Материал: Основы проектирования РН Куренков

Если к данной конфигурации РН добавить РБ «Фрегат», то получится трёхступенчатая РН и её грузоподъемность увеличится до 5,6 т.

Пример 2. Оценить грузоподъемность РН, состоящую из центрального блока и блока «И», заимствованных из РН «Союз-2-2а».

обтекателя, а в массу РБ второй ступени - масса адаптера для крепления ПН.

Решение уравнения типа (17.2) приводит к массе полезной нагрузки mПН =3,00 т. Протокол расчёта в этом примере не приводится.

Отметим, что данный метод приближённый и пригоден на начальных этапах проектирования. При доработке конструкции, например при уменьшении массы силового шпангоута и массы узлов, предназначенных для восприятия и передачи усилий от боковых блоков в РН «Союз-1», можно повысить грузоподъёмность РН рассматриваемой конфигурации.

Расчет грузоподъемности РН с другими соединениями различных ракетных блоков осуществляется аналогично. Для каждой конфигурации РН составляется своё уравнение на основе функций ограничений, рассмотренных в разделе 8.

17.5. Методика оптимизации массы модернизируемых ракетных блоков в составе существующих РН3

Методика заключается в следующем.

1. Задаются масса полезной нагрузки ( mПН ) и потребная характе-

ристическая скорость (Vxпот р ) для вывода на заданную орбиту.

2. Задаются (или рассчитываются) характеристики неизменяемых ракетных блоков (РБ) в составе модернизируемой РН: Si , xi , (см. обозначения в разделе 8).

3 Данные исследования проводились совместно с В.А. Широковым.

386

ляет собой разность между потребной и располагаемой характеристическими скоростями РН в зависимости от отношения массы топлива оптимизируемого РБ к массе полезной нагрузки. Вид и сложность функции зависят от конфигурации РН.

4. Подбирается (оптимизируется) масса замещаемых или устанавливаемых дополнительно ракетных блоков (ускорителей) при ус-

ловии, что q xi 0 и значение min q xi близко к нулю.

5. Если q xi 0 , то масса полезной нагрузки уменьшается и рас-

четы повторяются до выполнения условия в пункте 4.

6. Рассчитывается стартовая перегрузка РН, которую желательно иметь в пределах 1,3…1.5. Если начальная перегрузка выходит из этих пределов, то проект пересматривается.

Проведена верификация методики на основе оценки грузоподъемности существующих ракет-носителей.

Пример 3. Рассчитать максимальную грузоподъемность РН среднего класса повышенной грузоподъёмности при замене двух боковых УРБ на два твердотопливных ракетных блока (ТТРБ) и сохранении водородного РБ (ВРБ).

Следует заметить, что при такой замене РН становится трёхступенчатой. Протокол расчета в системе Mathcad приведен ниже.

Протокол расчета максимальной грузоподъемности РН в конфигурации УРБ×1 +ТТРБ×2+ВРБ+ПхО+ПН+ГО

387

Конструктивные характеристики ТТРБ приняты с учётом статистики (см. табл. 4.3).

Часть обозначений, принятых в этом протоколе для РБ первой, второй ступеней и для РН соответствуют обозначениям в примере 1. Для РБ третьей ступени обозначения аналогичны. Другая часть обозначений следующая:

а – отношение сил тяги двигателей;

q (хi) – превышение потребной характеристической скорости над располагаемой в зависимости от параметра хi (все остальные параметры известны);

388

mt1 – масса топлива РБ первой ступени (общая); mt11 – масса топлива в одном блоке;

mb1 – суммарная масса блоков первой ступени (ускорителей); mb11масса одного блока;

mt1, mt2, mt3 – масса топлива соответствующих РБ;

mb1, mb2, mb3 – масса соответствующих ракетных блоков; mk11 – масса конструкции одного твёрдотопливного блока.

Выражение root(q(x1), x1) 9,839 означает решение уравнения q(x1) относительно параметра x1 при заданных начальных значени-

ях этого параметра (см. x2 : 5 ).

Результаты расчета показывают, что при замене двух боковых УРБ на два твердотопливных стартовых ускорителя максимальная грузоподъемность модернизированной РН «Русь-М» составляет около 17,9 тонн. Масса каждого из двух боковых блоков составляет примерно 99 т, масса топлива 88 т, масса конструкции 10,8 т. В данных расчетах удельный импульс и конструктивные характеристики твёрдотопливных ракетных блоков брались по данным статистики.

Пример 4. Рассчитать максимальную грузоподъемность РН среднего класса повышенной грузоподъёмности, если модернизируется водородный ракетный блок второй ступени. Начальная перегрузка должна быть более 1,1; характеристическая скорость РБ первой ступени должна быть не менее 3000 м/с (для разделения ступеней в разреженных слоях атмосферы).

Результаты расчёта приведены ниже в протоколе.

Протокол расчета максимальной грузоподъемности РН в конфигурации УРБ×3 + ВРБ+ПН+ГО

389

Анализ результатов показывает, что грузоподъёмность модернизированной РН составляет 30 т, масса водородного блока – 128,3 т, начальная перегрузка – 1,22. Для реализации водородного блока такой массы необходим двигатель (по статистике) с силой тяги примерно в

1000 kH.

В табл. 17.6 приведены результаты оценок грузоподъемности модернизируемой РН «Русь-М» с использованием твердотопливных ускорителей в различной конфигурации.

390