Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные проектные параметры двухступенчатого РБ

1. Расчет основных проектных параметров

Любой разгонный блок представляет собой сложное техническое устройство, включающее большое количество агрегатов, систем и механизмов, в основе которых лежат различные физические принципы.

Основные проектные параметры двухступенчатого РБ являются группой независимых параметров (переменных) однозначно определяющих основные массовые, геометрические и энергетические характеристики двухступенчатого РБ. Количество независимых параметров, определяющих облик двухступенчатого РБ и влияющих на его летно-технические характеристики, достаточно велико и зависит, в общем случае, от типа двухступенчатого РБ.

Целью задачи выбора основных проектных параметров является нахождение такого их сочетания, которое обеспечивает выполнение основной задачи полета (выведения заданного полезного груза на орбиту цели с фиксированными параметрами), при наличии конечного числа ограничений (например, на габариты двухступенчатого РБ, тип используемых двигательных установок и пр.), и сообщает при этом экстремальное значение критерию совершенства двухступенчатого РБ.

Основными проектными параметрами двухступенчатого РБ будем считать:

- относительная конечная масса,

- начальная тяговооруженность,

- стартовая масса ТКС,

- удельная пустотная тяга.

Наряду с основными существует группа проектных параметров летательного аппарата, определяемых компоновочным решением ЛА, уровнем технологии, уровнем промышленного развития, задаваемая на первом этапе проектирования по статистике и уточняемая в ходе итерационного процесса проектирования.

Задачей разрабатываемого в настоящем дипломном проекте двухступенчатого разгонного блока является транспортировка КА первой ступени с перигеем опорной орбиты высотой H = 258 км и наклонением , на геопереходную орбиту высотой H = 5000 км и наклонением , затем второй ступенью с геопереходной орбиты на геостационарную высотой H = 36000 км и наклонением .

Теперь, когда известна расчетная схема перехода со следующими характеристиками для первой и второй ступенях, определяем по формулам (2.1 - 2.6) потери на гравитацию и управление, а также время работы ДУ первой и второй ступеней:

, .

Потери скорости на гравитацию:

(1)

где - удельный импульс первой ступени,

- удельный импульс второй ступени,

- коэффициент приращения скорости при импульсе,

- тяговооруженность,

(2)

где - отношение приращения скорости при импульсе к скорости в перигее и апогее переходной орбиты первой и второй ступени,

 (3)

где - скорость в перигее переходной орбиты первой ступени,

- скорость в апогее переходной орбиты первой ступени,

- скорость в перигее переходной орбиты второй ступени,

- скорость в апогее переходной орбиты второй ступени,

По формуле (2.3) находим приращения скорости при первом и втором импульсах первой и второй ступеней:

Найденные значения и подставляем в формулу (2.2):

Принимаем наиболее оптимальное значение тяговооруженности:

Подставляя все найденные значения в формулу (2.1) находим значения при первом и втором импульсах первой и второй ступеней:

Время работы ДУ при выполнении маневра:

(4)

Время работы ДУ при выполнении первого маневра первой ступени:

Время работы ДУ при выполнении второго маневра первой ступени:

Время работы ДУ при выполнении первого маневра второй ступени:

Время работы ДУ при выполнении второго маневра второй ступени:

Суммарное время работы ДУ первой и второй ступенях:

(5)

Потери скорости на управление вектором тяги ДУ первой и второй ступенях определяется:

(6)

Потери скорости на управление первым вектором тяги ДУ первой ступени будут равны:

Потери скорости на управление вторым вектором тяги ДУ первой ступени будут равны:

Потери скорости на управление первым вектором тяги ДУ второй ступени будут равны:

Потери скорости на управление вторым вектором тяги ДУ второй ступени будут равны:

Значение приращения характеристической скорости первой и второй ступеней определяется по формуле:

(7)

Результаты расчетов основных проектных параметров первой и второй ступенях сводим в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты расчетов основных проектных параметров первой и второй ступенях

