Разгонный блок с маршевой двигательной установкой, работающей на кислороде и метане, с топливными баками из композитов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетнеескцие чтения. 2015

УДК 629.78

РАЗГОННЫЙ БЛОК С МАРШЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ, РАБОТАЮЩЕЙ НА КИСЛОРОДЕ И МЕТАНЕ, С ТОПЛИВНЫМИ БАКАМИ ИЗ КОМПОЗИТОВ

М. Д. Евтифьев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

На открытых материалах проводится анализ возможности создания разгонного блока с маршевой двигательной установкой, работающей на компонентах топлива жидкий кислород и метан, с топливными баками из композитов. Такой вариант разгонного блока имеет в настоящее время очень хорошие перспективы.

Ключевые слова: разгонный блок, жидкий кислород, метан, маршевая двигательная установка, жидкостный ракетный двигатель, композиты.

THE UPPER STAGE ROCKET WITH SERVICE PROPULSION SYSTEM WORKING ON OXYGEN AND METHANE, WITH FUEL TANKS OF COMPOSITES

M. D. Evtifiev

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. Е-mail: [email protected]

We analyse the ability to design the upper stage rocket with service propulsion system using such propellant components as liquid oxygen and methane, with fuel tanks of composites. Such version of the upper stage rocket has very good prospects now. The research contains non-secret materials only.

Keywords: the upper stage rocket, liquid oxygen, methane, a service propulsion system, a liquid rocket engine, composites.

Топливо, состоящее из жидких компонентов «кислород и метан», сегодня рассматривается как очень перспективное для ракет-носителей и разгонных блоков. Это топливо не имеет серьезных недостатков, какие есть у использующихся в настоящее время топлив.

По результатам сравнения физико-химических свойств топлив делаем вывод, что метан может быть использован в качестве ракетного горючего для жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) маршевой двигательной установки (МДУ) разгонного блока (РБ).

По энергетическим показателям в частности, по удельной тяге топливная пара «кислород + метан» обеспечивает существенно лучшую удельную тягу, чем «кислород + керосин» и «азотный тетроксид + + несимметричный деметилгидразин (НДМГ)», но меньшую чем «кислород + водород». Плотность метана почти в 6 раз больше плотности водорода, но меньше, чем у НДМГ, в 1,88 раз и меньше, чем у керосина, в 1,95 раз. При этом стоимость метана ниже стоимости керосина [3].

Кроме того, метан является экологически чистым компонентом и имеет неограниченную сырьевую и производственную базу. Охлаждающая способность метана почти в 3 раза лучше охлаждающей способности керосина и НДМГ. В связи с этим упрощается отработка метанового ЖРД, и для этого можно ис-

пользовать существующую производственную и экспериментальную базу.

Технология изготовления маршевой двигательной установки (МДУ), работающей на кислороде и метане, ничем не отличается от технологии изготовления аналогичной для кислорода и керосина, при этом не требуется никакого специального оборудования и квалификации уже существующих кадров производственников и технологов. При этом требования к изготовлению этой МДУ могут быть менее строгими из-за менее напряженных параметров двигателя [3].

Оценка эксплуатируемых в настоящее время разгонных блоков по тактико-техническим и экономическим характеристикам [1; 2], позволяет отметить, что по основным энергетическим характеристикам РБ с метаном выглядит более привлекательным, чем РБ с НДМГ и с керосином, но уступает РБ с жидким водородом по удельному импульсу [1; 2]. Однако стоимость производства жидкого водорода намного выше, чем жидкого метана. Нами был выбран для МДУ РБ метановый ЖРД РД-0146ДМ, создаваемый в отечественном конструкторском бюро «Химавтоматика». После сравнения выбранного ЖРД по техническим характеристикам с наиболее часто применяемыми двигателями на разгонных блоках были построены диаграммы. Одна из диаграмм приведена ниже (сравнение удельного импульса МДУ предлагаемого РБ и рассматриваемых МДУ) (см. рисунок).

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

111!

