Основы проектирования РН Куренков

Довывод космических аппаратов на рабочие орбиты или корректировка орбит могут быть осуществлены также с помощью корректирующей двигательной установки космического аппарата.

1.3. Основные ракеты-носители мира

На рис. 1.2 представлены основные ракеты-носители мира.

В начале космической эры ракеты-носители создавались на основе баллистических ракет. Затем стали создаваться ракетыносители, которые специально предназначались для вывода полезных нагрузок в космическое пространство. В последние десятилетия, кроме США и России, ракеты-носители стали разрабатываться в Европе (Европейское космическое сообщество), в Китайской Народной Республике, в Японии и некоторых других странах.

Воздушно-космические системы разрабатывались в США («Спейс Шаттл»), СССР («Энергия-Буран») и др. Однако «Спейс Шаттл», строго говоря, не является ракетой-носителем, так как центральный блок не имеет двигательной установки. Маршевые двигатели установлены на космическом самолете, полезная нагрузка размещается там же.

1.4. Классификация ракет-носителей

Классификация ракет-носителей носит условный характер и проводится по признакам, которые приведены ниже.

Классификация по грузоподъемности (выведение на круговую орбиту высотой 200 км) [42]:

-легкие (до 5 т);

-средние (5…20 т);

-тяжелые (20…100 т);

-сверхтяжелые (свыше 100 т).

В последние годы введен ещё один промежуточный класс – «средний класс повышенной грузоподъемности», что соответствует грузоподъемности несколько большей, чем 20 т.

21

-схема с отделяемыми внешними (боковыми) двигателями.

Классификация по токсичности топлива:

-токсичные (с длительным сроком хранения в заправленном состоянии, например РН "Протон", конверсионная двухступенчатая баллистическая ракета "Днепр");

-нетоксичные (с ограниченным сроком хранения в заправленном состоянии, например РН "Союз", "Сатурн-V");

-с нетоксичными компонентами топлива основных ступеней РН

иналичием разгонного блока с токсичными компонентами топлива, например РН "Союз" с разгонным блоком "Фрегат".

Классификация по фазовому составу топлива:

-жидкие компоненты топлива (РН "Союз", "Сатурн-V" и др.);

-твердые компоненты топлива (РН «Скаут», РН "Старт");

-ракеты-носители с наличием ракетных блоков и на жидком топливе, и на твердом топливе ("Титан-3", GSLV, «Ариан-5» и др.);

-ракеты-носители с наличием ракетных блоков на комбинированных компонентах топлива (твердое горючее и жидкий окислитель, например проект РН на базе противоспутниковой трехступенчатой ракеты-перехватчика, стартующей с самолета МиГ-31).

Классификация по наличию возвращаемых ракетных блоков:

-ракетные блоки одноразового применения;

-возвращаемые ракетные блоки (спуск на парашюте, на дельтаплане или самолетный спуск ракетных блоков первой ступени, например ракетный блок «Байкал»).

Классификация по методу старта:

-закрытый старт (шахты, подводные лодки);

-открытый старт.

Закрытый старт применяется только для конверсионных ракетносителей. Существуют разновидности такого старта: с включёнными двигателями и выталкиванием ракеты газами под давлением с последующим включением двигателей уже вне шахты или контейнера (РН «Волна», «Днепр», «Старт»).

Открытый старт, в свою очередь, классифицируется как:

-наземный неподвижный (космодромы);

-наземный подвижный (железнодорожные платформы или тягачи на колесном шасси);

23

-морской старт (с плавучей специальной платформы, например РН "Зенит");

-воздушный старт (с самолетов-носителей, например проекты "Молния", "Бурлак", действующая система «Пегас» и др.).

1.5. Проектирование и стадии разработки ракет-носителей

Проектирование – один из начальных этапов создания современных технических систем и объектов и, в частности, ракетносителей.

Проектирование - это творческий процесс поиска и нахождения рациональных (в определенном смысле) решений, обеспечивающих создание технических объектов, комплексов и систем, удовлетворяющих заданным требованиям.

Проект – результат проектирования (projectus (лат.) – брошенный вперед).

Проект должен содержать:

-общий замысел;

-план создания ракеты-носителя;

-конкретные технические решения по бортовым системам, агрегатам, элементам.

Затраты на выполнение собственно проекта составляют 5-10 % от общих затрат на создание изделия, включающего кроме проектирования:

-подготовку производства;

-изготовление опытных образцов;

-экспериментальную отработку и др.

Ошибки на этапе проектирования самые "дорогие". Соотношение затрат на исправление ошибок на этапах проектирования, отработки, производства и эксплуатации примерно составляет 1:10:100:1000. Принципиальные ошибки, как правило, вообще не могут быть исправлены на стадии эксплуатации.

