В предыдущей статье я рассказывал по программу «Проектно-баллистического расчёта баллистических ракет и ракет-носителей» DEP. На примере я показывал как «канонически» выбирать основные проектные параметры ракет-носителей. Теперь я покажу как примерно можно выполнять работы по проектированию ракеты-носителя тяжёлого класса, основанные на выборе основных проектных параметров. В этот раз я буду показывать на примере современной программы для выбора основных проектных параметров. Она ещё находится в разработке и в стадии согласования, но показать примерную работу на её базе можно.
Давайте спроектируем РН тяжёлого класса с массой ПГ 24500 кг, назовём её «Феникс». Выводить ПГ будем на круговую орбиту высотой 200 км. с наклонением 63 градуса. Широта точки старта тоже 63 градуса (в районе Плесецка). По сути повторяем ТТЗ на Ангару.
Для начала посчитаем самый простой вариант — двухступенчатый тандем. Параметры покажу на снимках экрана окна программы.
Основные параметры двигателей я взял примерно как у Ангары и назначил некие весовые коэффициенты из учебной литературы, несколько их изменив. Как и в предыдущей статье на сами коэффициенты и получаемые значения можно ориентироваться, но не слепо им следовать и копировать. Это же учебный пример.
Применяемые в программе весовые коэффициенты:
-
Относительная масса топливного отсека — отношение массы конструкции топливного отсека ракетного блока ступени к массе топлива ступени.
-
Относительная масса двигательной установки — отношение массы двигательной установки ракетного блока ступени к силе тяге двигательной установки ступени в кгс.
-
Относительная масса радиоэлектронных систем — отношение массы системы управления и прочего радиоэлектронного оборудования ракетного блока ступени к конечной массе ракетного блока ступени.
-
Относительная масса прочих элементов — отношение массы прочих элементов конструкции ракетного блока ступени к конечной массе ракетного блока ступени.
-
Относительная масса головного обтекателя — отношение массы головного обтекателя к массе полезного груза РН.
Аэродинамика задаётся тремя значениями: при числах Маха равных 0, 1 и 5. Задаётся коэффициент продольной силы и производная коэффициента поперечной силы. Аэродинамическая модель приближённая, но сильно не врёт.
В отличии от DEP тут мы можем сбросить головной обтекатель, выбрав ступень и время сброса.
Считать можно как отдельные траектории при выбранных проектных параметрах, а можно сразу начать с оптимизации, а точнее с перебора параметров.
Далее мы смотрим результаты перебора параметров. В данной программе есть два критерия:
-
Относительная масса полезного груза. Лучший вариант выделен зелёным.
-
Стартовая тяга. Лучший вариант выделен бирюзовым.
Можно сразу убрать варианты где нет решений или где не оптимальные углы. Дополнительно можно ввести ограничения по потере относительной массы полезного груза относительно лучшего варианта и по увеличению стартовой тяги относительно варианта с минимальной тягой. Этим инструментом дальше будем часто пользоваться, поэтому сейчас подробней покажу.
Ниже мы видим сортировку по по относительной массе полезного груза (Мюпг) и по стартовой тяге (P0). Выставленные диапазоны позволяют видеть крайние значения по выбранному компромису.
Посмотрим что получается в варианте с максимальной относительной массой полезного груза (или минимальной стартовой массой):
Далее посмотрим что получается в варианте с минимальной стартовой тягой:
Что же выбрать? Минимальную тягу и стоимость двигателя или минимальную массу и стоимость конструкции, обслуживания и т.п.? Правда где-то по середине и должна основываться на экономических расчётах. Давайте попробуем интуитивно без экономики, которую и так никто считать не умеет. Давайте ограничимся тягой не более 1000 тс (превышение не более 19%) и потерей Мюпг в 2,5%.
Тут всё сразу стало проще, всего три варианта и самый верхний из них самый лучший сразу по двум параметрам. Посмотрим его характеристики:
Неплохой вариант получился. Но прогоним ещё оптимизацию ближе к найденному решению:
А вот выбранный в этот раз вариант мне больше нравится. На этом можно было бы закончить, немного полученную РН «пооблизывать». Но тут нам выводится объём топлива. Для транспортировки по ЖД ракетного блока или его части в диаметре 4,1 метра объём баков должен быть в районе 280 м3, а при диаметре 3,9 метра — 330 м3. Это ориентировочные цифры, но у нас в расчётах в лучшем случае меньше 460 м3 не получалось и скорее всего не получится. Остаётся транспортировка блока первой ступени по частям или другими способами. Это классическая проблема ракет-носителей тяжёлого класса. Поэтому я специально остановился на этой размерности, чтобы показать возможную логику при проектировании и рассмотрении вариантов.
Далее рассмотрим вариант, у которого первая ступень состоит из нескольких блоков. Данный вариант обладает несколько худшим аэродинамическим сопротивлением, но и большей подъёмной силой. Также ухудшаются весовые характеристики первой ступени примерно на 5% и на 10% масса прочих элементов за счёт межблочных связей и т.п. Также уменьшается стартовая нагрузка на мидель. По второй ступени изменений не вводим. Ниже представлены изменённые характеристики.