Сравнение удельных импульсов существующих МДУ РБ с МДУ предлагаемого РБ, работающего на метане

Кроме этого, были проанализированы возможности использования в конструкции топливных баков РБ композитов, которые упрочняют и в то же время облегчают конструкцию. На оболочку из алюминиевого сплава АМг-6, меньшей, чем обычная, толщины мысленно наматывали композитный материал. Причем намотку композита на оболочку из АМг-6 можно осуществлять на уже разработанных и известных приспособлениях. Из теоретических расчетов в конечном результате получается облегчение конструкции РБ минимум на 30 % от начальной конструкции РБ с МДУ, работающей на метане, состоящей из традиционного материала.

Из предыдущих анализов и расчетов делается вывод, что предлагаемый РБ с МДУ, работающей на кислороде и метане, с баками из композита может успешно конкурировать по энергетическим, габаритным и экономическим показателям с ныне существующими разгонными блоками на компонентах АТ+НДМГ, кислород + керосин и кислород + водород и выполнять те же функции. При этом выведение космических аппаратов на геостационарную (ГСО) и геопереходную (ГПО) орбиты с помощью предлагаемого РБ будет гораздо выгодней с экономической точки зрения, потому что на Земле имеются огромные запасы метана, а стоимость этого горючего ниже, чем находящихся сегодня в эксплуатации горючих. Известно, что получение жидкого водорода требует большой энергии, керосин, используемый на сегодняшний день, является смешением композиций, которые добываются из нескольких скважин, а метан добывают из скважин, очищают и делают жидким. Причем эксплуатация метана не будет такой опасной, как НДМГ. Конструкция топливных баков РБ будет меньше по массе и габаритам, при этом прочность увеличится в несколько раз.

Для приближения к действительности и получения конкретного результата при анализе возможностей создания нужного нам РБ были заданы следующие исходные данные: Ин = 200 км - высота начальной орбиты; Ик = 35 809 км - высота конечной орбиты; тпг = 4 000 кг - масса космического аппарата; Д/ = 51,6° - наклонение начальной орбиты от ГСО; ^д = 3 550 м/с - удельный импульс МДУ. По этим данным и были проведены баллистический и прочно-стный расчеты и выбрана компоновочная схема, ко-

торая незначительно отличается от схем реально эксплуатируемых РБ. В конструкции баков используется совмещенная схема с межбаковой перегородкой, что облегчает нанесение слоя композита на стенки баков и не нарушает их целостность. Разгонный блок с МДУ, работающей на жидких кислороде и метане и с композитными баками, реально еще не существует, однако некоторые проработки возможностей создания такого РБ дают право говорить о реальности его создания уже в ближайшее время, так как создание такого РБ, использующего метан в качестве горючего и композиты в конструкции баков, обеспечивает нашей стране целый ряд преимуществ и выгод (в первую очередь экономических) по выведению полезных нагрузок на ГСО и ГПО.

Библиографические ссылки

1. Современные отечественные ракеты-носители. Ракетно-космическая техника : учеб. пособие / М. Д. Евтифьев, Л. А. Ковригин, В. В. Кольга, Л. Н. Лебедева, В. В. Филатов ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 144 с.

2. Современные ракеты-носители зарубежных стран. Ракетно-космическая техника : учеб. пособие / М. Д. Евтифьев, Л. А. Ковригин, В. В. Кольга, Л. Н. Лебедева, В. В. Филатов ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2010. 276 с.

3. Химмотология ракетных и реактивных топлив / А. А. Братков, Е. П. Серегин, А. Ф. Гуренков и др. ; под ред. А. А. Браткова. М. : Химия, 1987. 304 с.

References

1. Modern domestic launch vehicles. Rocket and space technology: Proc. manual / M. D. Evtifiev, L. A. Kovrigin, V. V. Kolga, L. N. Lebedev, V. V. Filatov; SibSAU. Krasnoyarsk, 2005. 144 p.

2. Modern launch vehicles foreign countries. Rocket and space technology: Proc. manual / M. D. Evtifiev, L. A. Kovrigin, V. V. Kolga, L. N. Lebedev, V. C. Filatov ; SibSAU. Krasnoyarsk, 2010. 276 p.

3. Chimmotologie rocket and jet fuels / A. A. Bratkov, E. P. Seregin, A. F. Gurenkov and others, Ed. by A. A. Bratkov. M. : Chemistry, 1987. 304 p.

© Евтифьев М. Д., 2015