Основы проектирования РН Куренков

- из-за уменьшения потерь скорости от гравитационных, аэродинамических сил и сил противодавления на срезе сопла двигателя V2 .

Экономия характеристической скорости из-за изменения потенциальной энергии РН

Скорость V1 рассчитывается как разность идеальных потреб-

ных характеристических скоростей при наземном и воздушном стартах:

где Hc - высота старта РН.

В правой части этого выражения первый член представляет собой идеальную потребную характеристическую скорость при старте с поверхности Земли (см. формулу (2.10)), а второй член – идеальную потребную характеристическую скорость с учетом высоты старта.

Расчеты показывают, что значение V1 мало. Например, для высоты старта 12 км V1 составляет всего лишь 14,7 м/c, а для высоты

17 км – 20,8 м/с. Поэтому в первом приближении её можно не учитывать.

Экономия характеристической скорости из-за уменьшения потерь скорости от гравитационных и других сил

Скорость V2 можно определить, зная потребную характери-

стическую скорость РН для достижения высоты воздушного старта. По данным [50] для достижения высот 10…12 км и при различном количестве ступеней и схем соединения ракетных блоков РН эта ско-

рость составляет V2 =500…600 м/с.

Значение V2 можно также приближённо оценить, если учесть,

что основные потери скорости РН связаны с действием сил гравитации, а угол наклона траектории меняется от 90° на небольших высотах до 40…50° градусов на высотах 10…12 км. По статистике [50] для различных РН (исключая конверсионные) время достижения таких высот составляет 60…70 секунд (РН «Союз» - 64 с, РН «Зенит» - 63 с, РН «Энергия» - 65 с). Среднее значение угла наклона траекто-

421

рии составляет 67…70°. Следовательно, потери скорости от действия гравитации (для высот 10…12 км) составят:

VG g0 t sin 65 70o 520...610 м/с.

Более точно значение V2 можно получить, интегрируя уравне-

ния движения конкретной РН. Для проектных расчетов достаточно интегрирования упрощённых уравнений движения типа (2.16).

Экономия характеристической скорости в связи с полетом дирижабля или самолета с определённой скоростью

Обозначим эту скорость через V3 . При пуске РН с дирижабля

следует учесть, что при старте ракеты он может двигаться только горизонтально и его скорость, как правило, не превышает 200 км/час

или 55,5 м/с. Реальная экономия скорости V3 будет несколько

меньше скорости дирижабля, так как РН должна сменить направление полета с горизонтального на наклонный.

Рассмотрим пуск РН с самолёта. В работе [41] отмечается, что перед пуском РН самолёт должен сделать горку с максимально возможным углом наклона траектории, который составляет 20…30°. Время интенсивного разворота РН составляет примерно 20 секунд при изменении угла наклона траектории РН от стартового значения

до оптимального программного 50…60° [41]. Реальная экономия V3

будет также несколько меньше скорости самолета, однако в процентном отношении ее следует ожидать большей из-за начального угла наклона траектории, чем при горизонтальном пуске РН с дирижабля.

Введём эмпирический коэффициент kсс , который учитывает

снижение скорости РН по сравнению со скоростью носителя (дирижабля или самолёта) при изменении угла наклона траектории.

Тогда экономия характеристической скорости будет

V3 kссVнос ,

где Vнос - скорость носителя (дирижабля или самолёта).

По экспертным оценкам авторов для дирижабля kсс 0,8, а для самолёта kсс 0,9.

422

Суммарная экономия потребной характеристической скорости при воздушном старте равна

V V1 V2 V3 .

Тогда потребная характеристическая скорость при воздушном старте составит

Vxпотвс р Vxпотнс р V ,

где Vxпотнс р - потребная характеристическая скорость при наземном старте.

18.8.3. Результаты расчётов и их анализ

Расчёты проведены по методике, изложенной в подразделе 8.3. Целевая функция имеет вид (8.30), а функция ограничений вид (8.37). Расчёты и оптимизация проводились с использованием системы Mathcad. На рис. 18.22 представлены результаты расчётов стартовой массы РН с последовательным соединением ракетных блоков при наземном и воздушных стартах.

