МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА
(национальный исследовательский университет)»
А. Н. КИРИЛИН, Р. Н. АХМЕТОВ, В. И. КУРЕНКОВ
ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ФОРМИРОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОГО ОБЛИКА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
Учебник
Рекомендовано ред.-изд. советом фед. гос. бюдж. образ. учрежд. высш. проф. образ. «Самар. гос. аэрокосм.
ун-т им. акад. С.П.Королёва (нац. иссл. ун-т)» в качестве учебника
С А М А Р А
Издательство СГАУ
2015
УДК СГАУ 629.78 (075) ББК 39.62
К 93
Рецензенты:
кафедра 601 «Космические системы и ракетостроение» Московского авиационного института (национальный исследовательский университет) (зав. кафедрой чл.-кор. РАН, д-р техн. наук, проф. О. М. Алифанов;
главный научный сотрудник ОАО РКЦ «Прогресс», заслуж. деятель науки и техн. РФ, лауреат Ленинской премии, д-р техн. наук, проф. А. В. Соллогуб
К 93 Кирилин А. Н.
Выбор основных проектных характеристик и формирование конструктивного облика ракет-носителей: учебник / А. Н. Кирилин, Р. Н. Ахметов,
В. И. Куренков. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2015. – 448 с.: ил.
Приведены основные соотношения теории ракетного движения, анализируется взаимосвязь летно-технических, критериальных и основных проектных характеристик ракет-носителей (РН). Обсуждаются вопросы сбора и обработки статистических данных, анализируются общие технические требования и тактикотехнические требования при создании РН.
Рассматриваются методики расчета характеристической скорости, выбора топлива, стартовой массы и количества ступеней РН, вопросы оптимального распределения масс ракетных блоков по ступеням РН при различных схемах соединения ракетных блоков.
Обсуждаются вопросы определения объемно-габаритных характеристик и построения компоновочной схемы, методики расчета масс основных элементов конструкции и определения массоинерционных и центровочных характеристик проектируемых РН, вопросы автоматизации проектирования и разработки моделей РН в системе твёрдотельного моделирования.
Рассматриваются разгонные и апогейные ракетные блоки, а также вопросы совершенствования средств выведения в космос полезных нагрузок. Приведены сведения о ракетно-космическом и стартовом комплексах проектируемого космодрома «Восточный».
Учебник предназначен студентам специальности 160801 «Ракетостроение» направления подготовки дипломированных специалистов «Ракетостроение и космонавтика», по специальности 24.05.01 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» и по направлению подготовки магистратуры 24.04.01 «Ракетные комплексы и космонавтика».
Учебник может быть использован не только при изучении теоретического материала по проектированию ракет, но и при выполнении курсовых и дипломных проектов. Может быть полезен молодым специалистам ракетно-космической отрасли. Подготовлен на кафедре космического машиностроения СГАУ и ОАО РКЦ «Прогресс».
