Методика расчета массовая сводки одноразовой ступени

Всеазимутальная РН, структурная схема которой приведена на рис.4, является сложной технической системой, состоящей из систем более низкого иерархического уровня, включающих, в свою очередь, множество подсистем и агрегатов. Синтез её облика (облик – это совокупность данных характеризующих внешний вид, массовые и энергетические характеристики) требует проведения детальных расчетов, позволяющих учесть особенности конструкции и режимов полета оптимизируемого варианта системы.

Учитывая наличие большого материала по проектам одноразовых РН, при проведении баллистических расчетов будем пользоваться методикой весового и объемного расчета, основанной на статистической обработке весовых сводок систем и агрегатов.

 

 

Рис.4 Структурная схема двухступенчатой всеазимутальной РН с КРБ первой ступени

 

Облик проектируемого варианта РН, в первую очередь, будет определяться требованием по массе ПН (mпн), выводимой на опорную орбиту. Кроме этого Заказчиком, как правило, задаются ещё ряд требований и ограничений, позволяющих конкретизировать облик создаваемого изделия. Типовой перечень включает следующие требования:

 - РН запускается с космодрома Плесецк;

- опорные орбиты: круговая орбита высотой 200 км и наклонением 63 град и солнечно-синхронная орбита (ССО) высотой 450 км и наклонением 96.8 град;

-сброс головного обтекателя происходит в начале полёта второй ступени при скоростном напоре менее 5 кг/м2;

-продольная перегрузка на участке выведения не должна превышать 5.0 g;

-дальность падения ОЧ одноразовой первой ступени и ГО ≈ 850 км (для многоразовой ступени задаётся относительная скорость, высота и тангаж на момент разделения ступеней например: скорость 2000 м/с, высота 65-70 км, тангаж 25 град);

- компоненты ракетного топлива (КРТ), используемых на ступенях РН – жидкий кислород и сжиженный природный газ (СПГ),

- рекомендуемая номенклатура существующих или разрабатываемых ЖРД (приводятся параметры и габаритные чертежи двигателей, а также их энерго-массовые характеристики ЖРД (см. рис.5).

Синтез облика исходного варианта РН производится по представленной ниже методике, основу которой составляют статистические зависимости, определяющие взаимосвязь массовых, энергетических и геометрических параметров, полученных путем обработки данных типовых компоновок РН. Методика пригодна для формирования как всеазимутального, так и одноразового вариантов РН.

Методика включает выполнение следующих операций.

1. Рассчитывается с тартовая масса РН, которая определяется относительной массой выводимой ПН  и типом применяемого на ступенях горючего. В первом приближении  составляет:

3%-для чисто керосиновой РН (керосин на 1-й ступени и керосин на 2-й);

3.2 %- для РН использующей на второй ступени сжиженный природный газ (СПГ);

3.4 %- для РН с 1-й и 2-й ступенью на СПГ.

2. Определяется масса головного обтекателя (М ГО), которая зависит от М ПН и  изменяется экспоненциально: 0.40 – при М ПН =0.2 т, 0.25 – при М ПН =2 т, до 0.12, - при М ПН =10 т и более. Удельный объем ГО (по массе ПН), данные по которому понадобятся при расчете геометрических параметров ГО составляет: 10 м³ на 1 тонну ПН.

 

 

Рис.5 Общий вид и эксплуатационные характеристики ЖРД

 

3. Определяется суммарная стартовая масса ступеней: M 1+2 = M о - М ПН – М ГО и массы ступеней по соотношению:

  M 1 / M 2 = 1/4 – 1/5 –для РН тандемной схемы, использующей один тип горючего;

M 1 / M 2 = 1/3 – 1/4 –для РН пакетной схемы с запуском ДУ второй ступени на старте.

На более поздних этапах работы соотношение M 1 / M 2 оптимизируется по критерию «max ».

4. Для каждой ступени рассчитывается рабочий запас топлива. Его величина зависит от относительной массы конструкции ступени, определяемой как отношение массы конструкции ступени к рабочему запасу топлива :

   - 0.07-0.08- для «керосиновой» 1-й ступени,

   - 0.08-0.09- для 1-й ступени на СПГ,

 

   - 0.09-0.10- для «керосиновой»2-й ступени,

   - 0.10-0.11- для 2-й ступени на СП.

5. Определяется запас топлива, входящий в конечную массу (ЗКМ) (М ЗКМ =0.015 Мраб) и заправляемый запас топлива Мзапр = Мраб + М ЗКМ.

6. По соотношению секундного расхода окислителя и горючего к м рассчитывается масса горючего Мгор =1/(1+ ) и окислителя Мок=Мзапр-Мгор.

