схема с параллельным соединением ракетных блоков

 

типа "пакет без перелива" .....................................................................

166

8.3.3. Схема с параллельным соединением ракетных блоков

 

типа "пакет с переливом"......................................................................

171

8.3.4. Схема "трёхступенчатый пакет" ....................................................

172

8.3.5. Схема "трёхступенчатый пакет с дополнительными

 

стартовыми ускорителями" ..................................................................

174

8.3.6. Особенности расчета масс ракетных блоков

 

с использованием различных компонентов топлива ..........................

184

8.3.7. Методика и алгоритм решения задач на условную

 

оптимизацию в системе Mathcad..........................................................

186

8.3.8. Пример оптимизации стартовой массы РН в системе

 

Mathcad ...................................................................................................

187

8.4. Выбор количества ступеней ракеты-носителя ..................................

189

8.4.1. Выбор количества ступеней ракеты по критерию

 

минимума стартовой массы ..................................................................

189

8.4.2 Выбор количества ступеней ракеты-носителя из условия

 

функционального назначения ракетных блоков .................................

191

9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕМНО-

 

ГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ......................

194

9.1. Выбор схемы соединения ракетных блоков .....................................

194

9.2. Определение объёма ракеты-носителя и её составных частей........

195

9.2.1. Объем головного обтекателя ......................................................

196

9.2.2. Объем приборных отсеков..........................................................

198

9.2.3. Объем топливных отсеков ..........................................................

199

9.2.4. Объем хвостовых и переходных отсеков ..................................

202

9.3. Определение длины и диаметра ракеты-носителя

 

при последовательном соединении ракетных блоков .............................

202

 

5

9.4. Определение предварительных массогабаритных

 

характеристик ракетных блоков в схемах с параллельным

 

и смешанным соединениями .....................................................................

203

10. РАЗРАБОТКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КОМПОНОВОЧНОЙ

 

СХЕМЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ....................................................................

207

10.1. Методические вопросы разработки предварительной

 

компоновочной схемы ракеты-носителя ..................................................

207

10.2. Компоновка хвостовых отсеков .......................................................

208

10.2.1. Выбор габаритов ракетных двигателей ...................................

208

10.2.2. Определение длины хвостового отсека ...................................

211

10.2.3. Компоновочные и силовые схемы хвостовых отсеков ...........

214

10.3. Компоновка топливных отсеков.......................................................

219

10.3.1. Компоновочные схемы топливных отсеков нижних

 

ступеней РН............................................................................................

219

10.3.2. Компоновочные схемы топливных отсеков верхних

 

ступеней ..................................................................................................

223

10.3.3. Определение масс и объемов окислителя и горючего ............

223

10.3.4. Определение геометрических размеров баков ........................

224

10.3.5. Особенности компоновки твердотопливных отсеков.............

228

10.4. Компоновка переходных отсеков.....................................................

231

10.4.1. Схема с холодным разделением ...............................................

231

10.4.2. Схема с горячим разделением ..................................................

233

10.4.3. Схема с тёплым разделением....................................................

235

10.5. Компоновка приборных отсеков .....................................................

237

10.6. Компоновка космических головных частей ....................................

239

10.7. Разработка предварительной компоновочной схемы РН...............

241

11. УТОЧНЕНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ РАКЕТЫ-

 

НОСИТЕЛЯ .....................................................................................................

243

11.1. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя

 

с последовательным соединением ракетных блоков ...............................

243

11.2. Уточнение компоновочной схемы ракеты-носителя

 

с параллельным соединением ракетных блоков ......................................

251

11.2.1. Уточнение габаритов и мест сопряжения ракетных

 

блоков .....................................................................................................

251

11.2.2. Схемы с унифицированными ракетными блоками .................

252

11.2.3. Схема с неразъёмными соединениями ракетных блоков .......

252

11.2.4. Схема с отдельными блоками горючего и окислителя...........

253

11.3. Уточнение сбрасываемых элементов ракеты-носителя .................

255

11.4. Схемы с переливом топлива .............................................................

