Ракета-носитель с возвращаемым модулем нижней ступени

Просмотреть картинки списком

Наставник: Кадацкая Розалия Бариевна

Ученик: Медведев Кирилл Олегович

Город: г. Самара

Название колледжа: ГОУ СПО «Самарский техникум космического машиностроения»

Название изобретения или изделия: Ракета-носитель с возвращаемым модулем нижней ступени

Введение

Прогресс в создании ракетно-космических систем и связанное с ним проникновение человека в космос за минувшие годы шли бурными темпами и наложили отпечаток на многие стороны человеческой деятельности.

Мы живем в эпоху, когда авиация — теория и практика перемещения по воздуху - уже достаточно давно, переросла в космонавтику - теорию и практику перемещения в пустом мировом пространстве.

Современная техника стоит накануне создания межпланетной ракеты. Для сообщения ракетам-носителям (РН) космических скоростей разработаны мощные жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) с уменьшенными габаритами. Их создание стало возможным благодаря реализации в камерах сгорания повышенных давлений за счёт использования принципиальных схем, практически исключающих потери на привод турбонасосных агрегатов.

Разработка РН и ЖРД способствовала развитию термо-, гидро и газодинамики, теории теплопередачи и прочности, металлургии высокопрочных и жаростойких материалов, химии топлив, измерит. техники, вакуумной и плазменной технологии.

Требования космической программы обусловили необходимость конструирования комплексных автоматических устройств при жёстких ограничениях, вызванных грузоподъёмностью РН и окружающими условиями космического пространства, что явилось дополнительным стимулом для развития другой отрасли техники — микроэлектроники и создания лёгких электронных систем. Новые методы компоновки электронной аппаратуры, миниатюризации габаритов, массы и потребления энергии этой аппаратурой были развиты для её использования в космосе.

Быстрый прогресс теории управления способствовал решению сложнейших проблем динамики полёта, стабилизации ракеты. Были созданы разнообразные комплексы систем автоматического регулирования, ультраточные гироскопические и гироинерциальные системы с применением цифровых и аналоговых управляющих машин. К достижениям космической техники относятся также системы, обеспечивающие ориентацию с весьма высокой точностью космических аппаратов, системы жизнеобеспечения, комплекс средств мягкой посадки, солнечные батареи и др. Потребности в связи и дистанционном управлении на больших расстояниях привели к развитию высококачественных и высокоточных систем связи, которые способствовали развитию технических методов прослеживания и измерения движущихся космических аппаратов на межпланетных расстояниях, открыв новые области применения ИСЗ.

Высокоинформативные телеметрические системы позволяют надёжно контролировать работу космических аппаратов и передачу научной информации с их борта на Землю.

Но запуски ракет-носителей, хоть и приносят несомненную пользу, довольно дорого обходятся, т.к. почти все современные носители – одноразовые. Следовательно, сейчас очень актуален вопрос о создании полностью многоразовых носителей. Создание частично многоразовых носителей – шаг, который необходимо сделать на пути к решению этого вопроса.

Заключение

В результате проектирования создана духступенчатая ракета-носитель с оптимальными массово-энергетическими характеристиками (приложение А).

На основании данных, полученных в ходе проектирования можно сделать вывод о возможности и целесообразности модификации 1-й ступени в возвращаемый летательный аппарат (приложение Б), который мог бы сесть как самолёт на любой аэродром в пределах определённой дальности от места запуска.

Тяговооружённость спроектированной РН позволяет увеличить вес конструкции на 40 - 50 (максимум 60) тонн.

В ходе модификации на 1-ю ступень устанавливаются крылья с изменяемой стреловидностью, а так же хвостовое оперение. На стадии взлёта сложенные крылья выполняют функцию дополнительных стабилизаторов. На стадии возвращения крылья выдвигаются и создают необходимую подъёмную силу для нормального полёта.

Механизм поворота (выдвижения) крыльев довольно прост и распространён. Он применяется на всех современных самолётах с изменяемой стреловидностью крыла.

