XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование различных конструктивных схем космических ракет на основе ракетомоделирования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дмитриев Г.К. 1

---

1Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 212 Фрунзенского района Санкт-Петербурга

Гарезин С.П. 1Андреева О.С. 2

---

1Государственное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение Санкт-Петербургский городской Дворец творчества юных

2ГБОУ СОШ №212

Работа в формате PDF

329 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования – эффективность различных конструктивных схем космических ракет.

Предмет исследования – высота полёта моделей ракет различных конструктивных схем.

Цель работы – изучение конструктивных особенностей схем компоновки ракет-носителей для дальнейшего улучшения полетных характеристик ракет.

Задачи исследования:

• изучить историю отечественного ракетостроения;

• изучить основы проектирования ракет;

• исследовать особенности ракет различных схем;

• провести практическое исследование ракет различных схем
  на примере моделей ракет.

В сентябре 2022 года я начал заниматься в Детском Космическом Бюро «Метеор» Санкт-Петербургского Дворца творчества юных по программе «Основы ракетно-космического моделирования».

В течение 1,5 месяцев в соответствии с программой я создал свою первую спортивную ракету, запуск которой состоялся 16.10.2022 г. на соревнованиях «Первая ракета». Я занял 10 место, но этот результат не удовлетворил меня, и я стал искать способы улучшения полетных характеристик ракеты.

В ходе изучения проблемы я вышел за рамки спортивного моделирования, потому что в спортивном моделировании четко определены требования к моделям и высокого результата можно добиться, только повышая качество изготовления модели, и перешёл в разряд технического творчества. Поэтому в соревнованиях изготовленные в ходе данного эксперимента модели ракет участвовать не будут, а сам эксперимент носит познавательный характер.

Работа ведется в СПбГДТЮ в ДКБ «Метеор» под руководством Гарезина Сергея Павловича. Консультативную помощь оказывают студенты и аспиранты БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

1. История отечественного ракетостроения

Своим рождением ракеты обязаны изобретению пороха. Но сначала ракеты служили лишь для фейерверков. Потом они нашли применение и в военном деле. Это были стрелы с бумажными гильзами, заправленными порохом.

Основы полета ракет были научно обоснованы после 1687 года; когда
И. Ньютон сформулировал третий закон механики. Тогда и стал понятен принцип реактивного движения.

В России большой вклад в развитие ракетной техники внесли
А.Д. Засядко и К.И. Константинов. Однако с появлением нарезного оружия (середина Х1Х века) боевые ракеты потеряли свое значение.

Немного позже появились проекты летательных аппаратов (ЛА) с использованием ракеты в качестве двигателя. Одним из первых идею применения ракетного двигателя для космических полетов высказал
Н.И. Кибальчич. В 1881 году он разработал «Проект воздухоплавательного прибора». В основе работы этого прибора был заложен ракетно-динамический принцип.

На рубеже Х1Х-ХХ вв. русские ученые создали теорию реактивного движения. Весомый вклад в ее разработку внесли Н.Е. Жуковский и
И.В. Мещерский.

Неоценим вклад в развитие теории ракет и ракетного движения
К.Э. Циолковского. Он первым в 1883 году высказал мысль о возможности использования реактивного движения для создания космических летательных аппаратов. А его книга «Исследование мировых пространств реактивными приборами», вышедшая в 1903 году, определила пути развития ракетостроения и космонавтики. [1]

Пионерами развития отечественной ракетной техники считаются
Ф.А. Цандер и Ю.В. Кондратюк.

«09» - первая советская жидкостная ракета конструкции профессора М.К. Тихонравова стартовала 17 августа 1933 года. Работой по ее созданию руководил С.П. Королев, будущий академик, главный конструктор ракетно-космических систем. Стартовая масса ракеты «09» была 19 кг, длина – 2,4м, масса топлива – 5 кг. Двигатель ОР-2 конструкции Ф.А. Цандера работал на жидком кислороде и твердом (желеобразном) бензине, развивал тягу 50 кг. При первом полете «09» достигла высоты около 400 м.

Первые достижения в истории освоения космоса связаны с именем
С.П. Королева, под руководством которого были созданы геофизические и баллистические ракеты, ракеты-носители и пилотируемые космические корабли.

4 октября 1957 года в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. Серия полетов кораблей-спутников позволила приобрести достаточный опыт для осуществления полета человека в космос и его возвращения на землю.

12 апреля 1961 года гражданин СССР Ю.А. Гагарин на космическом корабле «Восток» совершил исторический полет вокруг земного шара. «Восток» был выведен на орбиту мощной ракетой-носителем.

Дальнейшее развитие отечественной ракетно-космической техники позволило побывать в космосе многим космонавтам, послать автоматические станции к Луне, Венере и Марсу, выйти в открытый космос.

