Основы классификации ракет-носителей

Учебно-методическое пособие

На тему: «Конструкция ракет-носителей»

Одобрено

протокол №___________

от «___»_________2010 г.

Байконур

2010 г.

Аннотация

Учебно-методическое пособие предназначено для помощи молодым специалистам АО «СП «Байтерек» в углублении знаний при освоении своих функциональных обязанностей.

В работе рассматриваются основы классификации ракет-носителей, их

компоновочные схемы, силовые схемы, конструктивные схемы.

Учебно-методическое пособие позволяет получить представление о схемном и конструктивном построении ракет-носителей.

Содержание

Аннотация 2

Содержание 3

Принятые сокращения 4

1 Основы классификации ракет-носителей 5

2 Компоновочные схемы 11

3 Силовые схемы 20

4 Конструктивные схемы 24

Контрольные вопросы 29

Литература 30

Принятые сокращения

ББ – боковой блок

КБ – конструкторское бюро

ККС – конструктивно-компоновочная схема

ЛА – летательный аппарат

РН – ракета-носитель

Основы классификации ракет-носителей

Основу классификации ракет-носителей (рисунок 1) составляют критерии и параметры, которые определяют их характеристики и зависят от требований, предъявляемых к ним как к летательным аппаратам.

В целом ракету-носитель характеризуют:

- класс ракеты-носителя (ракетно-космической системы);

- область ее применения (использования);

- тип полезного груза, выводимого ракетой-носителем;

- кратность ее применения;

- источник энергии, используемый для движения;

- принцип разработки данного конкретного образца;

- компоновочная и конструктивно-силовая схемы;

- аэродинамическая и внутренняя компоновки;

- технологичность конструкции;

- эксплуатационные характеристики.

Класс ракеты-носителя (ракетно-космической системы) является совокуп­ным параметром, определяющим ее мощность.

По мощности все существующие и проектируемые ракеты-носители под­разделяют на четыре класса: легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые. Ос­новным показателем, определяющим принадлежность ракеты-носителя к тому или иному классу, является ее грузоподъемность, т. е. масса полезного груза, выводимого ею на орбиту искусственного спутника Земли (например, круговую орбиту Н = 160—300 км). Количественные показатели грузоподъемности (классы) ракет-носителей приведены в таблице 1. В соответствии с таблицей 1 к легким ракетам-носителям относят ракеты-носители «Восток», «Космос», «Скаут», «Тор», «Атлас», «Титан-11», «Титан-ШС», «Сатурн-1»; к средним — «Протон», «Сатурн-ГВ»; к тяжелым — «Сатурн-У»; к сверхтяжелым — «Нова» и т. п.

Область применения (использования) ракет-носителей (РКС) в настоя­-

Таблица 1

Класс	Грузоподъемность, т
Легкие	до 10
Средние	11 – 15
Тяжелые	51 - 150
Сверхтяжелые	Свыше 150

щее время включает околоземное космическое пространство, в котором

ра­кеты-носители используются для вывода полезного груза на различные орби­ты искусственного спутника Земли, и межпланетное космическое простран­ство, в котором ракетно-космические системы обеспечивают доставку полез­ного груза в различные точки Солнечной системы и межзвездное космиче­ское пространство, где они обеспечивают вывод полезного груза за пределы Солнечной системы.

Характерной особенностью ракет-носителей является тип полезного гру­за, по которому их делят на пилотируемые и беспилотные. Такая классифи­кация представляет интерес в связи с необходимостью принятия особых мер по обеспечению надежности функционирования ракет-носителей в случае пилотируемого полезного груза, а также разработки методов и средств спа­сения экипажа при возникновении аварийных ситуаций на любом участке полета. Принадлежность ракеты-носителя к пилотируемым или беспилотным летательным аппаратам характеризует количество расчетных случаев нагружения конструкции, величины коэффициентов безопасности, большую или меньшую степень дублирования (троирования) элементов отдельных систем, наличие или отсутствие специальных программ выхода из аварийных ситуа­ций, а также средств спасения экипажа. Более сложными являются пилоти­руемые ракеты-носители, которые имеют меньшую весовую отдачу по срав­нению с беспилотными в пределах одного и того же класса. Это объясняется дополнительными затратами массы конструкции, обусловленными более же­сткими

