-начальных перегрузок ( n0 const );
-относительных масс двигательных установок ( ДУ const ).
В выражении (7.21) различными останутся только средние плотности компонентов топлив Т и удельные импульсы топлив w при-
веденной ракеты.
Таким образом, методика выбора топлива по критерию (7.7) сводится к проведению расчетов показателя p по формуле (7.21) для
различных пар компонентов топлива и выбору пары компонентов топлива, у которой этот показатель минимальный, то есть p min .
Пример расчета по данной методике приведен в табл. 7.7.
Таблица 7.7. Пример расчета относительной массы полезной
нагрузки
Компоненты |
Средняя |
Удельный |
Отношение массы |
|
плотность |
импульс, |
ступени к массе ее |
||
топлива |
||||
топлива, кг/м3 |
м/с |
полезной нагрузки |
||
Керосин + жидкий кислород |
1000 |
3475 |
2,418 |
|
|
|
|
|
|
Жидкий водород + жидкий |
343,8 |
4500 |
2,010 |
|
кислород |
||||
|
|
|
||
НДМГ+ четырехокись азота |
1280 |
2795 |
2,996 |
|
|
|
|
|
|
Природный газ + жидкий |
829 |
3680 |
2,307 |
|
кислород |
||||
|
|
|
Для расчета были приняты следующие исходные данные, одинаковые для всех расчетных вариантов:
характеристическая скорость 3000 м/с; плотность конструкционного материала бака 2700 кг/м3; допустимое напряжение в стенке бака 200 MПа;
среднее давление в баке 0,30 MПа; начальная перегрузка 1,5; относительный вес двигателя 0,02.
Для приведенных исходных данных лучший показатель отношения стартовой массы ракеты к массе полезной нагрузки получился у пары компонентов топлива: "жидкий водород - жидкий кислород". На втором месте - пара «природный газ - жидкий кислород».
151
Еще раз отметим, что приведенными зависимостями можно пользоваться только для выбора топлива по критерию минимума относительной массы полезного груза ракеты, а не для расчета и сравнения других проектных характеристик ракеты.
При выборе топлива также можно пользоваться критерием эффективности в виде отношения
|
|
|
|
|
pот н min |
|
|
(7.22) |
|
|
|
Vx const, |
||
|
|
|
||
где pот н |
pi РН |
, |
(7.23) |
|
|
||||
|
pi прот |
|
||
В этом выражении pi РН |
- отношение начальной массы созда- |
|||
ваемой РН к массе полезной нагрузки; pi прот – отношение начальной массы аналога (прототипа) РН также к массе полезной нагрузки.
7.5.2.Выбор топлива по комплексному критерию эффективности
Для современных ракет-носителей, при проектировании которых используется системный подход, применяется следующий комплексный критерий эффективности:
n |
|
W ki Wi max , |
(7.24) |
i 1
где Wi - частные показатели эффективности;
ki - удельный вес i-го частного показателя эффективности; n – количество частных показателей эффективности.
Удельный вес частных показателей эффективности назначается экспертным методом. При этом должно соблюдаться одно из следующих соотношений:
n |
n |
|
ki 1 |
или ki 100 |
% , |
i 1 |
i 1 |
|
если удельный вес частных показателей выражается в долях единицы или в процентах соответственно.
152
Однако для расчета значения комплексного показателя эффективности необходимо привести частные показатели эффективности к одной размерности или к безразмерным величинам.
Перевод частных показателей эффективности к одной размерности может быть произведен только в частных случаях, например, когда эффективность сопоставляется в единицах стоимости.
Переход к безразмерным показателям эффективности возможен с помощью расчета вероятностных показателей эффективности (объективная свертка) или методом экспертного назначения показателей эффективности в баллах (субъективная свертка).
Рассмотрим методику экспертной оценки частных показателей эффективности в баллах.