Параметры	Обозначение	Значение	Единицы измерения
Потери скорости на гравитацию при первом маневре первой ступени		11,9
Потери скорости на гравитацию при втором маневре первой ступени		9,01
Суммарное время работы ДУ первой ступени		653,35
Приращение характеристической скорости первой ступени		4083,23
Потери скорости на гравитацию при первом маневре второй ступени		35,5
Потери скорости на гравитацию при втором маневре второй ступени		65,08
Суммарное время работы ДУ второй ступени		865,69
Приращение характеристической скорости второй ступени		6748,2

2. Массово-энергетические характеристики первой и второй ступенях двухступенчатого РБ

разгонный блок двухступенчатый энергетический

Для дальнейшего решения данной задачи необходимы следующие исходные данные: , - значение приращения характеристической скорости первой и второй ступеней, , - значение удельного импульса в пустоте первой и второй ступеней, , - стартовая масса РБ и ПН первой и второй ступеней: поскольку задана масса полезного груза (прямая постановка задачи), решение параметрической (массовой) части задачи проектирования РБ будем проводить методом последовательных приближений. В качестве нулевого приближения значения начальной тяговооруженности и значений коэффициентов модели массовых характеристик примем:

n₀=0,3 - начальная тяговооруженность;

a_Т.О.1=0,09 - относительная масса топливного отсека;

a_Т.О.2=0,08 - относительная масса топливного отсека;

г_ДУ1=0,0018 - удельная масса ДУ;

г_ДУ2=0,0017 - удельная масса ДУ;

м_ПР=0,06 - относительная масса прочих систем

Относительная конечная масса РБ первой и второй ступеней:

(8)

Относительная конечная масса двухступенчатого РБ:

Стартовая масса РБ и ПН первой и второй ступеней:

Относительная конечная масса РБ после проведения маневра первой и второй ступенях составит:

(9)

Относительная конечная масса РБ после проведения первого маневра первой ступенью:

Относительная конечная масса РБ после проведения второго маневра первой ступенью:

Относительная конечная масса РБ после проведения первого маневра второй ступенью:

Относительная конечная масса РБ после проведения второго маневра второй ступенью:

Определяем массу запаса рабочего тела двухступенчатого РБ, потребная для выполнения всех запланированных активных маневров первой и второй ступенях, определится по формуле:

(10)

Рабочий запас горючего первой и второй ступенях определяется:

(11)

где - соотношение компонентов топлива первой ступени, ,

- соотношение компонентов топлива второй ступени,

Рабочий запас окислителя первой и второй ступенях определяется:

(12)



Масса двухступенчатого РБ после каждого импульса первой и второй ступенях:

(13)

Тяга двигателя двухступенчатого РБ первой и второй ступенях при маневре:

(14)

Масса остатков ракетного топлива первой и второй ступенях:

(15)

Масса испарившегося рабочего тела первой и второй ступенях:

(16)

Масса ракетного топлива затраченного на достартовые выбросы первой и второй ступенях:

 (17)

Секундный расход топлива первой и второй ступенях:

(18)

Масса гарантийного запаса топлива первой и второй ступенях:

(19)

Объем компонентов топлива первой и второй ступенях:

(20)



(21)

Масса достартовых потерь топлива определяется как масса испарившегося топлива на , участках свободного полета РКБ и масса выброса топлива в процессе захолаживания и запуск ЖРД.

Достартовый расход топлива первой и второй ступенях:

(22)

Суммарная масса ракетного топлива первой и второй ступенях:

(23)

3. Массы составляющих элементов двухступенчатого РБ

Масса топливного отсека первой ступени при использовании жидкого кислорода и керосина и удельный вес топливного отсека будут равны соответственно:

 (24)

где - средняя плотность ракетного топлива, ,

Масса топливного отсека второй ступени при использовании АТ и НДМГ и удельный вес топливного отсека будут равны соответственно:

(25)

где - средняя плотность ракетного топлива, ,

Относительная масса топливного отсека первой и второй ступенях:

(26)

Масса системы управления полетом двухступенчатого РБ первой и второй ступенях:

(27)

где - масса аппаратуры системы управления и телеметрического оборудования,

- масса исполнительных органов и топлива системы ориентации, стабилизации и запуск ДУ в невесомости.

где - количество активных маневров, выполняемых двухступенчатым РБ при транспортировке полезного груза.

