Современные тенденции в сфере применения суборбитальных ракет-носителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Днепровский национальный университет имени Олеся Гончара

Таблица 1 Сводная таблица суборбитальных ракет-носителей

Исходя из анализа рассмотренных суборбитальных РН, для поднятия ПГ массой 20 - 80кг применяются РН на ТРТ со стартовой массой 290 - 515кг, для поднятия такого же ПГ стартовая масса суборбитальных РН на ЖРТ составляет 1020 - 1750кг. Это свидетельствует о том, что для поднятия ПГ на 100км требуется суборбитальная РН на ЖРТ в 3.5 раза тяжелее, чем суборбитальная РН на ТРТ. Однако суборбитальные РН на ЖРТ имеют преимущества перед суборбитальными РН на ТРТ.

Недостатки суборбитальных РН на ТРТ:

• Большая перегрузка на АУТ, порядка 25 g, что может существенно ограничить диапазон ПГ

• Отсутствие возможности многоразового использования

В связи с необходимостью оценки возможности минимизации потерь скорости на АУТ для повышения высотности суборбитальных РН, следует исследовать влияние режимов изменения тяги, особенно на участках больших скоростных напоров.

Рассмотрим несколько вариантов изменения диаграммы тяги жидкостного ракетного двигателя до момента прохождения максимального скоростного напора.

Дросселирование осуществлялось на высоте ориентировочно 5км, где значение числа маха М = 0,9, и скоростной напор на данной высоте составляет 29 кПа. Рассматривалось 5 вариантов дросселирования тяги: от 50 до 90% с шагом 10%. Путем дросселирования тяги на активном участке траектории (АУТ) удалось снизить потери скорости на аэродинамику (АУХ) на 1-2%, потери на противодавление (АУР) порядка 1%, но значительно возросли гравитационные потери (АУё) на 3-34% из-за увеличения времени АУТ. На рисунке 4 предоставлены результаты расчетов.

суборбитальный ракета дросселирование полет

Рис. 4. Зависимость изменение высоты апогея и потерь скорости от дросселирования

Рассмотрим несколько вариантов длительности применения промежуточного пассивного участка траектории на участке прохождения максимального скоростного напора.

Пассивный участок траектории применялся на высоте ориентировочно 5 км, где значение числа маха М = 0,9, и скоростной напор на данной высоте составляет 29 кПа. Рассматривалось 5 вариантов с применением пассивного участка длительностью от 5 до 25с с шагом 5с. Путем вставки пассивного участка траектории удалось снизить потери скорости на аэродинамику на 2-6%, потери на противодавление до 1%, но возросли гравитационные потери на 315%. На рисунке 5 предоставлены результаты расчетов.

Рис. 5. Зависимость изменение высоты апогея и потерь скорости от длительности вставки пассивного участка полета

Рассмотрим влияние изменения тяговооружённости на высоту выведения ПГ и потери скорости. При решении данной задачи были приняты следующие особенности и допущения:

• масса конструкции const;

• масса топлива const;

• изменение тяговооруженности осуществляется путем изменения тяги за счет изменения расхода КРТ.

Тяговооруженность определяется по следующей формуле:

где Р0 - тяга на уровне моря, G0 - стартовая масса.

При увеличении тяговооруженности на старте до 4 единиц, аэродинамические потери растут на 10%, потери на противодавление практически не изменяются, но гравитационные потери снижаются на 60%, следовательно, суммарные потери скорости на АУТ снижаются с увеличением тяговооруженности. В связи с уменьшением потерь скорости, конечная скорость суборбитальной РН увеличивается, следовательно, высота апогея увеличивается. Результаты исследования предоставлены на рисунке 6.

Все расчеты кинематических параметров траектории проводились по методике [9].