261

12 РАСЧЁТ МАСС ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

 

РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ....................................................................................

264

12.1. Предварительный расчет масс основных элементов

 

конструкции ракеты-носителя ...................................................................

264

12.2 Предварительная массовая сводка ....................................................

270

12.3. Проверка значений конструктивных характеристик

 

ракетных блоков .........................................................................................

272

12.4. Проектировочный расчет масс составных частей ракеты-

 

носителя.......................................................................................................

273

6

 

12.4.1. Выбор расчетных случаев.........................................................

274

12.4.2. Расчет нагрузок, действующих на РН......................................

276

12.4.3. Выбор расчетных сечений ракеты-носителя...........................

277

12.4.4. Расчет осевых сил в сечениях...................................................

277

12.4.5. Расчет изгибающих моментов ..................................................

279

12.4.6. Расчет приведенной сжимающей силы ...................................

281

12.4.7. Расчет давления наддува баков ................................................

282

12.4.8. Расчет массы баков....................................................................

283

12.4.9. Уточненные расчеты массы бака .............................................

285

12.4.10. Расчет массы сухих отсеков ...................................................

292

12.4.11. Расчет прочих масс ракеты-носителя ....................................

294

12.5. Детальный расчет ..............................................................................

294

13. РАСЧЕТ КООРДИНАТ ЦЕНТРА МАСС И МОМЕНТОВ

 

ИНЕРЦИИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ................................................................

296

13.1. Расчет координат центра масс ракеты.............................................

296

13.2. Расчет моментов инерции ракеты....................................................

297

13.3. Расчётные таблицы ...........................................................................

299

13.4. Расчет положения координат центра масс ракеты-носителя

 

по времени полета ......................................................................................

301

14. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

 

РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ....................................................................................

306

14.1. Программа для оптимального распределения массы РН

 

по блокам и минимизации стартовой массы............................................

307

14.2. Программа для расчета масс составных частей ракеты-

 

носителя и предварительной массовой сводки ........................................

309

14.3. Программа для расчета положения координат центра масс и

 

моментов инерции РН................................................................................

314

14.4. Программа для поверочных расчетов характеристик

 

движения ракет-носителей ........................................................................

316

14.5. Разработка циклограммы запуска ракеты .......................................

320

15. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ

 

РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ....................................................................................

321

15.1. Информационная поддержка жизненного цикла изделий .............

321

15.2. Особенности разработки твердотельных моделей ракеты ............

324

15.3. Разработка моделей отсеков ракетных блоков ...............................

327

15.3.1. Разработка моделей топливных баков .....................................

327

15.3.2. Разработка моделей сухих подкрепленных отсеков ...............

328

15.3.3. Разработка моделей ферменных конструкций ........................

330

15.3.4. Разработка моделей элементов крепления двигателей

 

и хвостовых отсеков ..............................................................................

331

15.4. Разработка моделей космических головных частей.......................

334

15.5. Разработка модели ракеты космического назначения ...................

336

15.5.1. Сборка ракетных блоков ...........................................................

336

15.5.2. Сборка ракеты и создание анимационной картины

 

разделения составных частей РН в полёте ..........................................

337

15.6. Определение геометрических и массоинерционных

 

характеристик конструкции ракеты-носителя в системе

 

твердотельного моделирования ................................................................

339

 

7

16. КОСМИЧЕСКИЕ РАЗГОННЫЕ БЛОКИ................................................

344

16.1. Компоновочные схемы разгонных блоков .....................................

344

16.2. Двухступенчатые и апогейные разгонные блоки............................

355

16.3 Методика выбора характеристик разгонного блока

 

при модернизации ракеты-носителя .........................................................

357

16.4. Методика приближенной оценки массы разгонного блока

 

для разведения нескольких КА по разным орбитам ................................

362

17. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ

 

ПОЛЕЗНЫХ НАГРУЗОК В КОСМОС .........................................................

367

17.1. Создание серии РН различной грузоподъемности на основе

 

унификации ракетных блоков....................................................................

