Сравнительный анализ масс двигательных установок для малого разгонного блока

Аннотация

Рассмотрена одна из задач проектирования малого разгонного блока, предназначенного для оказания периферийных пусковых услуг в ходе кластерного запуска спутников на ракете-носителе среднего или тяжелого класса. Выполнено сравнение по критерию минимума массы двух типов маршевых двигательных установок малого разгонного блока на химическом топливе, использующих самовытесняемые газообразные компоненты и жидкие компоненты, вытесняемые газом наддува. Рассмотрены упрощенные аналитические математические модели массы, учитывающие особенности приведенных двигательных установок. Исследована разность масс установок, отнесенная к полной массе разгонного блока. Проанализированы различные сочетания компонентов топлива и значения удельного импульса ракетного двигателя. Показано, что использование на малом разгонном блоке двигателя на газообразных компонентах при малых запасах характеристической скорости разгонного блока обеспечивает выигрыш по массе двигательной установки. В абсолютном выражении выигрыш по массе оказывается незначительным --- примерно 5 % стартовой массы разгонного блока. Таким образом, при выборе двигателя для малого разгонного блока необходимо учитывать такие характеристики двигательной установки, как экологичность компонентов топлива, стоимость разработки и эксплуатации, надежность

Работа выполнена в рамках реализации Программы развития передовой инженерной школы "Системная инженерия ракетно-космической техники" МГТУ им. Н.Э. Баумана

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Щеглов Г.А., Шаповалов А.В. Сравнительный анализ масс двигательных установок для малого разгонного блока. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2024, № 2 (149), c. 134--157. EDN: TJLHSA

Литература

[1] Kulu E. In-space economy in 2023 --- statistical overview and trends. IAC, 2023, paper IAC-23-D3.3.10.

[2] Лопота В.А., Ермаков П.Н., Фролов И.В. Перспективы развития автоматических космических систем и космических аппаратов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2011, № 1 (82), с. 5--16.

[3] Williams C., Doncaster B., Shulman J. Nano/microsatellite market forecast. Atlanta, SpaceWorks Enterprises, 2018.

[4] Щеглов Г.А., Шаповалов А.В. Выбор двигательной установки перспективного малого разгонного блока. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, № 8. DOI: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2022-8-2200

[5] Бечаснов П.М., Ильин А.М. Возможные принципы построения малобюджетной ракеты-носителя сверхлегкого класса. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, № 5. DOI: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2023-5-2271

[6] Pelton J.N., Madry S. Handbook of small satellites. Cham, Springer Nature, 2020.

[7] Carlson R., Fram B., Buckley S. SHERPA: a responsive multi-mission space tug. IEEE Aerospace Conf. Proc., 2004, vol. 1, p. 579. DOI: https://doi.org/10.1109/AERO.2004.1367643

[8] Mori P., Bartolini M., Guerrieri P. In-orbit transportation: the key service for commercial space missions. IAC, 2023, paper 76653.

[9] Fikes A., Gdoutos E., Klezenberg M., et al. The Caltech space solar power demonstration one mission. IEEE WiSEE, 2022, pp. 18--22. DOI: https://doi.org/10.1109/WiSEE49342.2022.9926883

[10] Blondel-Canepari L., Ordonez-Vallesd L., Jasjukevicsb A., et al. Roadmap towards a greener kick-stage propulsion system. IAC, 2022, paper IAC-22-9-D6.2.

[11] Kulu E. Small launchers--2023 industry survey and market analysis. IAC, 2023, paper ID IAC-23-D2.IP.7.

[12] Singh A.K., Nagabhushan S., Gowda S. Conceptual design of a space tug module for small satellites in low earth orbit. IAC, 2022, paper IAC-22,B6,IP,11,x69461.

[13] Najjara A., Devilleb G., Taillandierc J. Prospects for the small satellite market --- focus on access to space. IAC, 2022, paper IAC-22,B4,5,7,x74193.

[14] Рыжикова Т.Н., Старожук Е.А., Шаповалов А.В. и др. Анализ эффективности периферийных пусковых услуг выведения полезных нагрузок малым разгонным блоком "БОТ". Экономика космоса, 2022, т. 1, № 1, с. 46--56. EDN: MQDGWM

[15] Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М., Машиностроение, 1989.

[16] Рыжков В.В., Сулинов А.В. Двигательные установки и ракетные двигатели малой тяги на различных физических принципах для систем управления малых и сверхмалых космических аппаратов. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2018, т. 17, № 4, с. 115--128. DOI: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-4-115-128

[17] Яковлев А.Б. К вопросу о выборе схемы двигательной установки летательного аппарата. Омский научный вестник, 2013, № 1, с. 109--113. EDN: QJIPMT

[18] Воронецкий А.В., Арефьев К.Ю. Анализ области эффективного применения закиси азота в качестве компонента топлива для двигательных установок малых космических аппаратов. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э Баумана, 2012, № 9. URL: http://engineering-science.ru/doc/450400.html

[19] Ворожеева О.А., Ягодников Д.А. Численное исследование влияния режимных параметров на тепловое состояние конструкции ракетного двигателя малой тяги на топливе кислород-метан при работе в импульсном режиме. Инженерный журнал: наука и инновации, 2017, № 1. DOI: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2017-1-1570

[20] Zakirov V., Sweeting M., Erichsen P., et al. Specifics of small satellite propulsion: part 1. Proc. of 15th AIAA/USU Conf. Small Satellites, 2001, paper SSC01-XI-6.

[21] Шаповалов А.В., Щеглов Г.А. Синтез рациональной компоновки малого разгонного блока на газообразных компонентах топлива. Вестник МАИ, 2023, т. 30, № 2, с. 70--77. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=174935

[22] Козлов А.А., Новиков В.Н., Соловьёв Е.В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. М., Машиностроение, 1988.

[23] Бершадский В.А., Соколов Б.А., Туманин Е.Н. Моделирование тепломассообмена в топливном баке при автономных испытаниях системы наддува ракетной двигательной установки. Известия РАН. Энергетика, 2016, № 5, с. 91--97. EDN: WRJCLN

[24] Бордаков В.Н. Теория и расчет рабочего процесса в пневмогидравлических системах. Вестник МАИ, 2009, т. 16, № 1, с. 15--26.

[25] Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. М., Машиностроение, 1976.