7. Определяется объем, занимаемый компонентом в баке по заданной плотности КРТ, которая составляет:

-метан 0.42 т/м3;

-керосин 0.83 т/м3;

-кислород 1.14 т/м3

8. Рассчитывается полный объем бака с учетом объема газовой подушки, который составляет для керосина 8%, для метана и кислорода 7% от рабочего объема компонента..

9. Производится предварительная компоновка ДУ, которая необходима для определения диаметра ступеней и габаритов баков. Суммарная тяга ДУ определяется стартовой тяговооруженностъю ступени. При выборе стартовой тяговооруженности ступеней РН  необходимо ориентироваться на среднестатистические зависимости, которые составляют:

-для двухступенчатой РН:

= 1.20-1.50 - для первой ступени,

= 0.70-0.90 - для второй ступени.

Следует также помнить, что для первой ступени стартовая тяговооруженность рассчитывается не по «пустотной», а по «земной» тяге ДУ. Зная величину P i   и тягу одного двигателя определяется суммарное количество ЖРД в составе ДУ ступени, которое округляется в большую сторону до ближайшего целого значения N i.

Используя данные по диаметру сопла ЖРД D дв и N i  компонуется ДУ с учетом следующих ограничений:

-для предотвращения соударения расстояние между соплами качающихся ЖРД должно быть не менее 0.1 D дв;

- скомпонованная ДУ должна с 5 % запасом вписываться в габаритный диаметр ступени D, который в первом приближении принят за диаметр бака.

10. Предположив, что диаметр бака равен диаметру ступени и зная объем бака можно определить его размеры (длину обечайки т.е. цилиндрической части и высоту днища) с учетом того, что оптимальный радиус днища бака должен составлять 1.18 радиуса обечайки.

11. После определения параметров баков компонуется ступень при этом бак окислителя, как правило, по соображениям управляемости РН должен располагаться выше бака горючего. При компоновке межбакового отсека расстояние между днищами должно быть не менее 0.1 м. В варианте СПГ-жидкий кислород можно использовать совмещённые днища т.е. нижнее днище бака "О" является верхним днищем бака "Г". При однодвигательном варианте ДУ нижнее днище к которому крепится двигатель целесообразно использовать в качестве моторамы и выполнять в виде усеченного конуса с углом полураствора 45 град, замыкаемого вогнутым сферическим днищем (рис.6).

По результатам компоновки первой ступени диаметр баков может быть скорректирован таким образом, чтобы удлинение блока баков, равное отношению расстояния между плоскостью верхнего и нижнего шпангоутов баков «О» и «Г» отнесенное к его диаметру, составляло 7-8. При компоновке второй ступени одинакового диаметра с первой, ее блок баков будет иметь существенно меньшее удлинение, что может потребовать или изменения ее диаметра или применения бака торовой формы.

Длина хвостового отсека определяется расстоянием между плоскостью нижнего днища бака горючего и плоскостью донного экрана ЖРД. Ступени РН тандемной схемы, у которой вторая ступень запускается в космосе, компонуются с помощью переходного отсека, который после разделения остается на первой ступени. Следует иметь ввиду, что переходный отсек будет короче, чем расстояние между плоскостями днищ блока баков первой и второй ступеней, поскольку для обеспечения сборки РН и компоновки магистралей ПГС второй ступени на ней должен быть предусмотрен короткий хвостовой отсек длиной не более 0.3-0.5 м.

12. По известному объему головного обтекателя определяются его габариты. Типовой ГО представляет собой комбинацию цилиндра и переднего конуса с углом раствора 40÷50 град. и скругленной вершиной. Цилиндрическая часть ГО ≈ в 1.5÷2 раза длиннее конической.

13. Компонуется базовый вариант РН на чертеже в масштабе соответствующем масштабу ЖРД: 1:100 или 1:50 (для РН лёгкого класса). При компоновке ДУ, выбранный вариант двигателя импортируется из рис. 5.

14. Рассчитываются массовые сводки ступеней с использованием следующих статистических зависимостей.