Рис. 6. Зависимость изменение высоты апогея и потерь скорости от тяговооруженности

Выводы

В результате сопоставительного анализа характеристик, существующих суборбитальных РН со стартовой массой до 3000кг, выявлены преимущества суборбитальных РН на ТРТ в сравнении с ЖРТ при одинаковых значениях массы ПГ и высоты выведения:

1. Коэффициент относительной массы для такого класса ракет на ТРТ ниже, чем для ракет на ЖРТ.

2. Тяговооруженность ракет на ТРТ может быть достигнута значительно выше, чем тяговооруженность ракет на ЖРТ. Но с ростом тяговооруженности увеличиваются перегрузки, что может привести к ограничению состава измерительной аппаратуры.

В статье показано, что при суборбитальном полете, траектория которого близка к вертикальной, нецелесообразно применять дросселирование тяги двигателя и промежуточный пассивный участок траектории для достижения максимальной высоты, так как это приводит к увеличению суммарных потерь скорости, следовательно, к уменьшению высотности, что является главным показателем для суборбитальной РН.

Установлено, что для минимизации суммарных потерь скорости, что приводит к увеличению высотности суборбитальных ракет целесообразно повышать тяговооруженность на старте.

Библиографические ссылки

1. “State of the Satellite Industry Report”, Bryce space and technology, June 2017.

2. Schuttauf K., Hassenpflug F., Koudele P., Pinzer M., “REXUS User Manual”, version 7.15, EuroLaunch, November 2017.

3. “MASER User Manual”, Edition 2, rev. 1, Swedish Space Corporation, Sweden, February 1992.

4. “Microgravity Sounding Rocket Missions”, Issue 1, DASA, Bremen, Germany, August 1995.

5. “Summary Review of Sounding Rocket Experiments in Fluid Science and Material Sciences”, ESA SP-1132 Volumes 1-4, February 1991 - October 1994.

6. “NASA Sounding Rockets User Handbook”, NASA Goddard Space Flight Center, USA, July 2015.

7. “The Annual Compendium of Commercial Space Transportation: 2018”, Federal Aviation Administration, January 2018.

8. Ковбасюк С.В., Писарчук О.О., Ракушев М.Ю. Метод найменших квадратів та його практичне застосування: Монографія. - Житомир: ЖВІ НАУ, 2008. - 228с.

9. Проектування і конструкція ракет-носіїв: Підручник / В.В. Близниченко, Є.О. Джур, Р.Д. Краснікова, Л.Д. Кучма, А.К. Линник та ін.; за ред. акад. С.М. Конюхова. - Д.: Вид-во ДНУ, 2007. - 504 с.

Аннотация

Статья посвящена исследованию тенденций сфер применения суборбитальных ракет-носителей (РН) и их особенностей. В статье раскрыты вопросы применения суборбитальных РН. Предоставлен анализ существующих прототоипов. Рассмотрены следующие варианты достижения максимальной высоты полета суборбитальных РН: дросселирование тяги, вставка пассивного участка траектории, повышение тяговооруженности на старте.

Ключевые слова: суборбитальная ракета-носитель, дросселирование тяги, пассивный участок траектории, тяговооруженность.

Стаття присвячена дослідженню тенденцій сфер застосування суборбітальних ракет- носіїв (РН) і їх особливостей. У статті розкриті питання застосування суборбітальних РН. Надано аналіз існуючих прототипів. Були розглянуті наступні варіанти досягнення максимальної висоти польоту суборбітальних РН: дроселювання тяги, вставка пасивної ділянки траєкторії, підвищення тягоозброєнності на старті.

Ключові слова: суборбітальна ракета-носій, дроселювання тяги, пасивна ділянка траєкторії, тягоозброєність.

The article is devoted to research of tendencies of spheres of application of sounding launch vehicle (SLV) and their features. The article deals with the use of SLV. The analysis of existing proto-types is given. The following options for achieving the maximum altitude of flight of SLV are considered: thrust throttling, insertion of the inactive leg, increase of thrust-to-weight ratio at the launch.

Keywords: sounding launch vehicle, thrust throttling, inactive leg, thrust-weight ratio.

Размещено на Allbest.ru