Ракета-носитель
Класс	Область применения в космич. пространстве	Тип полезного груза	Кратность применения	Источник применения энергии	Принцип разработки	Компоновочная и конструктивно-силовая схема

принцип отброса массы

доработка боевой ракеты

межзве-здная

ядерно-химический

ядерный

электро-ядерный

многоразовая

беспи-лот- ный

межпла-нетная

тяжелая

средняя

легкая

химический

одно-разо-вая

пило-тируе-мый

околозе-мная

сверхтяже-лая

Рисунок 1 – Схема классификации РН

расчетными условиями, большими коэффициентами безопасности, наличием дополнительных систем и т. п.

Кратность применения (ресурс работы) — это максимально возможное количество запусков ракеты-носителя при условии проведения необходимого объема профилактических и ремонтных работ после каждого очередного пуска. По этому критерию все ракеты-носители можно разделить на ракеты-носители одноразового и многоразового использования, из которых первые

уже получили достаточно широкое распространение, а вторые представляют

собой будущее ракетно-космической техники (ведущиеся за рубежом много­численные разработки свидетельствуют о больших возможностях и разнооб­разных направлениях развития ракет-носителей многоразового использова­ния).

Ракеты-носители одноразового использования построены на принципе одноразовости применения отдельных агрегатов, систем и элементов, прису­щем боевым снарядам, и являются логическим развитием боевых ракет (на­пример, ракеты-носители «Скаут», «Тор», «Атлас», «Титан»), Их характер­ной особенностью является высокая надежность за счет предельного упро­щения элементов одноразового действия.

Ракеты-носители многоразового использования, сохраняя преемствен­ность схемных и компоновочно-конструктивных решений ракет-носителей одноразового использования, основаны на принципе применения более сложных элементов многоразового действия. Высокая надежность таких ра­кет-носителей обеспечивается за счет дублирования (троирования) отдель­ных элементов или целых систем, а также применения систем диагностики и резервирования, увеличения объема наземной экспериментальной отработки, ужесточения требований к производству и т. п. Характерной особенностью ракет-носителей многоразового использования является наличие в их составе систем и средств спасения отработавших ракетных блоков, такое кон­структивное построение элементов пневматических и гидравлических сис­тем, которое способно обеспечить надежные и качественные профилактиче­ские работы после каждого очередного пуска.

По типу источника энергии ракеты-носители подразделяют на химиче­ские, ядерные, ядерно-химические, электроядерные и ионные. В настоящее время наиболее распространены химические, использующие жидкие ракетные топлива с энергетическими возможностями, характеризующимися предельным удельным импульсом 400—450 с на уровне моря. Химические ракеты-носители и ракетные блоки используются для решения практически всех задач, хотя в ряде случаев энергетически и не являются наиболее вы­годными (например, для длительных космических полетов).

Ядерные ракеты-носители, имея в своем составе ядерные ракетные блоки, обладают более высокой энергетикой и, возможно, в будущем найдут широ­кое применение при межпланетных полетах. Ядерные ракеты-носители отли­чаются от химических тем, что активная масса (топливо, рабочее тело) нагре­вается в них не за счет собственной химической энергии, а за счет тепла, вы­деляющегося при ядерной реакции. Удельный импульс ядерной ракеты-носителя (800—3500 с) зависит от типа ядерного реактора, определяемого схемой активной зоны (твердая, жидкая или газообразная). Характерная осо­бенность ядерных ракет-носителей — излучение работающего реактора и ра­диоактивных элементов с большим периодом полураспада в струе двигателя, что выдвигает определенные требования к условиям их эксплуатации: для пилотируемых ядерных ракет-носителей должна быть предусмотрена биоло­гическая защита экипажа от излучения работающего реактора, а наличие ра­диоактивных элементов в струе двигателя делает возможным использование ядерных блоков только в космическом пространстве во избежание заражения окружающей среды. В связи с этим большой интерес представляют ядерно-химические двухступенчатые ракеты-носители, использующие на I ступени химический источник энергии. В такой ракете-носителе ракетный блок I сту­пени является ускорителем, выводящим II, ядерную ступень на высоту, обу­словленную исключительно условиями, предотвращающими заражение ок­ружающей среды.