Масса ДУ первой и второй ступенях:

(28)

где - число двигателей,

- масса одного сухого двигателя,

- масса рамы ДУ с теплозащитным экраном,

- масса рулевых двигателей,

- масса прочих неучтенных элементов.

Масса одного сухого двигателя первой ступени:

(29)

где - тяга двигателя первой ступени,

Масса одного сухого двигателя второй ступени:

(30)

где - тяга двигателя второй ступени,

- давление на срезе сопла второй ступени.

Для определения других составляющих массу ДУ первой и второй ступенях могут быть использованы приближенные значения.

Масса рамы ДУ первой и второй ступенях с теплозащитным экраном:

(31)

Масса рулевых двигателей первой и второй ступенях:

(32)

Масса прочих неучтенных элементов первой и второй ступенях:

(33)

Теперь, когда известны значения всех составляющих, находим значение первой и второй ступенях, подставляя их в формулу (2.28):

Относительная масса ДУ первой и второй ступенях:

(34)



Масса прочих неучтенных систем и агрегатов двухступенчатого РБ первой и второй ступенях:

(35)

То есть можно считать в первом приближении пропорциональной «сухой» или конечной массе аппарата без учета полезного груза.

Относительная масса прочих неучтенных систем и агрегатов первой и второй ступеней:

(36)

В первом приближении относительную массу системы управления первой и второй ступеней можно принять равной:

(37)

Таким образом, относительная масса неучтенных элементов конструкции и СУ первой и второй ступеней находится по формуле:

 (38)

Поправки на потери рабочего тела на достартовые выбросы и испарения между активными маневрами первой и второй ступеней:

(39)

Имея все необходимые данные, вычисляем относительную массу полезного груза, которая является оптимизированным параметром при проектировании двухступенчатого РКБ первой и второй ступеней:

(40)

Масса полезного груза первой и второй ступенях:

(2.41)

Расчеты основных проектных параметров первой и второй ступеней проведены с помощью ПЭВМ и представлены в таблице 2.2. По полученным данным можно сделать вывод, что данный двухступенчатый РБ способен вывести первой ступенью на геопереходную орбиту полезную нагрузку массой 11764,7 кг, второй ступенью на геостационарную орбиту полезную нагрузку массой 5037 кг, следовательно с поставленной задачей - вывести на орбиту цели, геостационарную, полезную нагрузку массой 5000 кг, разгонный блок справится.

Таблица 2 - Оптимальная массово-энергетическая сводка первой и второй ступеней

Параметры	Обозначение	Значение	Единицы измерения
Относительная конечная масса		0,806
Масса запаса рабочего тела		16310,15
Объем окислителя		11,01
Объем горючего		4,629
Рабочий запас окислителя		12560,6
Рабочий запас горючего		3749,5
Суммарная масса ракетного топлива		16726,46
Масса топливного отсека		1072,36
Масса системы управления		789,73
Масса двигательной установки		321,03
Масса полезного груза (рассчитанная)		11764,7
Относительная конечная масса		0,75
Масса запаса рабочего тела		4174,5
Объем окислителя		2,179
Объем горючего		1,298
Рабочий запас окислителя		3148,8
Рабочий запас горючего		1025,6
Суммарная масса ракетного топлива		4282,5
Масса топливного отсека		490,92
Масса системы управления		461,39
Продолжение таблицы 2.2
Масса двигательной установки		149,49
Масса полезного груза (рассчитанная)		5037

4. Объемно-геометрические характеристики

Расчет бака окислителя первой ступени двухступенчатого РБ

Объем верхнего и нижнего днища:

(42)

где - радиус сферических днищ, м ,

м³

Высота верхнего и нижнего днища:

(43)

м

Объем на арматуру бака окислителя:

(44)

где - объем рабочего запаса окислителя,

м³

Объем газовой подушки окислителя:

(45)

 м³

Суммарный объем бака окислителя:

(46)

м³

Площадь поперечного сечения цилиндрической части:

(47)

м³

Объем цилиндрической части:

(48)

м³

Высота цилиндрической части:

(49)

м

Высота бака окислителя:

(50)

м

Расчет бака горючего первой ступени двухступенчатого РБ

Исходные данные: [м], [м], [м], [м], [м], [м], [м], [м]

Объем верхнего и нижнего днища бака горючего определится по формуле:

(51)

[м³]

Высота нижнего днища бака горючего:

[м]

Объем сферической вставки для двигателя:

[м]

[м]

Высота верхнего днища сегмента:

[м]

Объем сферического сегмента нижнего днища бака горючего:

[м].

