УДК 629.76.038.764

Исследование и анализ применения ракетных блоков с РДТТ в качестве ускорителей жидкостных ракет-носителей

В.Н. Гущин

Рассматривается эффективность применения твердотопливных разгонных блоков для увеличения грузоподъемности существующих жидкостных ракет-носителей. Результаты представлены для ракеты-носителя ╚Зенит╩. Показано, что возможно увеличение массы выводимой полезной нагрузки на 45%. Расчеты показали, что целесообразна следующая схема работы ступеней: ускорители работают совместно с двигательной установкой второй ступени.

1. Введение

В настоящее время получила широкое развитие для ракет-носителей (РН) техника ракет на жидком топливе. Исторически это было связано с более высокой удельной тягой ЖРД по сравнению с РДТТ. При этом за последние 15...20 лет удельная тяга ЖРД увеличилась с 3200 до 4200 Н с/кг, а РДТТ - с 2200 до 3150 Н с/кг. На первых ступенях РН, использующих низкокипящие компоненты, применялся керосин или его синтетический аналог, что было связано со стремлением уменьшить массу и габариты РН в целом и ее первой ступени в частности. Этому требованию отвечает применение в качестве ускорителя жидкостной РН набора твердотопливных ракетных блоков (РБ). Действительно, плотность твердого ракетного топлива в 1,8 раз выше средней плотности жидкого, притом, что удельная тяга РДТТ близка к удельной тяге ЖРД, использующих высококипящие компоненты, либо один из компонентов.

Важным преимуществом РДТТ является его высокая надежность. Исследования, проведенные в 80-х годах отечественными и зарубежными специалистами по анализу аварий за последние к тому времени 10 лет дали примерно сходную картину: из 300 аварий с различными ракетами ни одной не приходилось на ракеты с РДТТ.

Постоянная готовность к пуску, удобство в эксплуатации представляет собой другое не менее важное достоинство РДТТ.

Совершенство РДТТ и наличие обширной сети КБ и серийных заводов, т.е. производственной базы, что связано с применением ракет с РДТТ в качестве составной части грунтовых подвижных комплексов, шахтных пусковых установок и установок на подводных лодках, позволяет рассчитывать на реальность применения РБ с РДТТ в качестве ускорителей жидкостных РН КА.

И, наконец, последний аргумент в пользу применения РДТТ в качестве ускорителей заключается в том, что твердотопливные блоки можно рассматривать как унифицированные элементы для разработки ускорителей однотипных РН. Так, с помощью набора требуемого количества РБ можно с помощью одного хорошо отработанного двигателя обеспечить создание целой серии ускорителей.

В связи с вышеизложенным, возникает задача, или целая серия задач, научно-технической проблемы, связанной с получением ответа на следующие вопросы:

что дает применение РДТТ ?

сколько будет это стоить по сравнению с разработкой нового носителя?

какой метод оценки и анализа эффективности такого применения должен быть использован ?

2. Анализ эффективности применения РБ с РДТТ в качестве ускорителя РН с ЖРД

На базе одного разгонного блока РН ╚Энергия╩ создан двухступенчатый ракета-носитель ╚Зенит╩, работающий на топливе жидкий кислород-керосин, способный выводить на низкие орбиты ~ 14 т при стартовой массе 460 т. При достижении определенного уровня надежности этого носителя предполагается использовать его для доставки на орбиту пилотируемых КА нового поколения и широко применять его в коммерческих запусках.

Характеристики РН ╚Зенит╩ представлены в табл. 1.

Пусть имеет место оптимальное распределение топлива по ступеням РН, и в процессе доработок это распределение меняться не будет (или почти не будет). Другими словами, будем считать, что в процессе доработок масса последней ступени будет неизменной, а получающийся выигрыш в массе полезной нагрузки (если он будет в процессе модернизации) обеспечивается за счет уменьшения массы топлива в этой последней ступени. При этом предыдущая ступень остается неизменной (╚замороженной╩). Такой подход существенно упрощает методику предварительной оценки, а получаемый в результате выигрыш, или прирост массы полезной нагрузки может рассматриваться, как нижняя минимальная оценка, оставляя тем самым резерв для дальнейшего усовершенствования РН КА с ускорителями на базе РБ с РДТТ.

