Основы проектирования РН Куренков

входят два твердотопливных ускорителя, центральный блок с кисло- родно-водородным двигателем и блок выведения с двигателем на долгохранимых компонентах топлива.

Рис. 17.12. Ряд ракет-носителей Европейского агентства (с участием России - РН «Союз-СТ»)

«Вега» — лёгкая четырёхступенчатая РН. Стартовая масса ракеты - 137 т, длина - 30 м, максимальный диаметр - 3 м. Полезная нагрузка составляет примерно 1 500 кг при выводе на полярную орбиту высотой ~700 км. Особенностью РН является то, что для снижения стоимости ракетные блоки первых трёх ступеней - твёрдотопливные. Точное довыведение полезной нагрузки осуществляется четвёртым блоком ступени (AVUM) с жидкими компонентами топлива.

381

РН «Ариан-6» имеет грузоподъемность до 6,5 т на геопереходную орбиту (у "Ариана-5" - 10,5 т на ту же орбиту) [85]. РН «Ариан- 6» создаётся с целью удешевления одиночных запусков некоторых типов КА (на РН «Ариан-5» могут запускаться сразу по два КА)

Ракеты-носители США с российскими двигателями

На рис. 17.13 слева показана РН Atlas V (США) с российским двигателем РД-180, которые производятся в ОАО «НПО Энергомаш имени академика В. П. Глушко». Грузоподъёмность РН Atlas V в различных конфигурациях составляет от 9,8 до 29, 4 т на низкую опорную орбиту и от 14,75 до 13 т на геопереходную орбиту.

Рис. 17.13. РН Atlas V и Antares (США) с российскими двигателями

На рис. 17.13 справа показана РН Antares (США) с двумя российскими двигателями НК-33, которые производятся в ОАО «Кузнецов» (Самара). Грузоподъёмность ракеты на низкую опорную орбиту составляет 4,9 т.

17.4.Методика приближенной оценки грузоподъемности РН, составленных из существующих ракетных блоков

Методика базируется на уравнениях, используемых при оптимизации стартовой массы ракеты-носителя. Рассматривается только одно уравнение, которое получается из функции ограничений путём замены неравенства на равенство. В этом уравнении имеется лишь один неизвестный параметр - масса полезной нагрузки. При составлении уравнения необходимо учитывать количество ракетных блоков, схему их соединения, соотношения сил тяги двигателей и некоторые другие параметры.

Методику рассмотрим на конкретных схемах и примерах.

382

383

Схема с последовательным соединением ракетных блоков

Для оценки грузоподъемности РН с такой схемой соединения решается уравнение вида

относительно массы полезной нагрузки. Это уравнение получено из (8.33) с учётом выражения чисел Циолковского через массы.

Пример 1. Оценить грузоподъемность РН, состоящую из одного универсального ракетного блока, заимствованного из РН среднего класса повышенной грузоподъёмности, и блока «И» - из РН «Союз». Схема ракеты показана на рис. 17.15. Масса переходного отсека принята равной 450 кг, масса головного обтекателя – 1500 кг.

Протокол расчёта в системе Mathcad приведён ниже.

Рис. 17.15. Схема ракеты с универсальным РБ и блоком «И»

Протокол расчета грузоподъемности РН в конфигурации УРБ×1 + блок «И»+ПхО+ПН+ГО

384

Принятые обозначения (в соответствии с требованиями систе-

мы Mathcad):

mpn – масса полезной нагрузки, т;

Vx – характеристическая скорость, м/с (8030 – круговая скорость на высоте 200 км; 1350 -минимальное значение гравитационных и др. потерь скорости; 150 – запас по характеристической скорости);

g0 – ускорение силы земного притяжения;

R1о - сила тяги двигателей РБ первой ступени на Земле;

R1pсила тяги ракетного двигателя РБ второй ступени в пустоте; w1 и w2 –удельные импульсы двигателей соответствующих РБ; mb1 – масса ракетного блока первой ступени;

mb2 – масса ракетного блока второй ступени;

mt1 – масса топлива ракетного блока первой ступени; mt2 – масса топлива ракетного блока второй ступени;

q – превышение потребной характеристической скорости над располагаемой;

m0 – стартовая масса РН; nx0 – стартовая перегрузка;

nx1max – максимальная перегрузка на первой ступени.

Анализ результатов показывает, что грузоподъемность РН в данной конфигурации составляет 4,6 т, начальная перегрузка – 1,336. Максимальная перегрузка первой ступени составляет 6,95. Её можно снизить дополнительным дросселированием двигателя.

385

Если к данной конфигурации РН добавить РБ «Фрегат», то получится трёхступенчатая РН и её грузоподъемность увеличится до 5,6 т.

Пример 2. Оценить грузоподъемность РН, состоящую из центрального блока и блока «И», заимствованных из РН «Союз-2-2а».

обтекателя, а в массу РБ второй ступени - масса адаптера для крепления ПН.

Решение уравнения типа (17.2) приводит к массе полезной нагрузки mПН =3,00 т. Протокол расчёта в этом примере не приводится.

Отметим, что данный метод приближённый и пригоден на начальных этапах проектирования. При доработке конструкции, например при уменьшении массы силового шпангоута и массы узлов, предназначенных для восприятия и передачи усилий от боковых блоков в РН «Союз-1», можно повысить грузоподъёмность РН рассматриваемой конфигурации.

Расчет грузоподъемности РН с другими соединениями различных ракетных блоков осуществляется аналогично. Для каждой конфигурации РН составляется своё уравнение на основе функций ограничений, рассмотренных в разделе 8.

17.5. Методика оптимизации массы модернизируемых ракетных блоков в составе существующих РН3

Методика заключается в следующем.

1. Задаются масса полезной нагрузки ( mПН ) и потребная характе-

ристическая скорость (Vxпот р ) для вывода на заданную орбиту.

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

3 Данные исследования проводились совместно с В.А. Широковым.

386

ляет 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 ус-

ловии, что q xi 0 и значение min q xi близко к нулю.

5. Если q xi 0 , то масса полезной нагрузки уменьшается и рас-

четы 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).

Следует заметить, что при такой замене РН становится трёхступенчатой. Протокол расчета в системе Mathcad приведен ниже.

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

387

Конструктивные характеристики ТТРБ приняты с учётом статистики (см. табл. 4.3).

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);

388

mt1 – масса топлива РБ первой ступени (общая); mt11 – масса топлива в одном блоке;

mb1 – суммарная масса блоков первой ступени (ускорителей); mb11масса одного блока;

mt1, mt2, mt3 – масса топлива соответствующих РБ;

mb1, mb2, mb3 – масса соответствующих ракетных блоков; mk11 – масса конструкции одного твёрдотопливного блока.

Выражение root(q(x1), x1) 9,839 означает решение уравнения q(x1) относительно параметра x1 при заданных начальных значени-

ях этого параметра (см. x2 : 5 ).

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 99 т, масса топлива 88 т, масса конструкции 10,8 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 ниже в протоколе.

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

389

Анализ результатов показывает, что грузоподъёмность модернизированной РН составляет 30 т, масса водородного блока – 128,3 т, начальная перегрузка – 1,22. Для реализации водородного блока такой массы необходим двигатель (по статистике) с силой тяги примерно в

1000 kH.

В табл. 17.6 приведены результаты оценок грузоподъемности модернизируемой РН «Русь-М» с использованием твердотопливных ускорителей в различной конфигурации.

390