Рассмотрены две группы РН: трёхступенчатые с компонентами топлива «керосин - жидкий кислород» и двухступенчатые с компонентами топлива «жидкий водород - жидкий кислород». Цифры над столбиками диаграммы означают стартовую массу ракет-носителей.

Масса полезной нагрузки во всех случаях была одинакова - 2,5 т. Предварительно масса полезной нагрузки варьировалась и была подобрана таким образом, чтобы начальная масса трехступенчатой РН при наземном старте составляла примерно 100 тонн, что облегчает сравнение начальных масс РН в процентах.

Высота полёта для самолетов со скоростью 0,185 М, 0,83 М и 2,0 М составляла 12 км, для самолета со скоростью 4,0 М принималась равной 17 км. Конструктивные характеристики РБ первой, второй и третьей ступеней трехступенчатой РН с кислороднокеросиновым топливом составляли соответственно: s1 12 , s2 10 , s3 8 , а для двухступенчатой РН с кислородно-водородным топли-

вом - s1 10 , s2 8 .

423

Рис. 18.22. Влияние вида старта и топлива на начальную массу РН при заданной массе полезной нагрузки

Анализ результатов показывает, что чем больше скорость и высота полёта дирижабля или самолёта, тем меньшая масса РН требуется для вывода фиксированной полезной нагрузки. Наиболее эффективным в весовом отношении является старт с гиперзвукового самолета при М=4 с компонентами топлива «жидкий водород - жидкий кислород».

Однако следует отметить, что использование водорода в качестве горючего РН влечёт за собой увеличение габаритов по сравнению с РН, использующими в качестве горючего керосин. Это увеличение происходит несмотря на уменьшение стартовой массы РН и объясняется тем, что средняя плотность топлива с учётом соотношения компонентов у пары «керосин - жидкий кислород» выше, чем у пары «жидкий водород – жидкий кислород» примерно в три раза (1000 кг/м3 и 300…343 кг/м3 соответственно).

На рис. 18.23 представлены результаты расчётов объемов РН для исходных данных, использовавшихся при расчете масс. Анализ ре-

424

зультатов показывает, что потребный объём для реализации РН, использующих водород, значительно превышает объём РН, использующих керосин. Поскольку габаритные размеры РН могут быть критичными при использовании конкретных типов самолётов с учётом расположения РН по отношению к фюзеляжу (над фюзеляжем, внутри фюзеляжа, под фюзеляжем), то при выборе компонентов топлива с учётом удельного импульса и средней плотности топлива необходимо использовать критерий эффективности типа (7.7) с целевой функцией (7.21). С учётом других характеристик топлива, включая стоимостные, следует использовать комплексный критерий (7.24).

Рис. 18.23. Влияние вида старта и топлива на объем РН при заданной массе полезной нагрузки

Кроме того, при проектировании необходимо учитывать, что самолёты должны включать дополнительное оборудование для подпитки постоянно испаряющихся низкокипящих компонентов топлива. Это оборудование сложнее и тяжелее в случае, когда в качестве горючего используется жидкий водород.

425

Проблема практической реализации проектов воздушных стартов связана с экономическим аспектом создания сложной технической системы, в которой появляются новые элементы, в том числе дирижабли или самолеты специального назначения. Они для своего создания и эксплуатации требуют не меньших ресурсов (финансовых, материальных и людских) и времени, чем создание РН с наземным стартом. Поэтому при принятии окончательного решения о реализации тех или иных проектов воздушного старта необходимо проводить подробные исследования по оценке экономической эффектив-

ности [41, 44, 52].

18.9. Полностью многоразовые многоцелевые авиационно-космические системы

Вкачестве «первой» ступени в полностью многоразовых многоцелевых авиационно-космических системах используются гиперзвуковые самолеты-носители. В качестве второй (возвращаемой) ступени используется многоразовый космический самолет.

Вгиперзвуковых самолетах, используемых в качестве самолетовносителей, как правило, имеются две группы двигателей:

- обычные турбореактивные двигатели, с помощью которых самолет взлетает и разгоняется до скорости, соответствующей примерно 3…3,5 М (М - число Маха);

- прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), с помощью которых самолет может разгоняться до 6 М.

Необходимость в двух группах двигателей вызвана тем, что ПВРД могут запускаться только при большой начальной скорости набегающего потока воздуха (0,8 М и выше).