2. Основы проектирования ракет

1. 1. Основные силы, действующие на ракету

Основные силы, действующие на ракету в полете:

1. Тяга двигателя

2. При движении в атмосфере - лобовое сопротивление (сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах)

3. Подъемная сила (сила, действующая на летательный аппарат, образующаяся в результате несимметричности обтекания аппарата)

4. Сила тяжести (сила, действующая на любое физическое тело вблизи поверхности Земли)

10 мая 1897 года К.Э. Циолковским на основании исследований ряда задач реактивного движения, где определялась скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил была получена конечная зависимость, названная «формулой Циолковского»

,

где U – скорость истечения продуктов сгорания из сопла реактивного двигателя, M₀ – начальная (стартовая) масса ракеты, M_k – конечная (без топлива) масса ракеты после завершения работы двигателя на активном участке траектории.

Отношение этих масс М₀/М_k, входящее в формулу, называется числом Циолковского и косвенно характеризует массу топлива, израсходованного на разгон ракеты. Понятно, что чем больше «число Циолковского», тем большую скорость разовьёт ракета, а значит и дальше пролетит (при прочих равных условиях).

С помощью формулы можно оценить возможности ракеты, которые обусловлены удельным импульсом ее реактивного двигателя и общим совершенством конструкции, определяющим оптимальное соотношение начальной и конечной массы. [1]

1. 2. Основные элементы конструкции ракет

Ракета – ЛА тяжелее воздуха, движущийся за счёт реактивной силы, возникающей при отбрасывании части собственной массы (истекающей из двигателей струи газов, образованных при сгорании топлива).

Основными частями управляемой ракеты являются несущая конструкция (корпус), двигатели и их системы, системы подачи топлива, управления движением, терморегулирования, энергопитания.

Корпус ракеты соединяет все части в единую конструкцию, разбит на отсеки: приборный, двигательный и т.д. Внутри размещается аппаратура, снаружи крепятся стабилизаторы и др. элементы.

Двигатель – важнейшая составная часть ракеты – создает силу тяги, тем самым обеспечивает ее движение. В зависимости от применяемого топлива различают жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (РДТТ) ракетные двигатели.

Полезный груз – объект для проведения исследования или других работ – размещается в головном отсеке и закрывается головным обтекателем.

1. 3. Классификация ракет

Сегодня ракеты различают:

• по числу ступеней (одноступенчатые и многоступенчатые),

• по способу соединения ступеней (схема с последовательным (поперечным) делением, параллельным (пакетным) и комбинированным соединением),

• по принципу полета (аэродинамические, баллистические и космические),

• по наличию несущих плоскостей (крылатые и бескрылые),

• по способу управления (управляемые и неуправляемые),

• по назначению (метеорологические, геофизические, сигнальные, боевые и др.)

3. Исследование особенностей ракет различных схем

1. 1. Одноступенчатая ракета

Рисунок 1 – Разрез типовой одноступенчатой ракеты

На рисунке 1 показан разрез типовой одноступенчатой ракеты. Помимо баков с топливом на ракете имеются двигатели, органы и системы управления, полезный груз, конструктивные элементы и дополнительное оборудование. Поэтому конечная масса ракеты не может быть во много раз меньше ее начальной массы. Например, немецкая ракета V-2 имела массу без топлива 3,9т, а с топливом – 12,9т. «Число Циолковского» этой ракеты было равно: 12,9:3,9=3,31. на современном уровне развития ракетостроения это отношение у ракет достигает 5-7.

Идеальная скорость одноступенчатой ракеты приблизительно равна 5 км/сек. Однако ее фактическая скорость будет меньше, т.к. двигатель расходует свою энергию не только на разгон ракеты, но и на преодоление сопротивления воздуха, на преодоление силы земного притяжения. Фактическая скорость ракеты составит 75-80% от идеальной. Значит ракета будет иметь начальную скорость около 4 км/сек.

Для создания межконтинентальных баллистических ракет, запуска искусственных спутников Земли и космических кораблей, посылки космических ракет на Луну и иные планеты необходимо сообщить ракете-носителю скорость не менее 7 км/сек.

Первая космическая скорость, которую необходимо сообщить ракете, чтобы она могла стать спутником Земли, равна 8 км/сек.

Для выхода из поля притяжения Земли ракету надо разогнать до второй космической скорости – 11,2 км/сек, для облета Луны (без возвращения на Землю) – 12 км/сек, облета Марса без возвращения на Землю – 14 км/сек, а с возвращением на орбиту вокруг Земли – около 27 км/сек.

Увеличение скорости ракеты требует расходования большего количества топлива на разгон.