Т.к. крылья и механизм их выдвижения частично занимают внутренний объём бака горючего предусматривается создание дополнительных наплывов на корпусе аппарата, для размещения в них необходимого объёма топлива, а так же некоторой аппаратуры и заднее шасси. Переднее шасси размещается около головной части, частично занимая внутренний объём бака с окислителем, и безболезненно влияет на объём топлива в баке окислителя, но т.к. в качестве окислителя применяется жидкий кислород, то теплоизоляцией покрывается и отсек в котором размещается переднее шасси. Шасси может быть как колёсным так и лыжным.

Т.к. сама по себе ракета-носитель в ходе проектирования получилась неустойчивой, то после модификации 1-й ступени, наплывы, стабилизаторы и крылья смещают центр давления всей конструкции к хвосту, что делает ракету статически устойчивой.

Приборный отсек 1-й ступени заменяется головной частью.

В головной части возвращаемой ступени предусмотрено размещение всей необходимой аппаратуры для контроля и управления полётом аппарата.

Для соединения ступеней применяется не ферма, а переходный отсек.

Последовательность разделения 2-й ступени и возвращаемой 1-й такова:

1) После того как срабатывают пироболты*, соединяющие 2-ю ступень с переходным отсеком,

2) включается маршевый двигатель 2-й ступени. Конструкция переходного отсека такова, что газы только что включившегося двигателя проходят по особым каналам и выходят из тормозных сопел в том же переходном отсеке, создавая торможение 1-й ступени и не допущение догона ею 2-й. Так же для торможения 1-й ступени можно применить отклонение стабилизаторов.

3) Далее, когда вторая ступень успешно отделилась и продолжает полёт на заданную высоту орбиты, срабатывают замки соединения переходного отсека и 1-й ступени.

4) Далее срабатывают механизмы пружинных толкателей в переходном отсеке, которые в ходе действия создают необходимое расстояние между возвращаемой ступенью и переходным отсеком.

Когда стадия разделения полностью пройдена, выдвигаются крылья. На крыльях расположены необходимые элементы управления, а именно: элероны, обеспечивающие управление аппаратом по оси крена; закрылки, обеспечивающие управление скоростью и подъёмной силой крыла.

В качестве хвостового оперения выбраны: два стабилизатора, обеспечивающих управление по оси тангажа; два киля, обеспечивающих управление по оси рысканья. Форма стабилизаторов и килей одинакова. Это означает что они могут выполнять, при необходимости функции друг друга. Хвостовое оперение может так же, по необходимости, создавать и момент крена.

В качестве топлива, как на первой, так и на второй ступенях, выбраны компоненты:

ЖИДКИЙ КИСЛОРОД (О₂) - является одним из наиболее мощных окислителей благодаря тому, что содержит 100% окисляющего элемента.

Жидкий кислород представляет собой прозрачную голубоватую легко подвижную жидкость с плотностью r = 1,144 103 кг/м³.

Температура кипения кислорода -183°С, температура замерзания -219°С.

Основными достоинствами жидкого кислорода являются большой удельный импульс тяги двигателя, не токсичность, простота производства и низкая стоимость при неограниченной сырьевой базе. К недостаткам жидкого кислорода необходимо отнести малую плотность и низкую температуру кипения, что вынуждает производить заправку ракеты непосредственно перед пуском из-за больших потерь окислителя на испарение.

Следовательно, баки с окислителем необходимо дополнительно покрыть слоем теплозащитного материала.

КЕРОСИН - является фракцией прямой перегонки нефти. Широкое применение получил керосин со следующими свойствами :

- плотность r = 0,82 - 0,85 10 3 кг/ м³ ;

- температура замерзания -60°С ;

- температура кипения 150 - 280 °С.

Топлива на основе керосина несамовоспламеняющиеся, поэтому при запуске двигателя необходимо специальное самовоспламеняющееся пусковое топливо или другой источник зажигания. Широкая сырьевая база, дешевизна, не токсичность и не агрессивность по отношению к металлам, возможность использования для охлаждения камеры сгорания - положительные свойства керосина.

______________________

*пироболт - устройство, обычно с электрическим запалом, предназначенное для быстрого и надёжного рассоединения деталей какого-либо механизма. Конструктивно представляет собой крепежный болт, в стержне которого рядом с головкой создается полость, заполняемая бризантным взрывчатым веществом внутри и детонатором. При прохождении тока через электродетонатор происходит взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его головка отрывается.