Лекция 9. Космический ракетный комплекс. Цель создания и основные требования

Космический ракетный комплекс (КРК) - это совокупность разнородных по условиям эксплуатации основных компонентов, предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций, обеспечивающих размещение в космическом пространстве различных объектов, включая все технологические операции по подготовке к пуску и его реализацию. В состав КРК входят ракеты-носители конкретного типа с ее возможными модификациями, технические средства, сооружения с техническими системами и коммуникациями, предназначенными для проведения заданной технологии с ракетами космического назначения, собранными на основе данной РН, средств по их подготовке к пуску, содержанию в установленных готовностях, пуску и управлению на активном участке траектории. На рис 9.1 в качестве примера представлен принципиальный состав КРК, который можно разделить на две группы: средства выведения и средства наземного обеспечения (наземный комплекс).

Рис. 9.1. Принципиальный состав космического ракетного

комплекса.

РКН – ракета космического назначения; КСТ – комплекс средств транспортировки; ТК – технический комплекс; СК – стартовый комплекс; АСУПП – автоматизированная система управления подготовкой и пуском; НИК – наземный измерительный комплекс.

Средства выведения (более полное название – средства выведения орбитальных средств) – это космические средства, предназначенные для доставки орбитальных средств с поверхности планеты в заданные области космического пространства с заданными параметрами движения

Средства выведения (СрВ), в соответствии с современным представлением о них, включают в свой состав ряд устройств, обеспечивающих изменения скорости, необходимые для реализации транспортной операции, которые могут включать по необходимости и возвращение полезных грузов на Землю. Формирование его состава в рамках определенного космического ракетного комплекса зависит в первую очередь от его назначения и концепции транспортной операции.

Разбиение наземного комплекса на составные элементы и определение их функций зависит от самых разных причин, например от типа старта или технологических особенностей подготовки РН к пуску. Принципиально важным является полнота функций с тем, чтобы был обеспечен весь цикл работ по обеспечению средств выведения к пуску и пуску.

К настоящему времени существует большое разнообразие КРК, отличающихся друг от друга рядом принципиальных признаком, что позволяет классифицировать КРК по:

- степени мобильности (стационарные, подвижные);

- месту размещения РН в момент старта (наземные, воздушные, корабельные, подводные, шахтные);

- кратности использования материальной части РН (одноразовые, частично

многоразовые, полностью многоразовые).

Выбор конкретной реализации КРК во многом определяется спектром задач, возлагаемых на него, как составную часть ракетно-космического комплекса (РКК) с определенными функциями.

И если первые РКК, созданные на базе межконтинентальных ракет и их модификаций решали одну задачу – сообщение полезному грузу скорости, необходимой для формирования орбиты ИСЗ или отлетной траектории для полета к другим небесным телам, то круг задач по мере развития космической техники расширился и продолжает расширяться. Их многообразие можно условно распределить на две группы: транспортные задачи и задачи, решаемые в составе орбитальных космических комплексов.

Транспортные задачи. Основной транспортной задачей остается выведение полезных грузов на орбиты заданных высот и наклонений. Имея в виду, что при выведении на высоко-энергетические орбиты в состав средств выведения будет входить разгонный блок или межорбитальный транспортный аппарат.

Другой важной транспортной задачей является межорбитальная транспортировка полезных грузов, заключающаяся в изменении высот и наклонений их орбит. Для изменения наклонения и подъема полезных грузов высокие орбиты целесообразно использовать разгонные блоки и межорбитальные транспортные аппараты, а при необходимости существенного изменения наклонения орбиты можно использовать ракетно-аэродинамический маневр орбитальной ступени, т.е. траекторию полета с погружением в атмосферу Земли, разворотом на заданный угол и последующим набором высоты.