УДК СГАУ 629.78 (075) ББК 39.62
©Самарский государственный аэрокосмический университет, 2015
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ............................................................................... |
10 |
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................... |
11 |
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... |
13 |
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ............................................... |
15 |
1.1. История создания баллистических ракет и ракет-носителей ............ |
15 |
1.1.1. История создания первых ракет на жидких компонентах |
|
топлива ..................................................................................................... |
15 |
1.1.2. Становление ракетной промышленности СССР ......................... |
16 |
1.1.3. Первые космические полёты ........................................................ |
18 |
1.2. Общие сведения о ракетно-космическом комплексе ......................... |
19 |
1.3. Основные ракеты-носители мира ........................................................ |
21 |
1.4. Классификация ракет-носителей.......................................................... |
21 |
1.5. Проектирование и стадии разработки ракет-носителей..................... |
24 |
2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ РАКЕТНОГО ДВИЖЕНИЯ....... |
33 |
2.1. Структура многоступенчатой ракеты .................................................. |
33 |
2.2. Относительные характеристики масс составных частей ракеты ...... |
35 |
2.3. Функциональная связь между относительными |
|
характеристиками масс составных частей ракеты .................................... |
38 |
2.4. Характеристические скорости ракеты................................................. |
39 |
2.5. Удельный импульс ................................................................................ |
41 |
2.6. Влияние атмосферного давления на тягу ракетного двигателя......... |
42 |
2.7. Скорость ракеты с учетом реальных условий полета ........................ |
43 |
2.8. Типовая приближенно-оптимальная программа изменения |
|
угла наклона траектории ракеты ................................................................. |
45 |
2.9. Уравнения движения РН для поверочных расчётов........................... |
50 |
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТНЫЕ |
|
ПАРАМЕТРЫ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ............................................................. |
55 |
3.1. Характеристики ракет-носителей ........................................................ |
55 |
3.2. Основные проектные параметры ракеты ............................................ |
57 |
3.3. Выбор основных проектных параметров ракеты ............................... |
58 |
3.3.1. Основные проектные параметры, полученные из анализа |
|
идеальной скорости ракеты .................................................................... |
59 |
3.3.2. Основные проектные параметры, полученные из анализа |
|
потери скорости ракеты от действия гравитационных сил.................. |
60 |
3.3.3. Основные проектные параметры, полученные из анализа |
|
потери скорости ракеты от действия аэродинамических сил .............. |
63 |
3.3.4. Основные проектные параметры, полученные из анализа |
|
потери скорости ракеты от действия сил, возникающих |
|
при изменении давления воздуха на срезе сопла ракетного |
|
двигателя .................................................................................................. |
65 |
3.3.5. Основные проектные параметры многоступенчатых |
|
ракет-носителей ....................................................................................... |
67 |
3.4. Сопоставление значений потерь скорости ракеты ............................. |
70 |
4. СБОР И ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО |
|
РАКЕТАМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ............................................ |
72 |
|
3 |
4.1. Статистические данные по ракетам-носителям .................................. |
72 |
4.2. Статистические данные по ракетным двигателям .............................. |
85 |
4.3. Статистические данные по твёрдотопливным ускорителям .............. |
89 |
5. ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ............................................. |
93 |
5.1. Структура тактико-технических требований на создаваемые |
|
ракеты-носители ........................................................................................... |
93 |
5.2. Обзор общих технических требований, предъявляемых |
|
к ракетам-носителям..................................................................................... |
94 |
5.2.1. Требования по назначению ........................................................... |
94 |
5.2.2. Требования к надежности ............................................................. |
95 |
5.2.3. Требования к эксплуатации, удобству технического |
|
обслуживания, ремонту и хранению ...................................................... |
97 |
5.2.4. Требования к транспортабельности ............................................. |
98 |
5.2.5. Требования к безопасности........................................................... |
99 |
5.2.6. Конструктивные требования....................................................... |
100 |
5.2.7. Технико-экономические требования.......................................... |
105 |
5.2.8. Другие требования ....................................................................... |
106 |
5.3. Пример разработки и оформления тактико-технических |
|
требований в учебных проектах ................................................................ |
107 |
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ |
|
РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ .................................................................................... |
113 |
6.1. Методы расчета характеристической скорости ракет- |
|