Укрупненные стадии разработки технических изделий согласно ГОСТ 2.103-68 (2001, с изм. 2 2006): ЕСКД. Стадии разработки [62] представлены в табл. 1.1 с сокращениями.

24

Таблица 1.1. Стадии разработки

Применительно к изделиям ракетно-космической техники используется 9 стадий разработки.

I. ТТЗ – тактико-техническое задание.

II. АП – аванпроект (техническое предложение, инженерная записка).

III. ЭП – эскизный проект.

IV. КД – конструкторская документация.

V. НЭО – наземная экспериментальная отработка.

VI. КНЭО – комплексная наземная экспериментальная отработка. VII. ЛИ (или ЛКИ) – летные (или летно-конструкторские) испы-

тания.

VIII. ПС – подготовка к серийному производству.

IX. АН – авторский надзор над серийным изготовлением РН.

25

Рассмотрим подробнее первые три стадии. Остальные стадии не являются предметом обсуждения настоящего учебного пособия.

I стадия разработки

ТТЗ разрабатывает Головной институт Заказчика и выдаёт его Головному конструкторскому бюро (КБ). При разработке ТТЗ Головной институт и КБ тесно взаимодействуют между собой, решая спорные вопросы. В ТТЗ устанавливаются основные тактикотехнические требования (ТТТ) к разработке ракеты-носителя.

II стадия разработки

Разработка аванпроекта (технического предложения или инженерной записки) выполняется Головным конструкторским бюро совместно с основными предполагаемыми соисполнителями.

В материалах аванпроекта должны быть приведены основные тактико-технические характеристики (ТТХ), которые планируется реализовать при разработке ракеты-носителя. Материалы аванпроекта должны содержать сведения о том, какова предполагаемая кооперация, сколько потребуется времени и средств до момента сдачи изделия на серийное производство, план отработки надежности функционирования изделия, а также сведения по наземному комплексу.

После проведения экспертизы в Головном институте отрасли и Заказчика и устранения замечаний принимается решение о продолжении или остановке работ.

Основные этапы разработки аванпроекта, связанные с выбором проектного облика РН, следующие:

1)выбор основных проектных характеристик и конструктивного облика (компоновочной схемы) РН;

2)поверочный расчет;

3)уточнение проектных характеристик.

Основные этапы разработки аванпроекта, связанные с выбором проектного облика РН, следующие:

-анализ аналогов и обработка статистических материалов по РН;

-разработка тактико-технических требований к проектируемой РН;

-расчёт характеристической скорости;

-выбор компонентов топлива;

-выбор количества ступеней ракеты-носителя, расчет стартовой массы с учетом оптимального распределения масс по ступеням;

26

-расчёт предварительных объёмно-габаритных характеристик РН;

-построение предварительной компоновочной схемы РН;

-проектный расчёт масс элементов конструкций ракетных блоков;

-расчёт центра масс и моментов инерции ракеты-носителя;

-уточнение компоновочной схемы с учетом требований к положению центра давления, отделяющимся элементам и др.

Поверочный расчёт осуществляется с целью проверки возможности достижения ракетой заданной высоты, скорости и направления полёта в конце активного участка траектории при принятых характеристиках РН, включая количество ступеней, силы тяги двигателей и их изменение с высотой полёта, аэродинамических сил и др.

Уточнение проектных характеристик проводится с целью их оптимизации.

Сначала выполняется параметрический анализ влияния основных параметров на тактико-технические характеристики РН. Для этого при моделировании осуществляется приращение (как положительное, так и отрицательное) каждого из основных параметров. Причем это приращение производится либо последовательно для каждого отдельного параметра и делаются выводы о степени влияния изменения исследуемых параметров на ТТХ РН, либо изменяются одновременно несколько параметров по определенному плану многофакторного численного эксперимента. Далее по полученным коэффициентам уравнения регрессии делаются выводы о степени влияния изменения исследуемых параметров на ТТХ РН. Степень влияния параметров на ТТХ РН оценивается с помощью так называемых коэффициентов чувствительности (в некоторой литературе - коэффициентов значимости). Эти коэффициенты представляют собой частные производные функции отклика (значений ТТХ) по исследуемому параметру.

По результатам параметрического анализа осуществляется изменение параметров в направлении улучшения ТТХ. Причем такие изменения могут проводиться двумя методами.

Метод последовательного улучшения ТТХ. Суть этого метода состоит в том, что сначала изменяется параметр с наибольшим коэффициентом чувствительности (или значимости), затем проект уточ-

27

няется с измененными исходными данными. Далее рассчитываются коэффициенты значимости в новом проекте, изменяется параметр с самым наибольшим коэффициентом чувствительности и т. д. Процесс прекращается, если изменения ТТХ относительно невелики (например, меньше 2-3%).