Каркас РН:

Удельная масса конструкции бака (по полному объему бака с учетом подушки):

-для 1-й ступени:

-для верхнего бака  20-22 кг/м3,

-для нижнего бака  22-24 кг/м3,

-для 2-й ступени:

-для верхнего бака  22-24 кг/м3,

-для нижнего бака  25-27 кг/м3, (большая величина для легких РН);

Удельная масса теплоизоляции днищ баков (только для СПГ и кислорода)  2 кг/м2,

Удельная масса внутрибаковых перегородок и пр. (по полному объему бака) 1 кг/м3;

Удельная масса сухих отсеков, нагруженных продольной силой: 2-10 кг/м*т (длина отсека в м, сжимающая сила в тоннах). Большее значение для малонагруженных отсеков верхней части РН. Параметр приведен к длине отсека и сжимающей силе, действующей на верхнюю плоскость отсека со стороны верхней части РН на старте. Например, для межбакового отсека второй ступени сжимающая сила будет равна массе ПН+ГО+приборный отсек + заправленный бак «О» второй ступени.

На 1-й ступени в состав хвостового отсека входит донная защита с поверхностной плотностью 20-25 кг/м2 (считается по полной поверхности днища т.е. без вырезов под ЖРД). 

Обтекатели и несиловые сухие отсеки 15-18 кг/м2 (приведено к площади поверхности);

Гаргроты, детали общей сборки, металлизация, окраска: 1 кг/м2 (приведено к площади боковой поверхности ступени).

Системы, входящие в состав ДУ:

Двигатель в состоянии поставки (см. рис.5).

Система подачи топлива (шаробаллоны, трубопроводы и пр.): 5 кг/м3 - по общему  объему баков "О" и"Г".

Системы заправки и контроля синхронного расхода (по полному объему бака)  0.5 кг/м3.

Рулевые машины (по пустотной тяге ДУ):

- при тяге ЖРД ≥ 100 т: 0.35 кг/т;  

- при тяге в диапазоне 20 т ≤ Р ≤ 100 т:  изменяется линейно от 1.3 кг/т до 0.35 кг/т;

- при тяге в диапазоне 1 т ≤ Р ≤ 20 т:  изменяется линейно от 2.0 кг/т до 1.3 кг/т;

- при промежуточной тяге ЖРД – удельная масса РМ изменяется линейно.

Тормозные РДТТ (по конечной массе ступени: конструкция +ЗКМ) 5 кг/т.

Автостыки заправочных магистралей:

- 15-20 кг для РН с массой ПН менее 1 т;

- 20-40 кг для РН с массой ПН 1-5 т;

- 40-60 кг для РН с массой ПН более 5.

Система пожаровзрывобезопасности сухих отсеков:

  - для РН с массой ПН менее 1 т 30 кг для 1-й ступени, 20 кг для 2-й ступени;

  - для РН с массой ПН более 1 т 60 кг для 1-й ступени, 30 кг для 2-й ступени;

Оборудование (большее значение для тяжелых РН):

Комплекс автономного управления (КАУ):

- 30-80 кг на 1-й ступени,

- 90-120 кг на 2-й ступени. Большая масса для тяжелых РН.

Источники питания: 20-40 кг- на каждый ракетный блок. Большая масса для тяжелых РН.

Бортовая кабельная сеть:

- 4-6 кг на 1 м длинны 1-й ступени,

- 10-15 кг на 1 м длинны 2-й ступени.

Система обеспечения теплового режима КАУ: 20-50 к. Большая масса для тяжелых РН.

Системы телеметрических и траекторных измерений:

- 20-40 кг - для 1-й ступени,

- 20-80 кг - для 2-й ступени. Большая масса для тяжелых РН.

Резерв  Резерв массы на компенсацию неучтенных факторов (конструкторский запас) принимается равным 5 % от общей массы конструкции ступени РН.

15. Результаты расчетов массовых сводок ступеней обобщаются в виде сводной таблицы (см.табл.1). Обобщенные данные, выделенные жирным шрифтом, заполняются после расчета соответствующих составляющих.

16. Для исключения грубых ошибок при расчете массовых характеристик рассчитываются относительные массы конструкции ступеней и сравниваются со среднестатистическими значениями (см.п. 4). 

 

 

Рис.6  Варианты компоновки РН

 

После заполнения табл.1 составляется сводная таблица характеристик РН (см. табл.2), используемая при проведении баллистических расчетов. Масса РН на момент начала полета 2-й ступени включает массу 2-й ступени на момент КП (старта)+ПН+ГО. Конечная масса определяется путем вычета ГО, который сбрасывается в начале участка полета 2-й ступени, рабочего запаса топлива. Начальная масса РН на момент начала полета 1-й ступени включает массу 1-й ступени на момент КП + начальную массу РН на момент начала полета 2-й ступени.

Массовые характеристики второй ступени используются непосредственно для компоновки всеазимутальной РН и оценки энергетических характеристик, а массово-габаритные характеристики одноразовой первой ступени служат исходными данными для компоновки КРБ и расчёта параметров его системы спасения.