3. Требования к двигательным установкам

Эффективность использования ДУ в составе ЛА возрастает с увеличением значения обеспечиваемой ею характеристической скорости. Указанную скорость можно определить по известному уравнению Циолковского: ( ). Характеристическая скорость прямо пропорциональна удельному импульсу тяги в пустоте и натуральному логарифму отношения начальной и конечной (после выключения двигателя) масс ЛА. Следовательно, при проектировании ДУ требуется:

1. В первую очередь обеспечить возможно большее значение удельного импульса тяги. Снижение массы сухой ДУ (она в основном определяет конечную массу ЛА) также важно, но оно менее эффективно, так как отношение масс в уравнении Циолковского стоит под знаком логарифма.

У современных ракет относительная масса топлива достигает 90 % ее начальной массы, т. е. на полезную нагрузку, массу баков, двигателя и других элементов ДУ приходится только 10 % стартовой массы ракеты. Э.К. Циолковский нашел гениальное решение, казалось неразрешимой задачи – организовать полет так, чтобы уже в полете освобождаться от тех частей ракеты, которые стали ненужными. Ракета должна состоять из ряда связанных самостоятельных ракет, т. е. должна быть многоступенчатой. При взлете включаются двигатели самой мощной 1-ой ступени, которая уносит ЛА на большую высоту и сообщает ему большую скорость. Когда все топливо в этой ступени будет израсходовано, она сбрасывается и в то же время начинают работать двигатели 2-ой ступени, которые продолжают увеличивать скорость всего поезда, пока и во 2-ой ступени не кончится топливо. После этого она также отделяется и включается двигатель 3-й ступени, который сообщает оставшейся части ракеты заданную скорость и выводит ее на расчетную высоту.

Для многоступенчатой ракеты формула Циолковского примет вид

( 3.1) где n – число ступеней ракеты.

Т аким образом весьма эффективным способом получения больших значений скоростей является применение многоступенчатой ракеты. Многоступенчатые ракеты подразделяют на ракеты с поперечным и продольным делением ступеней (рис. 3.1).

а) б)

Рис. 3.1. Схемы двухступенчатых ракет:

а - с поперечным делением; б - с продольным делением;1 – пироболты (разрывные) для разделения ступеней

Советская трехступенчатая ракета-носитель "Восток" имеет продольное деление первой и второй ступеней и поперечное деление второй и третьей ступеней.

2) возможно меньшая стоимость разработки. Указанная стоимость в значительной степени определяется стоимостью изготовления ДУ (т.е. стоимостью конструкционных материалов, затратами на разработку технологий, оснащение производства технологическим оборудованием и на собственно изготовление, сборку и контроль качества), а также стоимостью испытания ракетной системы.

3) эксплуатация двигателя должна быть безопасной и по возможности несложной, а его конструкция – простой по технологии изготовления и дешевой.

К двигателям боевых ЛА, кроме перечисленных выше требований, предъявляются еще следующие требования: пуск двигателя должен производиться в течение короткого промежутка времени, а хранение аппарата с двигателем, подготовленным к пуску (заправленным), должно быть достаточно длительным.

К двигателям космических аппаратов предъявляются дополнительные требования, вытекающие из специфики их работы в условиях разреженной среды (вакууме) и невесомости.

Определенные требования к двигателям, зависящие от их назначения, предъявляются и в области регулирования параметров, автоматизации работы и контроля.

Одновременно выполнить все требования на одинаково высоком уровне обычно невозможно, так как эти требования часто противоречивы. Например, чтобы выполнить первое из основных требований к двигателям – увеличить удельный импульс, необходимо повышать давление во всех элементах двигателя и применять топлива неудобные в обращении. Но, повышая давление и используя топлива с плохими эксплуатационными качествами, трудно обеспечить высокую надежность и простую эксплуатацию двигателя.

В зависимости от назначения двигателя и условий его работы в каждом конкретном случае определяются наиболее важные требования, которые и выполняются в первую очередь.