Задачи, решаемые в составе орбитальной космической станции. В процессе эксплуатации орбитальной космической станции предполагается выполнения ряда функций, включая:

- смену экипажа;

- доставка на борт станции расходных материалов, исследовательского и специального оборудования;

- возвращение на Землю результатов экспериментов, исследовательского и специального оборудования и элементов орбитальной станции, например, для детального изучения их на Земле после длительного их

функционирования в космическом пространстве.

Приведенный перечень задач далеко не исчерпан и в первую очередь из-за отсутствия в нем задач, характерных для программ Министерства обороны.

Очевидно, что для решения любой возникшей задачи, прежде всего, исследуются возможности существующего парка. В случае, когда по каким-то причинам существующие средства не соответствуют возлагаемым задачам, рассматриваются варианты их модификации, включая создание дополнительных ступеней или КА, которые дополнили бы функции ракетно-космического комплекса до требуемого уровня. Решение о создании нового средства выведения принимается для придания национальному парку средств выведения каких-то новых свойств или повышения его эффективности, как относительно обеспечения национальной космической программы, так и увеличения конкурентоспособности на рынке пусковых услуг.

В соответствие с последовательностью системотехнических процедур процесс создания КРК начинается с анализа целей системы вышестоящего уровня (надсистемы) и определения целей для разрабатываемого объекта. Примером цели надсистемы является создание ракетно-космического комплекса (РКК) для обеспечения определенной космической программы (например, создание в США РКК Saturn 5 - Apollo для обеспечения пилотируемых полетов на Луну, создание в СССР РКК Н1 – Л3 для подобной цели), пополнения национального парка средств выведения для обеспечения спектра перспективных программ или замены морально устаревшего комплекса). Цели создания КРК вытекают из целей соответствующих РКК, находясь на соответствующем уровне иерархии целей («дерева» целей).

В качестве примера рассмотрим государственной программу “Ангара”, разрабатываемую ГК НПЦ им. Хруничева.

Целью программы «Ангара» является разработка семейства космических ракетных комплексов различного класса, превосходящих по уровню своих технико-экономических характеристик лучшие эксплуатируемые и создаваемые ракеты-носители и предназначенные для решения задач в интересах Министерства Обороны РФ, Федеральной космической программы РФ, а также для применения на международном рынке космических услуг по запуску коммерческих КА.

Это семейство комплексов должна обладать:

- более высокими технико-экономическими показателями, а также высокой надежностью в сравнении с существующими и вновь разрабатываемыми зарубежными аналогами;

- возможностью к дальнейшим модификациям, и в первую очередь при создании многоразовых отечественных РН;

- адаптивностью к изменению задач, выполняемых в интересах государства и международного рынка.

После определения цели в рамках концептуального проектирования разрабатывается укрупненная структура технических средств для достижения сформулированной цели и формируются показатели качества, представляющие собой, в первую очередь, количественные характеристики и ограничения, определяющие требования к КРК в целом и каждой из ее компонент следующего уровня. По результатам концептуального (внешнего) проектирования разрабатывается тактико-техническое задание (ТТЗ) на следующий этап жизненного цикла – этап опытно-конструкторских работ, которое утверждается руководителем организации – Заказчика и отрасли Исполнителя. В этом документе формулируется развернутая цель программы на этот этап работ, определяется состав КРК и достаточно подробно рассматриваются как технические требования и ограничения к каждой из его составляющих, так и требования относящихся к вопросам организации работ, обеспечения эксплуатационных характеристик и экономических показателей и сроков выполнения работ.

В частности, в упомянутой программе «Ангара» по результатам концептуального проектирования было разработано тактико-техническое задание на опытно-конструкторские работы (ОКР), в котором в разделе цель программы на этот этап работ содержится три положения:

- Цель выполнения ОКР состоит в поэтапном создании перспективного КРК с семейством ракет–носителей на основе единого универсального ракетного модуля в обеспечение гарантированного доступа Российской Федерации в космическое пространство, ее самостоятельности в области космической деятельности вне зависимости от характера и направленности развития военно-политических и экономических взаимоотношений с другими странами.