На рис. 18.24 в качестве примера показан в различных ракурсах гиперзвуковой самолет-разгонщик "50-50" разработки ОКБ-165 А.М.Люльки (ныне - НТЦ имени А.М.Люльки в составе НПО "Сатурн") [94 - 97] с установленным на нём космическим самолётом.

426

Рис. 18.24. Гиперзвуковой самолет-разгонщик (ГСР) "50-50"

Имеются также проекты одноступенчатых полностью многоразовых космических ракетопланов. Однако стартовая масса их велика. Так по проекту РКК «Энергия» [39] для доставки полезной нагрузки 10 тонн на низкую орбиту стартовая масса такого ракетоплана составляет 1400 тонн. Он взлетает вертикально, а осуществляет посадку горизонтально.

18.10. Запуск малогабаритных космических аппаратов

Для запуска малогабаритных космических аппаратов, обладающих малой массой, использование отдельных РН нецелесообразно. Экономичнее всего запускать такие аппараты совместно с «большими и тяжелыми» аппаратами. Такой метод запуска еще называют «попутным».

Впервые такого рода запуски осуществлялись в рамках развития творчества студентов. Например, в 80-х и в 90-х годах 20-го века были запущены студенческие спутники Московского авиационного института, Куйбышевского авиационного института – КуАИ (впоследствии Самарского государственного аэрокосмического университета) и др. Такие спутники решали относительно простые задачи. В частности, спутник «Пион» КуАИ (руководитель проекта профессор Ю.Л.Тарасов) был неуправляемым, имел форму сферы и определенный баллистический коэффициент. Этот спутник запускался совместно с КА «Зенит» (ЦСКБ, г. Самара) и предназначался для исследо-

427

вания состояния разреженной атмосферы по результатам его торможения, которое оценивалось с помощью наземных радиолокационных средств.

Внастоящее время, в связи с развитием элементной базы микроэлектроники, наблюдается тенденция минимизации массы и габаритов спутников с сохранением функциональных возможностей. В этой связи многие организации (в том числе и некоторые университеты) кооперируются с предприятиями ракетно-космической отрасли для попутного запуска своих спутников.

Впринципе, малогабаритные спутники можно запускать попутно практически со всеми «тяжелыми» спутниками, если у ракетносителей имеется небольшой резерв массы по полезной нагрузке.

На рис. 18.25 и 18.26 показаны варианты установки студенческого малого космического аппарата научного назначения «Аист», совместной разработки СГАУ и «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) на КА «Фотон» и в переходном отсеке ракеты-носителя.

МКА «АИСТ»

Рис. 18.25. МКА «Аист» и его установка на КА «Фотон»

428

Рис. 18.26. Установка малого космического аппарата «Аист» в переходном отсеке РН

Контрольные вопросы

1.Каким образом влияют широта расположения космодрома и ограничения по азимутам пуска на потребную характеристическую скорость РН?

2.Расскажите об особенностях запуска КА на солнечносинхронные орбиты.

3.Расскажите об особенности запуска КА на экваториальные ор-

биты.

4.Какие элементы РН требуют согласования с элементами технического комплекса и наземного стартового комплекса?

5. Расскажите о морском старте. Преимущества и недостатки.

6. Приведите схемы стартов с самолета с примерами.

7. Приведите этапы методики оценки весовой эффективности РН при стартах с дирижабля и самолетов.

8. Как определяется потребная характеристическая скорость РН при воздушном старте?

9. Охарактеризуйте влияние воздушного старта и топлива на начальную массу и габариты РН при заданной массе полезной нагрузки.

10. Расскажите о полностью многоразовых многоцелевых авиа- ционно-космических системах.

11. Расскажите о запусках малогабаритных КА в качестве попутных нагрузок РКН.

429

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем учебнике рассмотрены основы проектирования ра- кет-носителей. Основное внимание уделено вопросам выбора основных характеристик и проектного облика ракет-носителей.

Многие вопросы в этом учебнике не затрагивались из-за ограниченности объема пособия, многочисленности частных вопросов и сложности решаемых проблем при создании новых типов ракетносителей.

Желающих более подробно изучить вопросы проектирования ра- кет-носителей отсылаем к списку использованных источников.

430