ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П.КОРОЛЕВА»
В. И. Куренков, Л. П. Юмашев
ВЫБОР ОСНОВНЫХ
ПРОЕКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
И КОНСТРУКТИВНОГО
ОБЛИКА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
Учебное пособие
Самара 2005
1
Стр.1
УДК 629.7.01
Куренков В. И., Юмашев Л. П. Выбор основных проектных характеристик
и конструктивного облика ракет-носителей: Учеб. пособие/Под
ред. чл.-корр РАН Д.И. Козлова. Самар. гос. аэрокосм. ун-т. – Самара,
2005. 240 с.
ISBN 5-7883-0343-5
Приведены основные соотношения теории ракетного движения, анализируется
взаимосвязь летно-технических, критериальных и основных
проектных характеристик ракет-носителей. Обсуждаются вопросы сбора
и обработки статистических данных, анализируются общие технические
требования, обсуждаются вопросы разработки тактико-технических
требований при создании ракет-носителей.
Рассматриваются методики расчета характеристической скорости, выбора
топлива, стартовой массы и количества ступеней ракеты-носителя,
вопросы оптимального распределения масс ракетных блоков по ступеням
ракеты-носителя при различных схемах соединения ракетных блоков.
Обсуждаются вопросы определения объемно-габаритных характеристик
и построения компоновочной схемы, методики расчета масс основных
элементов конструкции и определения массоинерционных и центровочных
характеристик проектируемых ракет-носителей.
Рассматриваются разгонные и апогейные ракетные блоки, а также
перспективные средства выведения космических аппаратов.
Учебное пособие предназначено студентам и дипломникам специальности
160801 «Ракетостроение», изучающим курс «Основы устройств и
конструирования ракет», раздел «Проектирование ракет». Оно может
быть использовано не только при изучении теоретического материала
по проектированию ракет, но и при выполнении курсовых и дипломных
проектов. Учебное пособие также может быть полезно работникам ракетно-космической
отрасли для повышения их квалификации в общих
вопросах проектирования ракет-носителей. Подготовлено на кафедре летательных
аппаратов СГАУ.
Ил. 79. Табл. 24. Библиогр.: 41 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Самарского государственного аэрокосмического университета
Рецензенты: зам. Генерального конструктора ГНПРКЦ
«ЦСКБ-Прогресс» Г.Е. Фомин,
директор и главный конструктор Волжского КБ РКК
«Энергия» С.А. Петренко
ISBN 5-7883-0343-5
ISBN 5-7883-033-8
2
А.А. Ненашев, 2005.
Куренков В. И. Юмашев Л. П. , 2005.
Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2005.
Самарский государственный
эрокосмический университет, 2005.
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................... 6
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ............................................................ 7
1.1. История создания баллистических ракет и ракет-носителей.......................... 7
1.2. Общие сведения о ракетно-космическом комплексе ...................................... 11
1.3. Основные ракеты-носители ................................................................................ 11
1.4. Классификация ракет-носителей ....................................................................... 12
1.5. Порядок проектирования ................................................................................... 13
1.6. Этапы создания и эксплуатации ракетно-космической техники ................... 14
2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ РАКЕТНОГО ДВИЖЕНИЯ ............ 16
2.1. Структура многоступенчатой ракеты ............................................................. 16
2.2. Относительные характеристики масс составных частей ракеты .................. 19
2.3. Функциональная связь между относительными
характеристиками масс составных частей ракеты........................................... 21
2.4. Характеристические скорости ракеты ............................................................. 22
2.5. Удельный импульс ............................................................................................... 23
2.6. Влияние атмосферного давления на тягу ракетного двигателя .................. 24
2.7. Скорость ракеты с учетом реальных условий полета ................................... 25
2.8. Типовая приближенно-оптимальная программа
изменения угла наклона траектории ракеты .................................................... 28
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ................................................................................................. 34
3.1. Характеристики ракет-носителей ...................................................................... 34
3.2. Основные проектные параметры ракеты......................................................... 36
3.3. Выбор основных проектных параметров ракеты ........................................... 37
3.4. Сопоставление значений потерь скорости ракеты ......................................... 47
4. СБОР И ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ
ПО РАКЕТАМ-НОСИТЕЛЯМ ................................................................................ 48
5. ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ....................................................... 54
