книги из ГПНТБ / Москаленко Г.М. Инженерные методы проектирования в ракетодинамике

У ракет, двигатели которых работают на унитарных топливах, смешение компонентов, участвующих в реакции сгорания, про­ изводится заранее, и в процессе распыления топливо должно только возможно более равномерно распределяться по попереч­ ному сечению камеры сгорания.

Уракет раздельной подачи в процессе распыления, кроме того, должно происходить тщательное перемешивание частичек горючего и окислителя, чтобы создавались наилучшие условия для сгорания и для возможно более полного выделения химиче­ ской энергии топлива.

Уракет, работающих на унитарных топливах, система пода­ чи получается более Лростой, так как в ней используется один,

ане два бака и имеется также одна система коммуникаций между баком и камерой сгорания.

Ракеты с раздельной подачей классифицируются более под­ робно по типу применяемого окислителя, поскольку свойства то­ го или иного окислителя в значительной мере определяют конст­ руктивные особенности двигателя, а часто и возможность его ис­ пользования на той или другой ракете. При классификации по типу применяемого окислителя двигатели (ракеты) обычно полу­ чают название по наименованию применяемого окислителя, на­ пример, кислородный, азотнокислый и др. В настоящее время наиболее распространены кислородные и азотнокислотные двига­ тели.

Гибридными топливами называют такие, которые образова­ ны жидкими и твердыми компонентами. Ракеты с гибридными топливами устроены таким образом, что жидкие компоненты находятся в баках топливного отсека, а твердые компоненты не­ посредственно в камере сгорания двигателей (см. рис. 18). Гиб­ ридные топлива могут быть двухкомпонентные и многокомпо­ нентные.

В целях обеспечения более высокой удельной тяги в совре­ менных ракетных двигателях применяются топлива с металли­ ческими компонентами. При сгорании такого топлива образуют­ ся окислы металлов либо твердой, либо жидкой конденсирован­ ной фазы. Теплоотвод от конденсированной фазы в газовую по тракту сопла позволяет снизить тепловые потери. Это объясняет­ ся тем, что часть тепла конденсированной фазы, аккумулирован­ ного ею в камере сгорания, благодаря межфазовому теплообме­ ну восполняет затраты тепловой энергии газового потока на разгон частиц конденсированной фазы.

Ракеты смешанной конструкции (комбинированные) могут быть образованы твердотопливными ракетными ускорителями (например первая ступень) и жидкостными ракетами (послед­ них ступеней) по типу американской ракеты «Титан-3».

37

К л асси ф и к ац и я ракет по сп о со б у подачи ком пон ен тов то п л и в а

Различают ракеты с насосной и вытеснительной системой по­ дачи топливных компонентов.

При насосной подаче компоненты топлива из баков нагнета­ ются в камеру сгорания насосами, которые требуют для своего вращения какого-либо источника энергии. Для привода насосов чаше всего используется газогенератор, работающий на одно­ именных топливных компонентах либо на продуктах такого ра­ бочего тела как перекись водорода.

Повышение давления в баках при вытеснительной подаче мо­ жет осуществляться самыми разнообразными способами. Широ­ ко распространена система подачи, в которой вытеснение ком­ понентов осуществляется газом высокого давления.

Из баллона этот газ проходит через редуктор и затем посту­ пает в баки, выдавливая компоненты топлива в камеру сгора­ ния Ж РД . Такая система подачи носит название баллонной.

Более простая система вытеснения имеет место при исполь-. зовании порохового аккумулятора давления (ПАД) или продук­ тов сгорания жидких компонентов (так называемая подача жидкостным аккумулятором давления Ж А Д ).

В этих системах вытеснительной подачи тяжелый баллон со сжатым газом замещается более легким пороховым или жидко-: стным аккумулятором; вес газа, вытесняющего компоненты, уменьшается за счет более высокой температуры, при которой газ поступает в топливные баки.

Классификация ракет по типу старта

Стартовые комплексы (оборудование, обеспечивающее подго­ товку и пуск ракеты) бывают двух типов: подвижные и ста­ ционарные. Атомные подводные лодки — один из наиболее из­ вестных вариантов подвижных стартовых комплексов. Имея на борту постоянно готовые к бою баллистические ракеты, они спо­ собны занять позицию в любом районе Мирового океана и вне­ запно атаковать противника из подводного положения.