367

17.2. Модернизация ракет-носителей на базе РН «Союз» ......................

375

17.3. Ракеты-носители с российским участием........................................

380

17.4. Методика приближенной оценки грузоподъемности РН,

 

составленных из существующих ракетных блоков .................................

382

17.5. Методика оптимизации массы модернизируемых ракетных

 

блоков в составе существующих РН.........................................................

386

17.6. Использование возвращаемых ракетных блоков ............................

392

18. СОГЛАСОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ,

 

КОСМОДРОМА И СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА ....................................

398

18.1. Ограничения по габаритам в связи с расположением

 

космодромов и транспортировкой ракетных блоков...............................

398

18.2 Выбор количества ступеней РН с учетом зон падения

 

отработавших ракетных блоков ................................................................

401

18.3. Согласование характеристик РН с элементами технических

 

и наземных стартовых комплексов ...........................................................

401

18.3.1. Требования к ракетно-космическому комплексу....................

402

18.3.2. Требования к стартовому комплексу .......................................

402

18.3.3. Подготовка ракеты космического назначения

 

на техническом и стартовом комплексах.............................................

403

18.4. Согласование схем крепления РН с опорными элементами

 

стартовых сооружений ...............................................................................

405

18.5. Согласование характеристик РН с расположением

 

космодрома и азимутами пуска .................................................................

409

18.5.1. Влияние широты расположения космодрома

 

и ограничений по азимутам пуска на потребную

 

характеристическую скорость РН ........................................................

409

18.5.2. Особенности запуска КА на солнечно-синхронные

 

орбиты.....................................................................................................

411

18.5.3. Особенности запуска космических аппаратов

 

на экваториальные орбиты....................................................................

412

18.6.Морской старт.....................................................................................

413

18.7. Воздушные старты.............................................................................

414

18.7.1 Старты с расположением ракеты над фюзеляжем ...................

416

18.7.2 Старты с расположением РКН в фюзеляже..............................

416

18.7.3 Старты с расположением РКН под фюзеляжем .......................

417

18.8. Оценка весовой эффективности воздушных стартов .....................

419

18.8.1. Постановка задачи .....................................................................

419

8

 

18.8.2. Определение потребной характеристической скорости

 

для РН при воздушном старте ..............................................................

420

18.8.3. Результаты расчётов и их анализ .............................................

423

18.9. Полностью многоразовые многоцелевые авиационно-

 

космические системы.................................................................................

426

18.10. Запуск малогабаритных космических аппаратов .........................

427

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...............................................................................................

430

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................................

431

ПРИЛОЖЕНИЕ А ...........................................................................................

438

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВЫХ

 

И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТОВ......................................................................

438

9

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ББ- боковой блок

ВРБ

- водородный ракетный блок

ГБ

- головной блок

ГО

- головной обтекатель

ГСО

- геостационарная орбита

ГПО

- геопереходная орбита

ДУ

- двигательная установка

ЖРД

- жидкостный ракетный двигатель

КА

– космический аппарат

КГЧ

– космическая головная часть

ККС

- конструктивно-компоновочная схема

КРБ

- космический разгонный блок

МИК

- монтажно-испытательный корпус

НОО

- низкая опорная орбита

ОТТ

- общие технические требования

ПН

- полезная нагрузка

ПГС

- пневмогидравлическая система

ПхО

- переходный отсек

РБ

- ракетный блок

РД

- ракетный двигатель

РДТТ

- ракетный двигатель твёрдого топлива

РКК

- ракетно-космический комплекс

РКН

- ракета космического назначения

РКТ

- ракетно-космическая техника

РН

- ракета-носитель

САС

- система аварийного спасения

СЗБ

- сборочно-защитный блок

СК

- стартовый комплекс

ССО

- солнечно-синхронная орбита

ТЗ

- техническое задание

ТТЗ

- тактико-техническое задание

ТТТ

- тактико-технические требования

ТТХ

- тактико-технические характеристики

УРБ

- универсальный ракетный блок

ЭП

- эскизный проект

10