- КРК "Ангара" должен базироваться на космодроме "Плесецк". (Примечание: Должна быть проработана возможность запусков РН с космодромов «Свободный» и «Байконур»)

- КРК "Ангара" разрабатывается как комплекс двойного применения для запусков КА в интересах Минобороны РФ, по Федеральной космической программе и по коммерческим программам. КРК предназначен для выведения КА различного назначения на низкие, средние, высокие круговые и эллиптические орбиты (в том числе солнечно-синхронные, геостационарную, приполярные, полусуточные), а также на отлетные траектории к планетам Солнечной системы.

В ТТЗ сформулированы как требования к КРК в целом, так и каждому его компоненту в соответствии с определенной в рамках концептуального проектирования структурой комплекса (см. Рис.9.1).

Ниже, в качестве примера, в сокращенном виде приведены также сформулированные в этом документе общие требования к РН тяжелого класса и требования к стартовому и техническому комплексам.

Общие требования к РН

Энергетические возможности РН тяжелого класса (РН с РБ) должны обеспечивать выведение с космодрома «Плесецк» полезных грузов, примерный перечень которых приведен в специальном приложении. При этом разработчиком должны быть проработаны пути реализации энергетических возможностей РН, достаточных для выведения:

- на круговую орбиту с высотой 200 км и наклонением 63 град. полезного груза массой 24,0 т;

- на круговую орбиту высотой 2000 км и наклонением 63 град. полезного груза массой 16 т;

- на геостационарную орбиту полезного груза массой 3,5 т.

Примечания:

1. Расчеты предельных энергетических возможностей РН (РН с РБ) по выведению КА на их рабочие орбиты должны быть проведены с учетом выделенных районов падения отделяющихся частей РКН.

2. Расчеты энергетических возможностей РН (РН с РБ) должны быть проведены исходя из условия непрохождения трасс выведения над густонаселенными районами РФ и территорией других государств.

3. В ходе эскизного проектирования должны быть оценены энергетические возможности РН с РБ по выведению полезных грузов в любую по долготе точку геостационарной орбиты, на высокие круговые (в том числе полусуточные, приполярные) и высокоэллиптические орбиты, а также на отлетные траектории к планетам Солнечной системы.

4. Оценки энергетических возможностей РН с РБ по выведению полезного груза на геостационарную орбиту должны быть проведены для традиционных схем выведения, для схем с биэллиптическим переходом и с использованием гравитационного поля Луны.

5. Вероятность того, что энергетические возможности РН и РБ достаточны для выполнения задач выведения, (P_дост) должна быть не менее 0,9985.

Должны быть проведены расчеты предельных энергетических возможностей РН (РН с РБ) при их пусках с космодромов «Свободный» и «Байконур».

Общие требования к УТК и УСК

- УСК и УТК должны создаваться из условия гарантированной подготовки и пуска РКН легкого, среднего и тяжелого классов и обеспечивать:

- совместную среднегодовую производительность по подготовке и пуску 10 РКН тяжелого класса;

- содержание УСК и УТК в состояниях «Готовность к применению» и «Дежурство» до 6 месяцев;

- время нахождения УСК в «Готовности №1» не менее 5 суток.

- На УСК и УТК должен быть обеспечен единый цикл подготовки к пуску семейства РКН, предусматривающий совмещение по времени подготовки РН и КА.

- В качестве основного варианта создания УСК и УТК должен быть рассмотрен вариант на базе космического ракетного комплекса «Зенит», строящегося на космодроме «Плесецк»;

- При разработке УТК, УСК и АСУ ПП РКН должен быть использован задел по ранее разработанным комплексам.

- Технический комплекс должен обеспечивать:

- выполнение основных и вспомогательных технологических операций по приему, контролю и содержанию в готовностях РН, сборку, испытания отдельных ступеней РН, стыковку и проверку РКН;

- содержание РН в готовностях и проведение технического обслуживания с заданной периодичностью;

- проведение работ по понижению готовности (в том числе до состояния поставки) РН, прием РКН возвращаемых с универсального стартового комплекса при несостоявшемся пуске;

- доставку РН, из МИКа в хранилище технического комплекса и обратно.