Требуемая скорость на орбите высотой Н определим по формуле

    ;

где g₀-ускорение свободного падения на поверхности Земли, м/с;

R-средний радиус Земли, м;

H-высота орбиты, м.

характеристики РН типа ╚Зенит╩

При Н=3х10⁵ м (300 км) , g₀= 9,81 м/с , R =6,371х10⁶ м, величина требуемой скорости составляет =8098 м/с.

Примем, что гравитационные и аэродинамические потери составляют около 22,14 %, тогда скорость по Циолковскому окажется равной 9891 м/с.

При Н=2*10⁵ м (200 км) , g₀= 9,81 м/с , R =6,371 10⁶ м, величина требуемой скорости составляет =8031 м/с.

Таким образом гравитационные и аэродинамические потери составили для ракеты типа ╚Зенит╩ при выведении на орбиту высотой Н=200 км =421 м/с, что составляет 5,2% от требуемой скорости. Разница с цифрой в 22,14% объясняется меньшим временем работы твердотопливного ускорителя по сравнению со ступенью с ЖРД.

В качестве ускорителя попробуем применить два твердотопливных блока, характеристики которых представлены в табл. 2.

Определим количество ракетных блоков, которое надо присоединить к ╚Зениту╩ для использования (применения) их в качестве ускорителя.

Можно рассмотреть два варианта применения РБ с РДТТ в качестве ускорителей.

Вариант 1. РДТТ ускорителей работают параллельно с работой первой ступени ╚Зенита╩. Определим минимальное число РБ с РДТТ, обеспечивающих старт системы. Примем, что , тогда исходное уравнение:

    ; .

Откуда

где n- количество РБ с РДТТ;

    - допустимая начальная тяговооруженность системы ╚Зенит╩ с РБ с РДТТ;

    - начальная стартовая масса РН ╚Зенит╩;

    g₀ - ускорение свободного падения;

     - тяга РН ╚Зенит╩;

     - тяга единичного ракетного блока с РДТТ;

     - начальная стартовая масса РБ с РДТТ.

Значения исходных данных приведены в табл. 3.

В результате решения неравенства находим, что n>0.

Таким образом, любое количество РБ с РДТТ обеспечивают старт системы с .

Таблица 2

Гипотетические данные по ракетному блоку с РДТТ

Вариант 2. На начальном этапе полета до израсходования топлива в РБ с РДТТ двигатель первой ступени РН ╚Зенит╩ не включается. Количество блоков, которое допустимо применить в этом случае, находится из двух условий:

    ;

расположение РБ с РДТТ по периферии вокруг топливного отсека первой ступени РН ╚Зенит╩.

Первое условие описывается формулой:

    ,

которая при исходных данных табл. 3 дает значение n> 7,7.

Таблица 3

Исходные данные

По второму условию:

    ,

которая определяет значение количества блоков, как n< 9,9.

В два условия укладываются значения n=8 и n=9, но, учитывая необходимость обеспечения симметрии тяги (отсутствие опрокидывающего момента), единственным решением при неработающей двигательной установке первой ступени РН ╚Зенит╩ будет решение n=8.

Рассмотрим эффективность применения РБ с РДТТ для увеличения массы полезной нагрузки, выводимой с помощью РН ╚Зенит╩ на орбиту высотой Н=200 км.

В табл. 4 и 5 представлены значения характеристической и истинной скоростей для РН ╚Зенит╩ и системы РН ╚Зенит╩ с восьмью РБ с РДТТ.

Таблица 4

Характеристики системы: РН ╚Зенит╩

Таблица 5

Характеристики системы: РН ╚Зенит╩+8 РБ с РДТТ

В табл.6 представлены результаты расчета системы РН ╚Зенит╩ с 8-ю ракетными блоками, принятых в качестве ускорителя.