В качестве частных показателей эффективности при выборе ракетного топлива обычно выбираются следующие:
W1 - показатель, характеризующий энергетические возможности
топлива (W1 1, если удельный импульс максимальный, и W1 0,1 , если топливо имеет минимальное значение удельного импульса);
W2 - показатель, характеризующий токсичность топлива (W2 1, если нетоксично, и W2 0,1, если топливо максимально токсично);
W3 - показатель, характеризующий среднюю плотность топлива (W3 1 , если плотность максимальна, и W3 0,1, если минимальна);
W4 - показатель, характеризующий стабильность топлива (W4 1, если стабильность максимальна, и W4 0,1, если минимальна);
W5 - показатель, характеризующий наличие производственной базы (например, W5 1 , если топливо имеет широкую производственную базу, и W5 0,1, если производственная база минимальна);
W6 - показатель, характеризующий наличие специальной производственной базы (W6 1, если топливо не требует создания специ-
альной производственной базы, и W6 0,1, если требуется создание специальной производственной базы);
W7 - показатель, характеризующий стоимость топлива (W7 1, если стоимость топлива минимальна, и W7 0,1, если стоимость топлива максимальна).
153
Следует отметить, что максимальное и минимальное значение показателя Wi можно назначать произвольно, например, минималь-
ное значение – 1, максимальное значение – 7, или минимальное – 10, максимальное – 100, главное, чтобы эти максимальные и минимальные значения были одинаковы для всех рассматриваемых частных показателей эффективности. Удельные веса частных показателей эффективности можно назначать и в процентах.
Назначение частных показателей эффективности топлива также проводится экспертами (с учетом имеющихся видов топлива, используемых в ракетной технике или предполагаемых к использованию).
Далее производится расчет числовых значений каждого из частных показателей эффективности для анализируемых видов топлива. Исходные данные и результаты расчета заносятся в таблицу, форма иллюстрируется табл. 7.8. В этой же таблице в качестве примера показаны результаты расчета комплексного показателя эффективности для четырёх пар компонентов топлива.
Таблица 7.8. Пример экспертной оценки частных показателей
эффективности и расчета комплексных показателей эффективности топлива
Топливо |
W1 |
|
W2 |
W3 |
W4 |
W5 |
W6 |
W7 |
|
|
|
Удельный вес частного показателя, k |
W |
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
0,2 |
|
0,3 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
|
Окислитель |
Горючее |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Жидкий |
Жидкий |
1 |
|
1 |
0,1 |
0,5 |
0,6 |
0,1 |
0,3 |
0,69 |
кислород |
водород |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Жидкий |
Керосин |
0,7 |
|
0,9 |
0,8 |
0,7 |
0,8 |
0,7 |
0,8 |
0,79 |
кислород |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Азотная |
НДМГ |
0,5 |
|
0,2 |
1 |
0,8 |
0,4 |
0,2 |
0,2 |
0,42 |
кислота |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Жидкий |
Природ- |
0,8 |
|
0,9 |
0,7 |
0,7 |
0,9 |
0,8 |
0,9 |
0,83 |
кислород |
ный газ |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Для приведенной экспертной оценки лучший показатель эффективности оказался для компонентов топлива: "жидкий кислородприродный газ". Однако ракетные двигатели на природном газе в на-
154
стоящее время находятся в экспериментальной отработке. А водо- родно-кислородные двигатели применяются с середины прошлого века.
Следует отметить, что любой комплексный критерий эффективности вносит определенную долю субъективизма исполнителей. Но при наличии опыта работы при выборе компонентов топлива и высокой квалификации исполнителей результаты, как правило, стабильны
ине противоречат здравому смыслу.
Внастоящее время не рекомендуется использовать токсичные компоненты топлива.
Контрольные вопросы
1.Приведите классификацию ракетных топлив.
2.Какие виды твердого топлива Вы знаете?
3.Что такое комбинированное топливо?
4. Приведите требования, предъявляемые к ракетным топливам для современных ракет-носителей.
5. Какие характеристики ракетного топлива Вы знаете?
6. Объясните физическую или техническую сущность (с определениями и размерностью) следующих характеристик:
-удельный импульс;
-токсичность;
-плотность;
-соотношение компонентов топлива;
-стабильность;
-наличие производственной базы;
-наличие специальной производственной базы;
-стоимость.
7. Поясните суть критерия выбора топлива с учетом удельного импульса и средней плотности топлива. Поясните по учебному пособию или конспекту основные этапы вывода расчетных зависимостей.
8. Поясните суть комплексного критерия для выбора топлива. Что такое частный критерий? Что такое удельный вес частного показателя эффективности топлива?
155