- Производительность УТК по классам РН (РКН) должна быть не ниже производительности УСК.

- УТК должен допускать одновременное выполнение операций проверки и подготовки РН (РКН) различных классов на рабочих местах подготовки и независимость проведения подготовки РН (РКН) на УТК от проведения предстартовой подготовки и пуска РКН на СК.

- Рабочие места подготовки РН (РКН), а также места хранения РН (РКН) на УТК должны быть универсальными и предназначаться для подготовки и хранения РН (РКН) легкого, среднего и тяжелого классов.

- УСК должен обеспечивать:

- транспортировку, проведение испытаний, подготовку и пуск РКН;

- стоянку в течение необходимого времени на пусковых установках заправленных и не заправленных РКН легкого, среднего и тяжелого классов в соответствии с требованиями;

- слив компонентов топлива в случае несостоявшегося пуска;

- сохранность основных сооружений КРК при взрыве (пожаре) РКН на ПУ, либо одного из хранилищ КРТ, либо объекта системы газоснабжения;

- дистанционное автоматизированное управление технологическими операциями и контроль параметров технологического оборудования, бортовых систем РН и КА при подготовке к пуску, пуске и снятии РН с ПУ в случае несостоявшегося пуска;

- эвакуацию личного состава боевых расчетов при возникновении аварийных ситуаций на комплексе;

- автоматическую киносъемку и телевизионное наблюдение технологических процессов на комплексе, а также видеозапись изображения с устройством «стоп-кадр» и привязкой кадров к сигналам единого времени;

- контроль допустимой концентрации паров и газов в сооружениях комплекса со световой и звуковой сигнализацией;

- технологическую связь (МШГС);

- автономное энергопитание на весь цикл подготовки РКН

Для создания конкретного средства выведения ключевыми в Техническом задании являются требования к энергетическим, эксплуатационным и экономическим характеристикам. Ниже представлен примерный состав таких характеристик.

Энергетические характеристики.

Под энергетическими характеристиками понимают величину массы полезной нагрузки, выводимой на заданную орбиту. Ввиду того, что для разных КА заданными являются орбиты различной высоты и наклонения, то обычно энергетические характеристики нормируются для некоторой условной орбиты, например – стандартной (Н = 200 км, i = 90 град).

Учитывая конструктивные особенности и назначение конкретного типа СВ, определяющих схему выведения полезного груза, в ТТЗ может быть задана одна или несколько из следующих орбит выведения:

- Незамкнутая с отрицательной величиной перигея

- Круговая с заданной высотой и наклонением

- Эллиптическая с заданной величиной апогея и перигея

- Переходная к ГСО

- Геостационарная

- Солнечно-синхронная с заданной высотой и наклонением

- Отлетные траектории к орбитам планет Солнечной системы

- Совокупность нескольких орбит выведения для универсальных СВ.

При выведении на незамкнутую орбиту в ТТЗ обычно задается импульс скорости, необходимый для перевода полезного груза на рабочую орбиту, который реализуется с помощью двигательной установкой КА или с помощью блока довыведения.

При выведении полезных грузов на высоко энергетических орбит в ТТЗ задается схема выведения (апогейная, перигейная и т.п., число импульсов перехода и др.).

Для многоразовых орбитальных ступеней в ТТЗ задается величина импульса скорости, необходимого для схода с орбиты, а также величина бокового маневра на участке спуска с орбиты.
Эксплуатационные характеристики.

