Материал: Основы проектирования РН Куренков

D

L

Рис. 9.1. Схема для определения предварительных объёмно-габаритных характеристик ракеты-носителя

9.2.1. Объем головного обтекателя

Особенности расчета объёма головного обтекателя для полезных нагрузок различного типа

В связи с тем что космические аппараты не всегда создаются на тех же фирмах, что и ракеты-носители, тем более что ракетнокосмические организации территориально могут быть расположены в разных странах, принято ракету космического назначения делить на собственно ракету-носитель и космическую головную часть (см. рис. 1.1), в которую входят переходный отсек, космический разгонный блок, космический аппарат и головной обтекатель. Преимуществом такого деления является существенное сокращение различного рода согласований между разработчиками космических аппаратов и создателями ракет-носителей. Практически взаимодействие сводится к согласованию элементов интерфейсной части по стыку ракетыносителя и космической головной части.

Отметим, что переходный отсек и головной обтекатель также называют сборочно-защитным блоком.

Если ракета-носитель предназначена для вывода в космос конкретного космического аппарата, который должен быть защищен от воздействия аэродинамических нагрузок и тепловых потоков, то задача сводится к подбору геометрических характеристик головного обтекателя. При этом необходимо обеспечить минимальный объем головного обтекателя при условии размещения космического аппарата в зоне полезной нагрузки.

196

Если ракета-носитель предназначена для вывода в космос различных типов полезных нагрузок, то объем головного обтекателя рассчитывается на основе статистических данных по плотности компоновки полезных нагрузок различного назначения и коэффициента незаполнения объема головного обтекателя полезной нагрузкой. При этом в расчетах рекомендуется использовать наименьшую плотность полезной нагрузки, так как в этом случае объем головного обтекателя будет наибольшим, что заведомо обеспечит размещение других космических аппаратов с большей плотностью компоновки.

В первом приближении объем головного обтекателя можно представить пропорциональным объему полезной нагрузки:

где k ГО - коэффициент, учитывающий неполноту заполнения головного обтекателя полезной нагрузкой; WПН - объем полезной нагрузки.

Для КА зондирования Земли можно принять k ГО 1,5...2,0 , а

для межпланетных космических комплексов, а также для полезного груза, состоящего из разгонного блока, адаптеров и нескольких спут-

ников, запускаемых одной ракетой-носителем, kГО 2,0...3,0 .

В свою очередь, объем полезной нагрузки можно получить по следующей зависимости:

где ПН - средняя плотность полезной нагрузки.

Средняя плотность полезной нагрузки зависит от ее назначения. В первом приближении можно принять следующие значения этой плотности:

-для космических комплексов, выполняющих межпланетные полеты, - 150…300 кг/м3;

-для космических аппаратов, функционирующих на орбитах Земли, - 300…700 кг/м3.

Унифицированные головные обтекатели

С целью расширения возможностей проектируемой ракетыносителя, снижения издержек и расширения кооперации с фирмами-

197

производителями ракетной техники и космических аппаратов проектанты стремятся использовать унифицированные головные обтекатели. В частности, унифицированный головной обтекатель одной из модификаций РН «Союз» имеет диаметр 4,1 м, а длина выбирается в зависимости от габаритов полезной нагрузки (8, 10 и 12 м).

Полезные нагрузки, запускаемые без головного обтекателя

Если полезная нагрузка определена однозначно, то сразу видно, нужен ли головной обтекатель вообще или не нужен. Например, в одном из проектов пилотируемый корабль «Клипер» должен был запускаться без головного обтекателя, так как его корпус выдерживал нагрузки и тепловые потоки, возникающие при спуске с орбиты, и, естественно, выдержал бы нагрузки и тепловые потоки, возникающие при выводе корабля на орбиту, так как они значительно ниже.

На рис. 9.2 представлены проектные варианты компоновочных схем космических головных частей ракеты космического назначения «Союз-2-3» с полезными нагрузками без головного обтекателя [53].

Рис. 9.2. Проектные варианты схем установки пилотируемых кораблей на РН без головного обтекателя

9.2.2. Объем приборных отсеков

Особенности расчета объема приборных отсеков для ракетносителей различной грузоподъемности

Если масса полезной нагрузки РН до 20 т, то объём приборных отсеков следует рассчитывать только для ракетного блока последней ступени. На ракетных блоках нижних ступеней можно обойтись без

198

приборных отсеков, так как для установки приборов обычно достаточно места в межбаковых отсеках этих ракетных блоков. Напомним, что на ракетных блоках нижних ступеней устанавливаются приборы, которые нужны лишь для работы именно этих ракетных блоков.

Для ракет-носителей с массой полезной нагрузки порядка 50100 т отдельные приборные отсеки, как правило, не предусматривают (даже для последней ступени), так как в больших ракетах приборы занимают относительно небольшой объём и для них всегда можно найти место в межбаковых отсеках.

Объем приборного отсека, установленного в одном из ракетных блоков последних ступеней ракеты-носителя, можно рассчитать так:

где mПО - масса приборного отсека;

ПО - средняя плотность компоновки приборного отсека, которая для приборов системы управления верхних ступеней ракет-

где ПО - относительная масса приборного отсека по статистике; mБ - масса ракетного блока.

Следует заметить, что относительную массу приборного отсека можно рассчитывать по отношению к массе последней ступени ракеты или к стартовой массе ракеты. В этом случае в формуле (9.6) необходимо использовать соответствующие массы.

9.2.3. Объем топливных отсеков

Объем топливных отсеков каждого ракетного блока рассчитывается отдельно по формуле

где WТ i - объем топлива i-й ступени;

kТ i - коэффициент, учитывающий превышение объема топливного отсека над объемом топлива.

199

Коэффициент kТ i характеризует степень совершенства топливного отсека и представляет собой отношение объема топливного отсека к объему компонентов топлива, расположенных в этом отсеке:

где WОк и WГ - объемы окислителя и горючего соответственно. Коэффициент kТ i зависит от формы баков (рис. 9.3), от наличия

в баках тоннельных трубопроводов, шаров-баллонов для хранения газа наддува, другой арматуры баков и др. Значения этого коэффициента лежат в пределах 1,15…1,3.

а) с разъединенными баками; б) с совмещенными днищами баков

Объем топлива i-й ступени можно рассчитать по зависимости

где ср i - средняя плотность топлива i-й ступени.

Формула для расчета средней плотности топлива была получена в разделе 7 настоящего учебного пособия:

где Ок и Г - плотность окислителя и горючего соответственно;

- коэффициент отношения массы окислителя к массе горючего, который в первом приближении можно принять равным отношению секундных расходов компонентов топлива.

Таким образом, рассчитывая среднюю плотность топлива каждой ступени по формуле (9.10) и объемы топлива по формуле (9.9),

200