1.2 Компоновочные схемы ла
Компоновочная схема ЛА является основной характеристикой общего вида ЛА. Её структура и параметры зависят главным образом от энергетического обеспечения полётом, которое, в свою очередь, является функцией скорости, высоты и дальности полёта.
Указанные параметры , определяемые целевым назначением ЛА, в ряде случаев могут иметь весьма высокие значения, например разгон ЛА до гиперзвуковых и космических скоростей, вывод ЛА на орбиту искусственного спутника Земли и т.д. Расчёты показывают, что потребная масса топлива для таких аппаратов может достигать 90 и более процентов от общей массы ЛА. Поэтому даже при небольшом полезном грузе стартовая масса ракеты оказывается значительной.
Характер зависимости потребной относительной стартовой массы баллистической ракеты M0/Mп (где M0 – стартовая масса ракеты, а Mп – масса полезной нагрузки) от дальности полёта L показан на рис. 4. Приведённые зависимости, характеризующие энергетические возможности ракеты при среднестатистических характеристиках конструкции ДУ, показывают, что в простейшем случае для одноступенчатой ракеты (N=1) существенное увеличение дальности полёта происходит только до M0/Mп ≈ 50.
12
Рис. 4. Зависимость потребной относительной стартовой массы БР от дальности полёта
Дальнейшее увеличение стартовой массы (при постоянной величине Mп) незначительно влияет на дальность полёта. Так увеличение M0 в три раза дает прирост дальности примерно на 13%. Увеличения отношения M0/Mп свыше 150 почти не даёт прироста дальности. Чтобы получить дальность полёта порядка 10000 км, необходимо довести запас топлива примерно да 94%. В этом случае ракета будет иметь стартовую массу около 100000 кг при полезной нагрузке не более 200 кг.
К.Э.Циолковский показал, что стартовую массу можно существенно уменьшить путём применения многоступенчатых (составных) ракет. В этом случае ракета составляется из нескольких частей, каждая из которых имеет свой двигатель. У одноступенчатых ракет масса конструкции при их движении на активном участке траектории остается постоянной. Масса конструкции многоступенчатых ракет изменяется дискретно (скачкообразно) после отбрасывания отработавшего ракетного блока.
Под ступенью многоступенчатой ракеты (рис. 5) понимают часть составной ракеты, обеспечивающую её полёт на определённом отрезке активного участка и состоящую в общем случае из ракетного блока (РБ) (с запасами топлива, ДУ и элементами системы управления) и полезной нагрузки ступени.
13
Полезная нагрузка ступени, в свою очередь, может служить последующей ступенью ракеты после отделения отработавшего РБ.
Рис. 5. Схема трехступенчатой ракеты
Рис. 6. Классификация компоновочных схем ЛА
14
Смысл использования многоступенчатых ракет состоит в том, что в процессе полёта последовательно отделяются те элементы конструкции ракеты, надобность в которых миновала. Вследствие этого исключаются затраты топлива на сообщение дополнительной скорости элементам ракеты, бесполезным с точки зрения дальнейшего движения.
Из рассмотрения рис. 4 следует, что применение нескольких ступеней позволяет существенно уменьшить массу ракеты и соответственно снизить потребный запас топлива. Теоретической границей энергетических возможностей баллистических ракет является зависимость, соответствующая нулевой относительной массе конструкции ε = (Mконст/М0) → 0 (см. рис. 4), когда ракета состоит только из топлива и полезной нагрузки. Реальное число ступеней, целесообразное из расчёта массовых характеристик, может доходить до пяти. Однако на практике больше трёх ступеней не применяют. Дальнейшее увеличение числа ступеней влечёт за собой усложнение конструкции и снижение надёжности. То и другое связано с дополнительной массой конструкции, которая в этих случаях оказывается весьма значительной.
Компоновочные схемы многоступенчатых ракет можно разделить на три группы (рис.6):
с последовательным расположением РБ и их поперечным разделением (схема «тандем», см. рис. 6а);
с параллельным расположением РБ и продольным разделением ступеней (схема «пакет», см. рис.6б);
с комбинированным расположением РБ (см. рис. 6в)
. Выбор той или иной схемы определяется размерами ракеты и требованиями, предъявляемыми пусковой установкой.