К эксплуатационным характеристикам относятся характеристики, связанные с подготовкой и запуском СрВ, а для многоразовых СрВ – также и с межполетным обслуживанием. В первую очередь это временные характеристики, к которым относятся следующие:

- время транспортировки СрВ с завода-изготовителя на космодром;

- время подготовки СрВ на техническом и стартовом комплексах

(ТК и СК);

- время пуска СрВ из различных степеней готовности и максимальная

продолжительность нахождения СрВ в этих готовностях,

время выведения ПГ на заданную орбиту;

- время межполетного обслуживания многоразовых СрВ,

Необходимость обеспечения быстрой встречи на орбите для проведения операций по обслуживанию, снабжению и особенно спасательных операций, предъявляют определенные требования к энерговооруженности и другим эксплуатационным характеристикам средств выведения. Для многоразовых ступеней СрВ в ТТЗ задается время спуска и посадки. Требования по надежности задаются вероятностью успешного выведения ПГ на заданную орбиту. Для пилотируемых СрВ, кроме того, задается вероятность обеспечения безопасности экипажа с учетом надежности как СрВ в целом, так и средств спасения (САС, катапультируемая кабина и т.п.). Кроме того, в ТТЗ может задаваться надежность отдельных систем и агрегатов, и в первую очередь надежность ДУ, в том числе с учетом системы аварийной защиты (САЗ).

Экономические характеристики СрВ.

Экономические характеристики определяются статьями стоимостных затрат на программу пусков, включая:

- стоимость разработки (Включая стоимость испытаний) - ;

- стоимость изготовления - ;

- стоимость эксплуатации - .

Стоимость разработки и испытания практически не зависят от общего количества запусков в программе. При малом количестве запусков затраты, на эти статьи являются определяющими, что требует упрощения процесса разработки СрВ за счет разумного снижения ряда основных характеристик.

При большом количестве запусков в программе возрастает доля общих затрат на изготовление и эксплуатацию при одновременном снижении затрат на изготовление каждого экземпляра СрВ и его эксплуатацию при одноразовом запуске. Это требует снижения удельной стоимости выведения ПГ, например, за счет многоразового использования СрВ.

Важной экономической характеристикой СрВ является удельная стоимость выведения полезного груза

,

где

- количество РН в программе пусков

Более объективной эта характеристика является не для единичного пуска, а для программы пусков

где - стоимость программы пусков

для одноразовых СрВ,

для многоразовых СрВ,

- количество аппаратов для реализации программы пусков.

Величины удельной стоимости выведения и удельной стоимости программы пусков часто используются как критерии сравнительной оценки альтернативных вариантов СрВ.

Из этого достаточно большого перечня характеристик часто для обобщенного представления о РН, как летательном аппарате, используется более краткий перечень, получивший название тактико-технические характеристики и включающий в свой состав:

- диапазон параметров орбиты назначения (высоты перигея и апогея,

наклонение);

- соответствующую определенным параметрам орбиты назначения массу полезного груза;

- точность выведения, определяемую допускаемым разбросом

параметров орбиты;

- допустимый разброс времени выведения на орбиту;

- время подготовки и осуществления запуска.

Литература

1. Сердюк В.К., Толяренко Н.В., Хлебникова Н.Н. Транспортные средства обеспечения космических программ/ Под ред. Мишина В.П.//Итоги науки и техники: Серия Ракетостроение и космическая техника. М.: ВИНИТИ. 1990. Том 11. 276 с.

2. Сердюк В.К., Толяренко Н.В. Межорбитальные транспортные аппараты/ Под ред. Константинова М.С.// Итоги науки и техники: Серия Ракетостроение и космическая техника. М.: ВИНИТИ. 1989. Том 10. 282 с.

3. Ракеты-носители (В.А.Александров, В.В.Владимиров, Р.Д.Дмитриев, С.О.Осипов; Под ред. С.О.Осипова – М.: Воениздат, 1981. –315 с.

4. Введение в аэрокосмическую технику: Учеб. Пособие/ В.Н. Кобелев,

А.Г.Милованов, А.Е. Волхонский; Под редакцией В.Н. Кобелева; МГАТУ. М.,

1994 264 с.