Возможны и другие подвижные комплексы, в которых ракеты могут быть размещены на железнодорожных платформах. Перед пуском платформы опираются на гидравлические амортизаторы. Аналогично могут быть также с успехом использованы и мощные грузовые автомобили и гусеничные тягачи.

Старт ракет, предназначенных для изучения верхних слоев атмосферы в различных районах околоземного пространства, хорошо освоен со специально оборудованных кораблей морско­ го флота.

38

Несмотря на то, что за подвижными пусковыми установками противнику труднее следить, стационарные комплексы распро­ странены больше. Их недостаток — не­ подвижность —• с лихвой окупается мощ­ ной защитой. Если раньше ракеты и обо­ рудование располагались на поверх­ ности, то теперь все эти элементы стар­ тового комплекса ушли глубоко под зем­ лю.

Для космических ракет-носителей ос­ тается по-прежнему старт с поверхности Земли (ракетодрома).

39

К л асси ф и к ац и я ракет по назначен ию

Ракеты могут быть разделены также на военные (стратеги­ ческие и тактические), ракеты-носители, а также ракеты-ускори­ тели, предназначенные для увеличения стартовой перегрузки (или скорости) различного типа самолетов и ракет.

Баллистическими ракетами обычно называют ракеты, полег которых происходит по баллистической траектории.

В целом траектория полета баллистической ракеты состоит из активного участка полета под действием силы тяги ракетного двигателя, свободного полета в пустоте (по инерции — эллипти­ ческий участок) и полета в плотных слоях атмосферы при ее возвращении на Землю.

В зависимости от дальности полета различают также ракеты дальнего действия (более 5000 км); ракеты средней дальности (от 1000 до 5000 км) и ракеты малой дальности (до 1000 км) *.

На рис. 19 приведена фотография зенитной управляемой ра­ кеты (ЗУР), а также общий вид антиракеты «Ника-Зевс» (рис. 20). Их назначением является соответственно поражение воздушных целей и головных частей баллистических ракет.

К ракетам-носителям относятся ракеты, являющиеся сред­ ством для осуществления мирной программы космических ис­ следований, изучения верхних слоев атмосферы Земли (метео­ рологические ракеты) и совершенствования техники ракетного полета (экспериментальные ракеты).

Разные ракеты включают в себя большое количество других ракет, описание которых в настоящую классификацию не входит.

Классификация по боевому применению общеизвестна [2] и мы здесь на ней более подробно, чем это показано на рис. I1, останавливаться не будем.

1.2 КЛАССИФИКАЦИЯ РАКЕТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ МНОГОКРАТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Общая классификация многократно используемых космиче­ ских систем показана на рис. 21. На рис. 22 приведены общий вид и траектория полета крылатого носителя многократного при­ менения. Ракетные летательные аппараты такого типа после выполнения задания могут возвращаться (полностью или ча­ стично) к месту старта и могут быть использованы повторно.

Полностью возвращаемые ракетно-космические системы мо­ гут осуществлять посадку в районе старта или в какой-либо точ­ ке земной поверхности.

Многократно используемые космические системы, как и ра­ кетные системы однократного применения, удобно разделять

* Латухин А. Н. «Боевые управляемые ракеты», М ., Воениздат, 1968, 132 с.

40

Рис. 21. Классификация ракетных летательных аппаратов многократного применения

/

Рис. 23. Одноступенчатый ракетоплан (воздушно-космический самолет). Старт горизонтальный. СШ А . Фирма Мартин. Двигатель Я Р Д работает на жидком азоте, накапливаемом из атмосферы

Рис. 24. Составной двухступенчатый ракетоплан. Старт наклонный. Проект «Астророкет» фирмы Мартин. СШ А

42

прежде всего на одноступенчатые (рис. 23) и составные (рис. 24). Как одноступенчатые, так и составные РЛА могут быть выполнены по баллистической и крылатой схемам. В первом случае посадка осуществляется путем повторного включения двигателей на приземном участке вертикального спуска. Во вто­ ром случае это происходит в режиме горизонтального полета