Для того, чтобы разогнать 1 кг груза до идеальной скорости, равной 12 км/сек, надо разместить в ракете 54 кг топлива, что невозможно, т.к. самый простой, но достаточно прочный бак для такого количества топлива будет весить значительно больше 1 кг. [1, 2]

1. 2. Многоступенчатая ракета

К.Э. Циолковский нашел другой путь, позволяющий решить такую трудную задачу, как достижение ракетой тех скоростей, которые сегодня требуются практикой. Этот путь – создание многоступенчатых ракет.

Типовая многоступенчатая ракета состоит из полезного груза и нескольких отделяемых ступеней с силовой установкой и запасом топлива в каждой. Двигатель первой ступени сообщает полезному грузу, а также второй и третьей (при наличии) ступеням скорость V1. После расходования топлива первая ступень отделяется от остальной части ракеты и падает на землю, а на ракете включается двигатель следующей ступени. Под действием его тяги оставшаяся часть ракеты приобретает дополнительную скорость V2. [3]

Таким образом, в многоступенчатой ракете полезный груз разгоняется многократно. Полная идеальная скорость будет равна сумме идеальных скоростей, полученных от каждой ступени: у двуступенчатой ракеты:

Vид. =V1+V2;

у трехступенчатой ракеты:

Vид. =V1+V2+V3

1. 1. 1. С поперечным делением (с последовательным соединением «Тандем»)

При поперечном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема дает возможность создавать системы с любым количеством ступеней. Недостаток ее – ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей. Примером такой компоновки в ракетостроении является ракета-носитель «Сатурн – 5».

Рисунок 2 – Многоступенчатая ракета схемы «Тандем»

1. 1. 2. С параллельным делением (с продольным соединением блоков «Пакет»)

При продольном разделении первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (от 2 до 8), работающих одновременно и располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателем первой, увеличивая тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда масса ракеты максимальна. Но ракета с параллельным разделением может быть только двуступенчатой. [4] Примером такой компоновки в отечественном ракетостроении является серия ракет-носителей «Р-7».

Рисунок 3 – Многоступенчатая ракета схемы «Пакет»

1. 1. 3. С комбинированным соединением

Продольно-поперечная схема позволяет совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно. Примером такой компоновки в отечественном ракетостроении является серия ракет-носителей «Союз».

Рисунок 4 – Многоступенчатая ракета комбинированной схемы

1. 3. Сравнение ракет различных схем

Таблица 1 – Сравнение ракет различных схем

Таким образом из приведенной выше таблицы видно, что самой эффективной является комбинированная схема компоновки, т.к. ракета-носитель развивает максимальную стартовую скорость за счёт одновременного запуска нескольких двигателей, а также второй и последующим ступеням придаётся дополнительное ускорение при последовательном срабатывании их двигателей.

Но выбор той или иной схемы должен происходить в соответствии с конкретной поставленной задачей, учитывая дальность полета и массу полезного груза.

4. Практическое исследование ракет различных схем на примере моделей ракет

1. 1. Конструкция модели ракеты

Модель ракеты – модель, поднимающаяся в воздух без использования аэродинамической подъемной силы для преодоления земного тяготения. Приводится в движение двигателем, имеет устройство для безопасного возвращения на землю.

Основные части модели ракеты: головной обтекатель, парашют, корпус, хвостовое оперение (стабилизаторы) и двигатель. К вспомогательным элементам можно отнести направляющие кольца, которые служат для удержания модели на нужной траектории при старте. [5]

Рисунок 5 – Конструкция модели ракеты

1 – головной обтекатель, 2 –амортизатор, 3 –корпус, 4 – парашютный линь, 5 –парашют, 6 – направляющие кольца, 7 –стабилизаторы, 8 - двигатель

Корпус модели ракеты (3) представляет собой тело вращения, его форма может быть различной. Основной материал – плотная бумага.

Стабилизаторы (7) обеспечивают необходимую устойчивость модели при полете, материал – фанера, липовый шпон, пенопласт, плотная бумага.

Парашют (5) – устройство для безопасного спуска модели на землю. Делают парашют из тонкой бумаги, шелка и лавсановой пленки. Для некоторых моделей применяют тормозную ленту.

Головной обтекатель (1) – элемент модели, придающий ей обтекаемую форму, выполненный из дерева, плотного пенопласта.

Модельный ракетный двигатель (МРД) (8) служит для создания тяги (движущей силы) и раскрытия систем спасения модели (парашюта или тормозной ленты). Для моделей ракет применяют только двигатели твердого топлива.

1. 2. Создание моделей ракет различных конструктивных схем

Для создания всех моделей использована чертежная бумага в качестве основного материала. Для элементов центрального блока потребуется бумага толщиной 25 мкм, для боковых – 15 мкм. Склейка производится казеиновым клеем, после чего шов зачищается мелкой наждачной бумагой и покрывается нитроклеем. В качестве механизма разделения ступеней планируется использовать устройство А. Клочкова, состоящее из таймера, насаженного на его вал червяка – архимедовой спирали, рычагов, передающих усилие, и тяг. Для центральных блоков использованы МРД-20-10-7, для боковых – МРД-5-3-0. [6]

Для определения максимальной высоты взлёта ракеты в центральном блоке установлены датчики измерения высоты и секундомер, считающий время полета ракеты до начала снижения.

