Эффективность функционирования ракетно-космических систем

Техническая эффективность ракетно-космической системы характеризуется относительной массой полезного груза m_к, которая определяется как отношение массы полезного груза m _пг к стартовой массе m _ст

m_к = m_пг/m_ст.

Одним из способов повышения технической эффективности ракетно-космической системы связан с использованием материалов с высокой удельной прочностью (s_в/g), удельной жесткостью (Е/g) и малыми запасами прочности при рабочих нагрузках и температурах, где s_в, Е, g -временное сопротивление, модуль упругости и плотность материала. Другой способ повышения технической эффективности заключается в снижении стартовой массы за счет отделения пассивных масс отработавших частей ракеты. При блочной структуре ракетно-космической системы обеспечивается удобство отделения пассивных масс. При дискретном отбросе пассивных масс оставшаяся масса ракетно-космической системы является условной массой полезного груза.

Техническая эффективность m_к современных ракетно-космической системы изменяется в пределах от 0,0072 до 0,0465 и возрастает с увеличением стартовой массы.

Конструктивное совершенство ракетного блока характеризуется коэффициентом _к, представляющим отношение пассивной массы ракетно-космической системы m _п к ее активной массе (массе топлива) m _т:

_к = m _п/ m _т.

В активную массу включают массу рабочего запаса топлива, а в пассивную помимо массы конструкции – массу остатков не использованного топлива и газов наддува.

Масса (вес) элементов конструкции зависит от следующих факторов:

– формы и размеров элементов конструкции.

– нагрузок, действующих на элементы конструкции;

– плотности и прочности материалов, из которых они изготовлены,

Конструктивное совершенство достигается оптимальным разбиением ракетно-космической системы на ракетные блоки, совмещением функций элементов конструкции, проектированием элементов конструкции с минимальными запасами прочности.

Эффективность функционирования ракетно-космической системы определяется вероятностью выполнения поставленных перед системой задач. Эффективность зависит от надежности работы составных частей конструкции, точности их параметров, живучести и безопасности.

Точность параметров движения ракетно-космической системы на всех участках траектории характеризуется:

– точностью величин активной, пассивной масс и массы полезного груза;

– точностью объемов топливных емкостей;

– точностью инерционно-массовых характеристик (масса, положение центра масс, величина и компоненты тензора инерции блоков и т.п.);

– точностью геометрических параметров аэродинамических поверхностей;

– точностью формирования управляющих команд и работы исполнительных механизмов системы управления;

– точностью измерений параметров движения ракетно-космической системы по траектории.

Точность геометрических параметров элементов конструкции ракетно-космической системы достигается применением в их производстве специальных методов обеспечения взаимозаменяемости.

Надежность ракетно-космической системы обеспечивает сохранение способности к выполнению поставленных задач при заданных условиях эксплуатации, охватывающих этапы хранения, регламентных проверок, подготовки и проведения пусков, функционирования в полете и т.п.Надежность создается резервированием элементов ракетной техники и технологическими методами.

Живучесть ракетно-космической системы обеспечивается своевременным прерыванием работы ее отдельных элементов при возникновении аварийных ситуаций как в процессе подготовки к пуску, так и в полете. После устранения причин система допускает повторное включение элементов в работу.

Безопасность обеспечивается недопущением тяжелых экономических и экологических последствий в результате аварий, сопровождающихся взрывами огромной мощности. При подготовке к старту и в процессе эксплуатации безопасность ракетно-космической системы обеспечивается автоматизацией процессов подготовки к пуску, а в полете - элементами конструкции, обеспечивающими спасение экипажа и полезного груза на всех участках траектории. Безопасность во многом зависит от надежности ракетно-космической системы.

Энергетическое совершенство двигательных установок ракетно-космической системы характеризуется удельным импульсом Р_УД, представляющим отношение развиваемой тяги на единицу массы топлива, расходуемого в единицу времени.

Энергетическое совершенство зависит от теплотворной способности топлива, полноты сгорания, давления и температуры в камере сгоранияи степени расширения продуктов сгорания топлив в соплах ракетных двигателей.

Экономическая эффективность ракетно-космической системы характеризуется стоимостью доставки 1 кг массы полезного груза на околоземную орбиту. В настоящее время эта стоимость, в самом лучшем случае, не меньше 1500 долларов США за 1 кг массы полезного груза, доставляемого на низкую опорную орбиту высотой 170…200 км над поверхностью Земли. Все ракетно-космические системыпо грузоподъемности (по массе полезного груза, выводимого на такую орбиту) делятся на 4 класса: легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые

Таблица 1 Классификация ракетно-космических систем по грузоподъемности.

Класс грузоподъемности ракетно-космической системы,	Грузоподъемность ракетно-космической системы, т	Стартовая масса, т
Легкие	до 10	до 300
Средние	11-50	370…1200
Тяжелые	51-150	1200…3300
Сверхтяжелые	Свыше 150	Свыше 3300

Ракетно-космические системы и их подсистемы разделяют на одноразовые и многоразовые. Ресурс одноразовых ракетно-космических систем исчисляется сотнями секунд. Ресурс космических станций исчисляется годами непрерывной работы.

На рис.8 представлены типовые компоновки современных ракетно-космических систем, а также перспективные отечественные ракетно-космические системы, производство которых будет развиваться в обозримое время.

а б в г

Рис. 2.8. Современные типы ракетно-космических систем:
а– Ямал-Аврора; б–Протон-М; в– Зенит-SL; г– Титан IIIЕ

Легендарная «семерка», открывшая дорогу в космос, стала основой для более совершенной и безопасной ракетно-космической системы «Ямал-Аврора», работающей на топливных компонентах керосине и жидком кислороде. Оригинальная компоновка этой ракеты не была повторена ни в одной из последующих отечественных или зарубежных ракетно-космических систем.

Ракетно-космическая система «Протон–М» представляет собой модернизацию самой грузоподъемной отечественной ракетно-космической системы «Протон». В ней на всех четырех ступенях используют одни и те же компоненты топлива с большим удельным весом, что позволяет существенно уменьшить габариты ракетно-космической системы при той же полезной нагрузке. Эта ракетно-космическая система, как и «Ямал-Аврора», имеет оригинальную компоновку.

Экологически безопасная ракетно-космическая система «Зенит-SL» (разработка украинских ученых) на компонентах топлива керосине и жидком кислороде, решена в классической, последовательной компоновке элементов и предназначенная для старта с морской платформы, расположенной у экватора, что дает преимущества в массе выводимого полезного груза на высокие геостационарные орбиты.

Компоновка ракетно-космической системы «Титан-IIIЕ» (США) с твердотопливными ускорителями неоднократно повторялась во многих последующих зарубежных ракетно-космических системах.