Для длительных и дальних космических полетов широкое применение найдут электроядерные ракетно-космические системы, имеющие в своем со­ставе ракетные блоки с малым секундным расходом активной массы и высо­ким удельным импульсом. Такие ракетные блоки основаны на использовании электроядерных двигательных систем, в которых разгон рабочего тела до скорости истечения обеспечивается электрическим или магнитным способом и которые, обладая малой тягой двигательной установки, могут быть исполь­зованы только при старте КА с опорной орбиты. Особый интерес среди них представляют ионные ракетные блоки, удельный импульс двигателей, кото­рых может достигать 25х10³ с.

Принцип разработки — это обобщенный критерий, характеризующий степень отработки ракеты-носителя, ее производственно-технологическую надежность, серийность, эксплуатационные характеристики и т. д. По этому принципу ракеты-носители делят на две группы: первая—доработанные бое­вые ракеты, вторая — ракеты-носители специальной разработки. Сущест­вующие ракеты-носители входят как в первую, так и во вторую группы. Ра­кеты-носители первой группы отличают широкие возможности серийного производства, хорошие экономические показатели, высокая степень отработ­ки, производственно-технологическая надежность и т. д. Их экс­плуатационные особенности близки соответствующим боевым ракетам и об­ладают высокой степенью автоматизации процессов предстартовой подго­товки, малым временем подготовки к пуску, всепогодными условиями экс­плуатации и т. п. Ракеты-носители второй группы обычно не имеют указан­ных достоинств, поэтому в процессе их разработки необходимо решение во­проса о возможности и целесообразности применения отдельных ракетных блоков в разных сочетаниях в различных ракетах-носителях или ракетно-космических системах. Такой подход позволяет более полно использовать производственную базу, обеспечивает повышение экономических показате­лей, производственно-технологической надежности отдельных ракетных бло­ков и т. д.

По компоновочной и конструктивно-силовой схемам ракеты-носители характеризуют по принципу отброса массы в процессе полета, по компоно­вочной схеме и ее конструктивному оформлению, по схеме восприятия и пе­редачи сил. По принципу отброса массы ракеты-носители делят на одноступенчатые и многоступенчатые (составные).

По компоновочной схеме ракеты-носители (рисунок 2) могут быть выполнены:

- с последовательным расположением ракетных блоков ступеней и их по­перечным делением в процессе полета (схема «тандем»);

- с параллельным расположением ракетных блоков ступеней и их продоль­ным делением в процессе полета (схема «пакет»);

- с параллельно-последовательным расположением ракетных блоков ступе­ней и их продольно-поперечным делением в процессе полета («пакетно-тандемная», или комбинированная, схема).

По конструктивной схеме (конструктивному оформлению отдельных ра­кетных частей) ракеты-носители можно разделить на моноблочные и поли­блочные. Моноблочные ракетные части состоят из ракетного блока с едины­ми конструктивными отсеками, а полиблочные — или из нескольких ракет­ных блоков, или из нескольких однотипных отсеков (например, баки одного и того же компонента топлива и т. д.).

Силовая схема определяет восприятие корпусом ракеты-носителя массо­вых и внешних аэродинамических сил, а также сил внутреннего давления, является характеристикой конструктивного оформления корпуса, определяет структуру его конструктивных элементов и долю их участия в восприятии различных сил, действующих на ракету-носитель в полете, в процессе под­готовки к пуску и т. д. По силовой схеме ракеты-носители могут быть с не­сущими и ненесущими топливными баками: несущие воспринимают весь комплекс сил, действующих на ракету-носитель (массовые, внешние аэроди­намические, силы внутрибакового давления), а ненесущие—только силы внутрибакового давления и частично осевые сжимающие силы и изгибаю­щий момент.