Требования к двигательным установкам

Эффективность использования ДУ в составе ЛА возрастает с увеличением значения обеспечиваемой ею характеристической скорости. Указанную скорость можно определить по известному уравнению Циолковского: ( ). Характеристическая скорость прямо пропорциональна удельному импульсу тяги в пустоте и натуральному логарифму отношения начальной и конечной (после выключения двигателя) масс ЛА. Следовательно, при проектировании ДУ требуется:

1. В первую очередь обеспечить возможно большее значение удельного импульса тяги. Снижение массы сухой ДУ (она в основном определяет конечную массу ЛА) также важно, но оно менее эффективно, так как отношение масс в уравнении Циолковского стоит под знаком логарифма.

У современных ракет относительная масса топлива достигает 90 % ее начальной массы, т. е. на полезную нагрузку, массу баков, двигателя и других элементов ДУ приходится только 10 % стартовой массы ракеты. Э.К. Циолковский нашел гениальное решение, казалось неразрешимой задачи – организовать полет так, чтобы уже в полете освобождаться от тех частей ракеты, которые стали ненужными. Ракета должна состоять из ряда связанных самостоятельных ракет, т. е. должна быть многоступенчатой. Для многоступенчатой ракеты формула Циолковского примет вид

(3.1)
где n – число ступеней ракеты.

Таким образом, весьма эффективным способом получения больших значений скоростей является применение многоступенчатой ракеты. Многоступенчатые ракеты подразделяют на ракеты с поперечным и продольным делением ступеней (рис. 3.1).

а) б)

Рис. 3.1. Схемы двухступенчатых ракет:

а - с поперечным делением; б – с продольным делением; 1 – пироболты (разрывные) для разделения ступеней

Советская трехступенчатая ракета-носитель “Восток” имеет продольное деление первой и второй ступеней и поперечное деление второй и третьей ступеней.

2) возможно меньшая стоимость разработки. Указанная стоимость взначительной степени определяется стоимостью изготовления ДУ (т.е. стоимостью конструкционных материалов, затратами на разработку технологий,оснащение производства технологическим оборудованием и на собственно изготовление, сборку и контроль качества), а также стоимостью испытания ракетной системы.

3) эксплуатация двигателя должна быть безопасной и по возможности несложной, а его конструкция – простой по технологии изготовления и дешевой.

К двигателям боевых ЛА, кроме перечисленных выше требований, предъявляются еще следующие требования: пуск двигателя должен производиться в течение короткого промежутка времени, а хранение аппарата с двигателем, подготовленным к пуску (заправленным), должно быть достаточно длительным.

К двигателям космических аппаратов предъявляются дополнительные требования, вытекающие из специфики их работы в условиях разреженной среды (вакууме) и невесомости.

Определенные требования к двигателям, зависящие от их назначения, предъявляются и в области регулирования параметров, автоматизации работы и контроля.

Одновременно выполнить все требования на одинаково высоком уровне обычно невозможно, так как эти требования часто противоречивы. Например, чтобы выполнить первое из основных требований к двигателям – увеличить удельный импульс, необходимо повышать давление во всех элементах двигателя и применять топлива неудобные в обращении. Но, повышая давление и используя топлива с плохими эксплуатационными качествами, трудно обеспечить высокую надежность и простую эксплуатацию двигателя.

В зависимости от назначения двигателя и условий его работы в каждом конкретном случае определяются наиболее важные требования, которые и выполняются в первую очередь.