Метод "движения по градиенту". Суть этого метода состоит в том, что осуществляется приращение сразу всех значимых параметров, причём приращение каждого из параметров происходит пропорционально коэффициенту чувствительности.

С помощью этих методов можно улучшить исходный проект. По сути дела при этом осуществляется приближение к оптимальному решению. Но поскольку оптимального решения в полном смысле этого слова достичь не удается, то принято говорить о так называемых рациональных параметрах, при которых ТТХ РН будут наилучшими с заданной степенью точности. Эти параметры и принимают в качестве проектных характеристик создаваемой ракеты-носителя.

III стадия разработки

Материалы эскизного проекта должны содержать все расчеты по основным системам и элементам, формирующим конструктивнокомпоновочную схему изделия, и обоснования по выбору её оптимального облика, реализующего ТТЗ и заданные по нему лётнотехнические характеристики.

Все параметры и характеристики, приведенные в материалах аванпроекта, должны получить соответствующие подтверждения и обоснования. Графическая часть должна содержать общие виды и теоретические чертежи изделия. Составляются программа обеспечения надежности и комплексный план экспериментальной отработки РН.

Таким образом, эскизный проект отличается более подробной проработкой всех этапов аванпроекта.

В части проработки проектного облика РН эскизный проект включает в себя следующие этапы:

1)выбор состава бортовых систем, принципов их работы;

2)разработка конструктивно-компоновочной схемы;

3)разработка технических заданий на составные части РН (на отдельные ракетные блоки и бортовые системы);

28

4)согласование характеристик двигательных установок с основными проектными характеристиками РН;

5)расчетно-теоретические работы и выполнение эскизных проектов по основным составным частям ракеты и бортовым системам.

Состав бортовых систем РН и принципы их работы изучаются студентами в других дисциплинах, предшествующих дисциплине «Основы проектирования РН». Ниже приведен лишь типовой состав бортовых систем ракетных блоков:

-системы крепления и разделения ракетных блоков;

-система крепления и разделения головного обтекателя;

-система крепления и разделения КА;

-пневмогидравлические системы ракетных блоков;

-системы подачи топлива в двигатель;

-системы наддува баков;

-системы одновременного опорожнения баков объёмомерные;

-системы одновременного опорожнения баков расходомерные;

-система регулирования кажущейся скорости;

-система регулирования нормальной составляющей скорости;

-система регулирования боковой составляющей скорости;

-системы обеспечения теплового режима.

Конструктивно-компоновочная схема РН является логическим развитием её компоновочной схемы.

Вотличие от компоновочной схемы в ККС представлены основные решения по конструкторским и технологическим членениям ракеты и приведены основные размеры сочленяемых элементов. Причём для узлов сочленения здесь отображаются некоторые принципиальные моменты (например, форма шпангоута для крепления полезного груза и обтекателя, форма и габариты силового кольца для крепления рамы двигателя и передачи усилий на корпус ракеты).

ВККС содержатся следующие частные документы:

-теоретические чертежи;

-виды общие;

-общие схемы блоков и РН в целом;

-зона размещения полезного груза под обтекателем;

-схема расположения элементов системы аварийного спасения (если она имеется);

29

-схема расположения элементов системы крепления и разделения головного обтекателя;

-схема расположения элементов системы крепления и разделения полезного груза;

-схема расположения элементов системы крепления и разделения ракетных блоков и сбрасываемых элементов;

-зоны размещения приборов в приборном отсеке;

-пневмогидравлические схемы двигательных установок ракетных блоков;

-зоны установки элементов ПГС (шаров-баллонов для наддува баков, раструбов наддува, заправочных клапанов, дренажнопредохранительных клапанов и т.п.);

-схема установки датчиков наполнения топливом и датчиков опорожнения баков;

-зоны прокладки кабелей и элементов пневмогидроавтоматики;

-места установки электрических, а также пневмогидроразъёмов;

-схема установки и центровки ракетного двигателя с рамой;

-схема мест установки транспортировочных узлов;

-схема транспортировки ракетных блоков и ракеты в целом;

-схема установки ракеты на стартовое устройство;

-схема крепления ракеты на стартовом устройстве и схема разделения элементов крепления при пуске ракеты и др.

Конструктивно-компоновочная схема в процессе проектирования ракеты постоянно обновляется.

Конструктивно-компоновочная схема служит основой для задания размеров при составлении технических заданий на разработку бортовых систем и их элементов.

Разработка технических заданий на составные части РН про-

водится на основе состава бортовых систем ракетных блоков и кон- структивно-компоновочной схемы. При составлении технических заданий (ТЗ) на составные части РН размеры берутся с ККС с учетом мест расположения и отведенных габаритов. На каждую из бортовых систем разрабатывают отдельное ТЗ.

Некоторые бортовые системы разрабатываются в том же конструкторском бюро (КБ), в котором проектируется РН, а некоторые

30