Далее посмотрим результаты варьирования близко к найденным в предыдущий раз параметрам:
Тут я уже сразу показываю какой я вариант выбираю и посмотрим на его характеристики:
Немного потеряли в характеристиках за счёт полиблочности первой ступени. Сама программа об этом ничего не знает, поэтому подходить к цифрам надо творчески. Диаметр при трёх блоках получится в районе 3,1 метра. Можно диаметром поиграть, увеличив его до 3,8 метра и уменьшив длину. Но это уже вопрос оптимизации, главное что всё в вагон влазит.
Раз мы уже сделали полиблок на 1 ступени, то следует рассмотреть пакетную схему. Рассмотрим трёхступенчатый пакет. Не меняем аэродинамику. Немного корректируем весовые коэффициенты 1 и 2 ступеней с учётом добавления систем разделения и распределения некоторых масс. У третьей ступени ухудшаем весовые коэффициенты, так как она будет по размеру значительно меньше верхней ступени тандема.
Тут добавляются следующие параметры:
-
Отношение площадей в пакете — отношение площади центрального блока к суммарной площади боковых (для трёх одинаковых блоков — 0,5).
-
Количество боковых блоков.
-
Время начала дросселирования центрального блока — время планового перевода ДУ ЦБ на пониженную тягу.
-
Коэффициент дросселирования центрального блока — коэффициент дросселирования при плановом переводе ЦБ на пониженную тягу (пока не используется и ставим 1).
-
Соотношение тяги центрального блока к боковым — отношение земной тяги ДУ центрального блока в суммарной земной тяге боковых блоков.
Пауза в конце работы первой ступени переносится на вторую и тяговооружённость 2 ступени теперь определяется сочетанием других параметров.
Далее проведём оптимизацию. Тут уже все параметры не влезают и расчёты тяжёлые, поэтому тяговооружённость 3 ступени пока не трогаем.
Ограничим стартовую тягу до 980 тонн и потерей массы ПГ 4%:
Посмотрим результат выбранного варианта:
Мы видим тут стартовую массу 639 тонн, стартовую тягу 926,5 тонн и тягу третьей ступени менее 25 тонн. Вспоминаем — в компромиссном тандеме стартовая масса 639 тонн и тяга 959 тонн, у второй ступени около 75 тонн. То есть в трёхступенчатом пакете при аналогичной массе мы сразу же получаем меньшую стартовую тягу и в три раза меньшую тягу верхней ступени. Но это же три ступени и они вроде как должны быть дороже тандема и может надёжность пострадать.
Вспомним тандем с полиблочной первой ступенью. Там стартовая масса 674 тонны, тяга 984 тонны и 75 на верхней ступени. Там было три одинаковых блока первой ступени с одинаковыми двигателями и верхняя ступень. Так трёхступенчатый пакет тоже самое, только с узлами сброса.
То есть при той-же конфигурации мы имеем меньше стартовую массу, тягу и в три раза меньше тягу верхней ступени. В принципе выглядит однозначно дешевле тандема с полиблочной ступенью. В этом и заключается преимущества пакета. Но на выходе мы имеем ещё одно поле падения. Продолжим оптимизацию.
Тут я провёл оптимизацию и сделал боковой и центральный блоки одинаковыми по размерности. А что будет если сделать одинаковые двигатели и разные блоки по размеру? Для этого просто выставим соотношение тяги, равное 0,5.
Получаем чуть похуже характеристики, но они укладываются в точность исходных данных и данные варианты могут быть признаны равноценными. Видим, что тяги блоков идентичны, при этом объём центрального блока на 67% больше бокового.
Вот я уже накидал для проектанта четыре варианта выбора облика ракеты-носителя тяжёлого класса.
|
Тип РН |
Стартовая масса |
Стартовая тяга |
Тяга верхней ступени |
Примечания |
|
Тандем |
639 240 |
958 860 |
75 220 |
Возможна проблема с транспортировкой |
|
Полиблочный тандем |
674 100 |
984 190 |
75 710 |
Три одинаковых блока |
|
Трёхступенчатый пакет |
641 030 |
913 470 |
24 500 |
Три блока с разными ЖРД |
|
Трёхступенчатый пакет |
650 400 |
910 550 |
35 490 |
Три блока с одинаковыми ЖРД. ЦБ на 67% больше ББ |
Тут не были рассмотрены вопросы частной оптимизации с выбором диаметра, высотности сопла ЖРД (особенно для 3 варианта) и прочие нюансы. Но сам подход при комплексном проектировании РН думаю должен быть понятен.
При курсовом проектировании нужно рассматриваемые варианты прорисовывать и более ответственно прорабатывать весовые коэффициенты. Но обычно студентам сразу дают вариант, где всё и так понятно, иначе есть риск не справиться.
При реальной разработке добавляется множество всяких ограничений, таких как поля падения и т.п. Иногда они помогают, заранее сокращая ряд вариантов или делая разницу между ними более существенной. Но если на первой стадии ограничений ещё нет, то надо рассматривать все возможные варианты и прорабатывать решение возникающих в каждом варианте вопросов.
Заканчиваю данную статью. Можно добавить перелив между блоками, рассмотреть двухступенчатый пакет, дросселирование центрального блока и ещё какие-нибудь сочетания. Можно даже рассмотреть УРМ как на Ангаре и сравнить все варианты друг с другом, но это может в следующий раз. Мне было интересно посчитать и немного заново окунуться в занимательный процесс выбора основных проектных параметров ракет-носителей. Надеюсь вам будет интересно почитать.