5.1. Структура тактико-технических требований
на создаваемые ракеты-носители ........................................................................ 54
5.2. Обзор общих технических требований,
предъявляемых к ракетам-носителям ............................................................... 55
5.3. Разработка тактико-технических требований
в учебных курсовых проектах............................................................................. 65
3
Стр.3
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ
СКОРОСТИ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ .......................................................................70
6.1. Методы расчета характеристической скорости ракет-носителей ................ 70
6.2. Старт к Луне и планетам.....................................................................................79
7. ВЫБОР ТОПЛИВА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАКЕТ ................................... 86
7.1. Классификация топлива ......................................................................................86
7.2. Требования, предъявляемые к ракетным топливам ...................................... 87
7.3. Характеристики ракетного топлива ..................................................................88
7.4. Особенности использования твердого ракетного топлива ........................... 96
7.5. Критерии выбора топлива ..................................................................................97
8. ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ
ПО СТУПЕНЯМ И РАСЧЕТ СТАРТОВОЙ МАССЫ РАКЕТЫ.................... 107
8.1. Задачи математического программирования ................................................. 107
8.2. Постановка и решение задачи оптимального распределения массы
ракеты-носителя по блокам методом неопределенных множителей
Лагранжа ............................................................................................................... 109
8.3. Постановка и решение задач оптимального распределения массы
ракеты-носителя по блокам численными методами ....................................... 113
8.4. Выбор количества ступеней ракеты-носителя .............................................. 130
9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕМНО-ГАБАРИТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ........................................................ 134
9.1. Определение объема ракеты-носителя и ее составных частей .................... 134
9.2. Определение длины и диаметра ракеты-носителя ........................................ 139
10. РАЗРАБОТКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ
РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ .............................................................................................141
10.1. Компоновка хвостовых отсеков .....................................................................141
10.2. Компоновка топливных отсеков .....................................................................145
10.3. Компоновка переходных отсеков ...................................................................158
10.4. Компоновка приборных отсеков ...................................................................160
10.5. Компоновка переходных отсеков и головных обтекателей ........................ 161
11. УТОЧНЕНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ..... 163
12. РАСЧЕТ МАСС ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ............................................................ 172
12.1. Предварительный расчет масс основных элементов
конструкции ракеты-носителя ...........................................................................172
4
Стр.4
12.2 Предварительная массовая сводка ................................................................ 175
12.3. Проверка значений конструктивных характеристик
ракетных блоков......................................................................................................... 177
12.4. Проектировочный расчет масс составных частей ракеты-носителя ....... 178
12.5. Детальный расчет .............................................................................................200
13. РАСЧЕТ КООРДИНАТ ЦЕНТРА МАСС И МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ
РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ .............................................................................................201
13.1. Расчет координат центра масс ракеты .......................................................... 201
13.2. Расчет моментов инерции ракеты..................................................................202
13.3. Расчетные таблицы...........................................................................................204
13.4. Расчет положения координат центра масс ракеты-носителя
по времени полета ...............................................................................................204
14. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНИЧЕСКОГО
ПРЕДЛОЖЕНИЯ И ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТА .................................................. 209