носителей..................................................................................................... |
113 |
6.1.1. Статистические данные по характеристической скорости |
|
ракет-носителей ..................................................................................... |
113 |
6.1.2. Структура формулы для расчета характеристической |
|
скорости ракет-носителей ..................................................................... |
114 |
6.1.3. Расчет скорости на опорной орбите ........................................... |
115 |
6.1.4. Определение недобора характеристической скорости |
|
для затопления ракетного блока верхней ступени РН в |
|
акватории Мирового океана.................................................................. |
116 |
6.1.5. Расчет приращения скорости для перевода КА с опорной |
|
орбиты на эллиптическую орбиту ........................................................ |
120 |
6.1.6. Расчет приращения скорости для перевода КА |
|
с эллиптической орбиты на высокую круговую орбиту ..................... |
121 |
6.1.7. Расчет приращения скоростей для перевода КА с высокой |
|
круговой орбиты на эллиптическую орбиту и с эллиптической |
|
орбиты на низкую круговую орбиту .................................................... |
123 |
6.1.8. Расчет приращения скорости для изменения плоскости |
|
орбиты..................................................................................................... |
123 |
6.2. Старт к Луне и планетам ..................................................................... |
127 |
6.2.1. Старт к Луне ................................................................................. |
127 |
6.2.2. Старт к планетам.......................................................................... |
128 |
7. ВЫБОР ТОПЛИВА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАКЕТ ........................ |
135 |
7.1. Классификация топлива ...................................................................... |
135 |
7.2. Требования, предъявляемые к ракетным топливам.......................... |
136 |
7.3. Характеристики ракетного топлива ................................................... |
138 |
7.4. Особенности использования твердого ракетного топлива............... |
144 |
4 |
|
7.5. Критерии выбора топлива .................................................................. |
145 |
7.5.1. Выбор топлива с учетом влияния средней плотности |
|
и удельного импульса на стартовую массу РН ................................... |
145 |
7.5.2. Выбор топлива по комплексному критерию |
|
эффективности ....................................................................................... |
152 |
8. ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ РАКЕТЫ- |
|
НОСИТЕЛЯ ПО СТУПЕНЯМ И РАСЧЕТ СТАРТОВОЙ МАССЫ |
|
РАКЕТЫ .......................................................................................................... |
156 |
8.1. Задачи математического программирования.................................... |
156 |
8.2. Постановка и решение задачи оптимального распределения |
|
массы ракеты-носителя по блокам методом неопределенных |
|
множителей Лагранжа ............................................................................... |
157 |
8.2.1. Постановка задачи ....................................................................... |
157 |
8.2.2. Решение задачи............................................................................ |
159 |
8.3. Постановка и решение задач оптимального распределения |
|
массы ракеты-носителя по блокам численными методами .................... |
161 |
8.3.1. Схема с последовательным соединением ракетных блоков |
|
................................................................................................................. |
162 |
8.3.2. Схема с параллельным соединением ракетных блоков |
|
типа "пакет без перелива" ..................................................................... |
166 |
8.3.3. Схема с параллельным соединением ракетных блоков |
|
типа "пакет с переливом"...................................................................... |
171 |
8.3.4. Схема "трёхступенчатый пакет" .................................................... |
172 |
8.3.5. Схема "трёхступенчатый пакет с дополнительными |
|
стартовыми ускорителями" .................................................................. |
174 |
8.3.6. Особенности расчета масс ракетных блоков |
|
с использованием различных компонентов топлива .......................... |
184 |
8.3.7. Методика и алгоритм решения задач на условную |
|
оптимизацию в системе Mathcad.......................................................... |
186 |
8.3.8. Пример оптимизации стартовой массы РН в системе |
|
Mathcad ................................................................................................... |
187 |
8.4. Выбор количества ступеней ракеты-носителя .................................. |
189 |
8.4.1. Выбор количества ступеней ракеты по критерию |
|
минимума стартовой массы .................................................................. |
189 |
8.4.2 Выбор количества ступеней ракеты-носителя из условия |
|
функционального назначения ракетных блоков ................................. |
191 |
9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕМНО- |
|
ГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ...................... |
194 |
9.1. Выбор схемы соединения ракетных блоков ..................................... |
194 |
9.2. Определение объёма ракеты-носителя и её составных частей........ |
195 |
9.2.1. Объем головного обтекателя ...................................................... |
196 |
9.2.2. Объем приборных отсеков.......................................................... |
198 |
9.2.3. Объем топливных отсеков .......................................................... |
199 |
9.2.4. Объем хвостовых и переходных отсеков .................................. |
202 |
9.3. Определение длины и диаметра ракеты-носителя |
|
при последовательном соединении ракетных блоков ............................. |
202 |
|
5 |