Таблица 6

Характеристики системы ╚Зенит╩+ 8 РБ с РДТТ

Здесь возникают дополнительные задачи, подлежащие специальному исследованию.

Анализ эффективности применения работающей второй жидкостной ступени при работе РБ ускорителя.

Анализ эффективности последовательного сброса отработавших ускорителей.

Выбор оптимального режима работы РБ ускорителя.

3. Анализ вариантов использования ускорителей

Проведем анализ эффективности применения работающей второй жидкостной ступени при работе РБ ускорителя; анализ эффективности последовательного сброса отработавших ускорителей; выбор оптимального режима работы РБ ускорителя.

Рассматриваются варианты соединения (последовательности работы базовой модели РН ╚Зенит╩ и твердотопливных ускорителей) с целью дальнейшего увеличения эффективности системы. Рассматривались четыре схемы работы:

последовательная работа ступеней (тандем);

параллельная работа всех восьми ускорителей совместно с ракетой-носителем второй ступени (параллель);

на старте начинают работать четыре ускорителя (половина от общего количества) и двигатели ракеты-носителя второй ступени, спустя половину времени работы первой группы ускорителей включается вторая группа ускорителей. После окончания работы первой группы ускорителей, они сбрасываются (параллель с перекрытием);

на старте начинают также, как и в предыдущем случае работать четыре ускорителя совместно с двигателями ракеты-носителя второй ступени;

по окончании работы ускорителей первой группы они отбрасываются и включается вторая группа ускорителей (последовательно-параллельная).

Исследования, проведенные с целью определения наиболее эффективной схемы работы ускорителей относительно ракеты-носителя второй ступени по критерию максимальной достижимой суммарной скорости, показали результаты, приведенные в табл. 7.

Таблица 7

Характеристики системы: РН ╚Зенит╩+8 РБ с РДТТ

Различие в вариантах по рассмотренному критерию составляет около 2,5 процентов. Хотя для больших РН и эта величина немаловажна, но, рассматривая варианты, можно ориентироваться на другие показатели (ограничения), такие, как места падения ступеней, простоту конструкции соединения и отделения, требования к циклограмме полета, уровень перегрузок на траектории полета с работающим двигателем и другие.

Для схемы ╚Тандем╩ были выполнены расчеты траектории движения и определены места падения ускорителей и ракеты-носителя второй ступени второй ступени.

Исходные данные для этих расчетов представлены в табл. 8.

Результаты проведенных траекторных расчетов представлены в табл. 9.

Таблица 8

Варианты последовательности работы ускорителей и ракеты-носителя второй ступени

Таблица 9

Исходные данные для расчета траектории системы,

соединенной по схеме тандем

Таблица 10

Результаты расчета траектории

системы, когда ускорители работают по схеме ╚тандем╩.

Угол вершины траектории - 1,9⁰; высота апогея - 6913 км; высота перигея - 6794 км; наклонение орбиты - 62,3 км; абсолютная скорость - 7693,5 м/с.

4. Выводы

Рассмотрена задача применения ракетных блоков с РДТТ в качестве ускорителей жидкостных ракет-носителей типа ╚Зенит╩.

Анализ эффективности применения ракетных блоков с РДТТ в качестве ускорителя РН ╚Зенит╩ показал, что масса выводимой полезной нагрузки может быть увеличена почти на 45%. При этом затраты на разработку ускорителей определяются главным образом затратами в серийном производстве.

Увеличение массы выводимой полезной нагрузки может быть обеспечено путем использования ракетных твердотопливных блоков, снимаемых с вооружения баллистических ракет (либо изготовленных по той же технологии) в качестве ускорителей первых ступеней существующих жидкостных ракет-носителей.

сведения об авторе

Гущин Виталий Николаевич, профессор кафедры космических систем и ракетостроения Московского государственного авиационного института (технического университета), д.т.н.