Модель ракеты-носителя типа «Восток» с пакетной схемой компоновки

Ракета состоит из четырех боковых блоков, центрального блока (второй ступени), головного обтекателя, системы спасения.

Использован один механизм разделения.

Для одновременного воспламенения всех пяти двигателей используется пирокрест «паук».

Модель ракеты-носителя типа «Сатурн» с тандемной схемой компоновки

Ракета состоит из двух центральных блоков, головного обтекателя, системы спасения. Использован один механизм разделения.

Модель ракеты-носителя типа «Союз» с комбинированной схемой компоновки

Ракета состоит из четырех боковых блоков, двух центральных, установленных последовательно друг на друга, блоков (второй и третьей ступени), головного обтекателя, системы спасения.

При данной компоновке датчик измерения высоты и секундомер установлены в третьей ступени.

В этой модели использованы два механизма разделения.

Для одновременного воспламенения всех пяти двигателей используется пирокрест «паук».

Для того, чтобы сумма тяг всех двигателей на всех типах моделей ракет была равной (40 Н), в данной компоновке использованы в центральных блоках МРД-10-0 и МРД-10-5.

1. 3. Описание эксперимента

Запуск моделей проводится на специально подготовленной площадке под руководством педагога СПбГДТЮ, руководителя ДКБ «Метеор» С.П. Гарезина.

Цель эксперимента – определить наиболее эффективную схему компоновки ракеты-носителя.

В ходе эксперимента измерены максимальная высота полёта и время достижения этой высоты.

1. 4. Результаты эксперимента

В экспериментальных запусках использованы модели ракет схем «Пакет», «Тандем» и комбинированной, созданные мною в ДКБ «Метеор».

Каждая ракета была запущена трижды. Результаты зафиксированы в таблице.

где t - время нахождения ракеты в воздухе;

Р – стартовый вес ракеты;

h 1 –высота полета на активном участке;

h 2 –высота полета на пассивном участке;

Н – общая высота полета ракеты.

Таблица 2 – Ракета с параллельным делением («Пакет»)

По результатам успешных стартов ракеты с параллельным делением средняя высота полета равна: (390+345):2=367,5 м.

Таблица 3 – Ракета с последовательным делением («Тандем»)

По результатам успешных стартов ракеты с последовательным делением средняя высота полета равна: (366+328):2=347 м.

Таблица 4 – Ракета с комбинированной компоновкой

По результатам успешных стартов ракеты с последовательным делением средняя высота полета равна: (498+462+565):3=508,3 м.

По итогам испытательных запусков ракет различных схем наилучший результат (наибольшую среднюю высоту) показала ракета комбинированной схемы компоновки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Космонавтика в настоящее время – активно развивающееся направление в научной и технической сфере. Ученые и конструкторы изучают различные возможности вывода космических ракет на орбиту, используя наименьшее количество ресурсов.

В данной работе я рассмотрел компоновочные схемы ракеты-носителя. На основании изученных материалов я сделал вывод, что наиболее эффективной для вывода на околоземную орбиту считается комбинированная компоновка ракеты-носителя. сочетающая в себе все достоинства схемы «Тандем» и схемы «Пакет».

После проведения мною эксперимента по запуску ракет всех трех схем компоновки я подтвердил этот теоретический вывод.

Далее практическим путем на основе моделирования я планирую продолжить поиск конструктивных усовершенствований ракет-носителей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Проклятье Циолковского и благодать Оберта . — Текст : электронный // : [сайт]. — URL: https://habr.com/ru/articles/536618/

2. Проклятье одноступенчатых ракет: Почему все ракеты – многоступенчатые? — Текст : электронный // : [сайт]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=7VPi3NM4_BQ 

3. Конструктивные схемы многоступенчатых ракет . — Текст : электронный // : [сайт]. — URL: https://lektsii.org/13-76780.html

4. Пакетная схема. — Текст : электронный // : [сайт]. — URL: https://document.wikireading.ru/12015

5. Волоцуев В. В. Введение в проектирование космических аппаратов: учеб. пособие / В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко. – Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. – 144 с.: ил. ISBN 978-5-7883-1316-0

6. Рожков В. С. Космодром на столе. – М.: Машиностроение, 1999. –
   144 с.: ил. ISBN 5-217-01379-6

7. ГОСТ 7.32-2017. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу Отчёт о научно-исследовательской работе Структура и правила оформления. - М., 2017. – 33 с.