Объем усеченного конуса ниши двигателя бака горючего:

[м].

Объем газовой подушки горючего:

(52)

где - объем рабочего запаса горючего;

[м³].

Объем на арматуру бака горючего определится по формуле:

[м³].

Суммарный объем бака горючего определяется по следующей формуле:

 (53)

где - объем газовой подушки горючего;

- объем на арматуру бака горючего;

[м³].

Площадь поперечного сечения цилиндрической части бака горючего определяется по формуле:

(54)

[м²].

Объем цилиндрической части бака горючего определяется по формуле:

(55)

где - суммарный объем бака горючего;

- объем верхнего днища бака горючего;

- объем нижнего днища бака горючего;

[м³].

Высота цилиндрической части бака горючего определяется по формуле:

(56)

где - объем цилиндрической части бака горючего;

- площадь поперечного сечения цилиндрической части бака горючего;

[м].

Высота бака горючего определяется следующим образом:

(57)

[м]

Результаты расчета объемно-геометрических характеристик бака горючего сведены в таблицу 2.3.

Расчет бака горючего второй ступени двухступенчатого РБ

Объем топливных баков, будет больше, объема размещаемого в них элементов топлива. Это увеличение учитывается через коэффициент . Коэффициент учитывает необходимость создания воздушной подушки занимающей 5% от начального объема бака, а так же размещение конструктивных элементов, такие как клапаны, датчики давления, противокавитационные сетки и др. Для топливных баков, размещаемых на РБ, этот коэффициент лежит в пределах от 1.095 до 1.13.

Диаметр топливных баков определяется по формуле:

м

Высота бака:

 (58)

м

Объем на арматуру бака горючего:

(59)

где - объем рабочего запаса горючего,

м³

Объем газовой подушки горючего:

(60)

м³

Суммарный объем бака горючего:

(61)

м³

Аналогично вычисляются объемно-геометрические характеристики для бака горючего и приборного отсека. Результаты расчетов объемно-геометрических параметров РБ представлены в таблице 2.3

Расчет бака окислителя второй ступени двухступенчатого РБ

Объем топливных баков, будет больше, объема размещаемого в них элементов топлива. Это увеличение учитывается через коэффициент . Коэффициент учитывает необходимость создания воздушной подушки занимающей 5% от начального объема бака, а так же размещение конструктивных элементов, такие как клапаны, датчики давления, противокавитационные сетки и др. Для топливных баков, размещаемых на РБ, этот коэффициент лежит в пределах от 1.095 до 1.13.

Диаметр топливных баков определяется по формулам:

м

м³

Высота бака определяется по формуле (2.59):

м

Объем на арматуру бака окислителя определяется по формуле (2.60):

- объем рабочего запаса окислителя,

м³

Объем газовой подушки окислителя определяется по формуле (2.61):

м³

Суммарный объем бака окислителя определяется по формуле (2.62):

м³

Аналогично вычисляются объемно-геометрические характеристики для бака горючего и приборного отсека. Результаты расчетов объемно-геометрических параметров РБ представлены в таблице 3

Таблица 3 - Результаты расчетов объемно-геометрических параметров РБ

Наименования параметров	Обозначения параметров	Единицы измерения	Численные значения
Длинна бака окислителя первой ступени		м	3,09
Объем бака окислителя первой ступени		м3	11,78
Объем бака горючего первой ступени		м3	3,85
Длина бака горючего первой ступени		м	1,481
Общая высота первой ступени двухступенчатого РБ.		м	4,57
Объем бака окислителя второй ступени		м3	2,32
Объем бака горючего второй ступени		м3	1,381
Объем приборного отсека второй ступени		м3	1,3
Общая высота второй ступени двухступенчатого РБ.		м	1,674
Общая высота двухступенчатого РБ	Н	м	6,244

Размещено на Allbest.ru

...