Рис. 25. Схемы крылатых ракет-носителей многократного применения:

а —п ар ал л ел ь н о е соединение ступеней, отдельная нагрузка ; б—последовательное соединение ступеней

Рис. 26. Воздушно-космическая система горизон­ тального старта по проекту N ASA (США)

(при выходе из планирования) как у обычных самолетов. Орби­ тальные РЛА, выполненные по одноступенчатой схеме, могут быть всегда возвращены самостоятельно к месту старта. Ступе­ ни орбитальной ракеты-носителя многократного применения не всегда (кроме последней) могут быть возвращены к месту стар­ та, если для этой цели не резервирован специальный запас топ­ лива для возвращения в режиме обратного баллистического по­ лета или в режиме маршевого движения.

43

довательной (рис. 25), пакетной (параллельной) (рис. 26) и комбинированной (рис. 27) схемам.

Спасаемые ракеты-носители могут быть оборудованы несу­ щими поверхностями (жесткими, полужесткими и т. д.) или спе­ циальными бортовыми системами спасения. Системами спасения

кместу старта и системы, обеспечивающие возвращение ракеты

кместу старта. Обычно возвращение к месту старта (или на за­ ранее запланированную площадку) возможно при условии, если система обладает несущей способностью (аэродинамическим качеством) или, например, достаточным запасом добавочного топлива, для того чтобы осуществить поворот вектора скорости

всторону возвращения.

Весьма существенным является деление многократно приме­ няемых ракетно-космических летательных аппаратов на РЛА вертикального и РЛА горизонтального старта. На рис. 28 пред­ ставлена зависимость грузоподъемности от взлетного веса РЛА горизонтального и вертикального стартов, полученная на базе весового анализа. График показывает, что при малых старто­ вых весах ( G 0 - < 4 5 0 тс) большей грузоподъемностью обладают ракетопланы горизонтального старта; при больших стартовых весах ( G o > 5 5 0 тс) большей грузоподъемностью обладают раке­ топланы вертикального старта [12].

44

Для горизонтального старта необходима строго прямолиней­ ная большей длины (несколько километров) горизонтальная рельсовая дорожка (рис. 29). По такой дорожке скользят стар­ товые салазки, несущие на себе разгоняемый ракетоплан (рис. 30). Салазки разгоняются при помощи специальных ракет­ ных ускорителей с автономным запасом топлива и развивающих большую тягу при весьма невысоких скоростях истечения актив­ ной массы (продуктов сгорания топлива).

Рис. 29. Горизонтальный старт составного ракетоплана с пред­ варительным разгоном ракетным ускорителем по рельсовой дорожке

Рис. 30. Многократно используемая космическая система (составной ракетоплан) по проекту фир­ мы JU N K E R S и BÖLKOW (ФРГ). Старт горизон­ тальный с предварительным разгоном ракетным ускорителем по рельсовой дорожке

Наклонный старт при помощи катапультирования ракетными ускорителями (см. рис. 24) также позволяет заметно увеличить как взлетную, так и конечную скорость ракетоплана. При таком старте уменьшаются трудности, связанные с обеспечением безо­ пасности взлета при высокой удельной нагрузке на единицу пло­

щади крыла (до 1000 кгс/м2).

45

В ближайшее время можно ожидать быстрого развития кры­ латых космических систем для многократных транспортных по­ летов Земля — орбитальная станция — Земля и пилотируемых космических кораблей с большим аэродинамическим качеством и высокой маневренностью при полете © атмосфере [12].

Ч,км w1s-

Рис. 31. Области применения летательных аппаратов (по Зенгеру)

На рис. 31 показано современное состояние механики полета в координатах скорость — высота полета. Область до М = 3 зани­ мает современная авиация, область, ограниченная первой и вто­ рой космическими скоростями, принадлежит спутникам Земли; область справа от кривой параболической скорости, принадле­ жит межпланетным космическим аппаратам; область от М = 5 до М =25 будет принадлежать гиперзвуковым самолетам и новому

46