14.1. Выбор основных проектных характеристик и облика РН ........................ 209
14.2. Параметрический анализ влияния проектных характеристик
на тактико-технические характеристики ракеты-носителя .......................... 211
14.3. Поверочный расчет .........................................................................................212
14.4. Выбор состава бортовых систем, принципов их работы
и разработка технических заданий на составные части ракеты ................. 213
15. РАЗГОННЫЕ И АПОГЕЙНЫЕ РАКЕТНЫЕ БЛОКИ ..................................... 214
15.1. Космические разгонные блоки .......................................................................214
15.2. Апогейные блоки .............................................................................................219
16. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ ............................................................................................................ 221
16.1. Модернизированные ракеты-носители на базе РН «Союз» .................... 221
16.2. Создание серии ракет-носителей различной грузоподъемности
на основе унификации ракетных блоков ...................................................... 223
16.3. Использование возвращаемых ракетных блоков ....................................... 225
16.4.Морской старт ...................................................................................................228
16.5. Старты с самолета ............................................................................................228
16.6. Полностью многоразовые многоцелевые авиационно-космические
системы .............................................................................................................. 233
16.7. Запуск малогабаритных космических аппаратов ........................................ 233
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................................. 235
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................................ 236
5
Стр.5
ВВЕДЕНИЕ
Создание ракет – сложный, длительный и увлекательный процесс,
начинающийся с момента появления замысла о необходимости создания
новой ракеты-носителя, включающий эскизное проектирование, разработку
рабочей документации, изготовление опытных образцов, различные
виды испытаний, сдачу ракеты-носителя заказчику, организацию
серийного изготовления, проведения работ в эксплуатирующей организации,
авторского сопровождения и внесения изменений для совершенствования
ракеты-носителя.
Все эти вопросы в той или иной степени отражены в учебных планах
и рабочих программах специальности 160801 «Ракетостроение». В частности,
теоретические и практические основы проектирования и конструирования
ракет-носителей излагаются в дисциплине «Основы устройств
и конструирования ракет».
Настоящее учебное пособие предназначено для изучения одного из
заключительных разделов дисциплины «Основы устройств и конструирования
ракет», а именно, раздела «Проектирование ракет». Материал
пособия излагается в той последовательности, которая используется в
реальной практике проектирования. Данное пособие может быть использовано
не только для изучения теоретического материала, но и для выполнения
курсовых проектов и дипломного проектирования.
Следует отметить, что многие разделы настоящего учебного пособия оригинальны
и заимствованы из рукописей конспектов лекций Л. П. Юмашева,
доцента кафедры летательных аппаратов СГАУ, который поставил эту дисциплину
в СГАУ еще в 60-х годах 20-го века и читал лекции студентам до 2000 года.
Кроме того, доцент Л. П. Юмашев поставил курсовой проект по данной дисциплине
и разработал программное обеспечение для выбора основных проектных
характеристик ракет-носителей, которое с успехом используется и в настоящее
время.
Профессор Куренков В.И. дополнил и модернизировал курс лекций
по данной дисциплине с учетом современных требований к ракетной технике
и тенденции ее развития и подготовил этот курс лекций к печати в
виде учебного пособия.
Хочется выразить глубокую признательность сотрудникам СГАУ -
профессору В.М. Белоконову и доценту И.С. Ахмедьянову, рецензентам
-заместителю Генерального конструктора ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»
Г. Е. Фомину и директору, главному конструктору Волжского конструкторского
бюро РКК «Энергия» С.А. Петренко, специалистам ракетнокосмической
отрасли - Е.Д. Штанько, В.А. Широкову, А.И. Прокопенко
за ценные замечания и рекомендации, которые были учтены при подготовке
рукописи учебного пособия к изданию.
6
Стр.6
Учебное издание
Куренков Владимир Иванович
Юмашев Леонард Петрович
ВЫБОР ОСНОВНЫХ
ПРОЕКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
И КОНСТРУКТИВНОГО
ОБЛИКА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
Учебное пособие
Редактор Т.К. Кретинина
Компьютерная верстка И.И. Спиридонова
Подписано в печать 16.09.05. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл.печ.л. 14,0 . Усл.кр.-отт. 14,1. Уч.-изд. л. 15.0.
Тираж 350 экз. Заказ
. Арт. С-7/2005.
Самарский государственный аэрокосмический университет.
443086 Самара, Московское шоссе, 34.
РИО Самарского государственного аэрокосмического университета.
443086 Самара, Московское шоссе, 34.
239
Стр.239