RU2595092C1 - Method for payload orbital injection by carrier rocket - Google Patents

Method for payload orbital injection by carrier rocket Download PDF

Info

Publication number
RU2595092C1
RU2595092C1 RU2015131293/11A RU2015131293A RU2595092C1 RU 2595092 C1 RU2595092 C1 RU 2595092C1 RU 2015131293/11 A RU2015131293/11 A RU 2015131293/11A RU 2015131293 A RU2015131293 A RU 2015131293A RU 2595092 C1 RU2595092 C1 RU 2595092C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rocket
central
thrust
engine
engines
Prior art date
Application number
RU2015131293/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Борисович Быковский
Павел Сергеевич Пушкин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "КосмоКурс" (ООО "КосмоКурс")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "КосмоКурс" (ООО "КосмоКурс") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "КосмоКурс" (ООО "КосмоКурс")
Priority to RU2015131293/11A priority Critical patent/RU2595092C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2595092C1 publication Critical patent/RU2595092C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Of Engines (AREA)

Abstract

FIELD: rocket equipment; astronautics.
SUBSTANCE: invention relates to aerospace engineering. Method for payload orbital injection by carrier rocket with a multi-block pack of rocket pods of combined scheme includes multiple stages. At start of carrier rocket, cruise liquid jet propulsion devices (LJPD) of lateral and central rocket units are released at nominal thrust. After carrier rocket achieves longitudinal acceleration, which provides stable position of carrier rocket on trajectory, turning off at least one engine of cruse LJPD of central rocket unit is performed or, it is throttled to below 0.3 of nominal thrust. To disconnect cruse LJPD of lateral rocket units, engine or cruise LJPD of central rocket unit is repeatedly turned on or is throttled to a level above 0.3 of nominal thrust, thrust of which was previously decreased. Separating and releasing lateral rocket units when LJPD of central rocket unit is turned on. Head unit is brought to preset orbit.
EFFECT: increased carrying capacity of operated and created carrier rockets with minimal changes in their design.
9 cl, 9 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может найти применение при создании и модернизации ракетных комплексов различного назначения, включая средства выведения на околоземную орбиту полезных грузов и выведение полезных грузов на суборбитальную баллистическую траекторию.The invention relates to the field of rocket and space technology and can find application in the creation and modernization of missile systems for various purposes, including means of launching payloads into low Earth orbit and launching payloads to a suborbital ballistic trajectory.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известен способ выведения на орбиту полезной нагрузки многофункциональной ракетой-носителем комбинированной схемы с маршевыми ЖРДУ, реализованный в Советском Союзе с использованием ракеты-носителя «Восток», которая применяется для выведения на околоземную орбиту пилотируемых и непилотируемых космических аппаратов (см. Ракеты-носители. В.А. Александров, В.В. Владимиров, Р.Д. Дмитриев, С.О. Осипов; Под общ. ред. проф. С.О. Осипова - М.: Воениздат, 1981, с. 19-22, рис. 1.2). Известный способ включает присоединение в соответствии с программой запуска к центральному ракетному блоку тандемно расположенных разгонного ракетного блока и головного блока с полезной нагрузкой, формирование нижнего полиблочного пакета ракетных блоков присоединением к центральному ракетному блоку боковых ракетных блоков, включение на старте всех маршевых ЖРДУ боковых и центрального ракетных блоков, совместную работу маршевых ЖРДУ центрального и боковых ракетных блоков до выработки топлива боковых ракетных блоков, выключение маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков и отделение боковых ракетных блоков от центрального ракетного блока при продолжении работы маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока до выработки топлива из него, выключение маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, отделение от центрального ракетного блока тандемно расположенных разгонного ракетного блока и головного блока и последующий разгон головного блока вплоть до выхода его на орбиту. Недостатком данной схемы является то, что центральный ракетный блок имеет большие габариты и массу по сравнению с боковыми ракетными блоками и несет в своих баках больше топлива, что обеспечивает более длительную работу его маршевой ЖРДУ. Это ухудшает энергетические возможности пакетной схемы, так как масса центрального блока включает в себя большую долю массы конструкции, обеспечивающей хранение топлива для работы ЖРДУ на этапе полета первой ступени.The prior art method for launching a payload into orbit with a multifunctional launch vehicle of a combined scheme with marching rocket engines, implemented in the Soviet Union using the Vostok launch vehicle, which is used to launch manned and unmanned spacecraft into low Earth orbit (see. carriers V.A. Aleksandrov, V.V. Vladimirov, R.D. Dmitriev, S.O. Osipov; Under the general editorship of Prof. S.O. Osipov - Moscow: Military Publishing House, 1981, p. 19- 22, Fig. 1.2). The known method includes attaching, in accordance with the launch program, to the central missile unit of a tandemly located booster missile unit and a head unit with a payload, forming a lower multi-block package of missile units by attaching side missile units to the central missile unit, turning on the start of all marching rocket engine side and central missile blocks, the joint operation of the main and lateral rocket blocks marching liquid propellant rocket engines until the side rocket blocks generate fuel, turning off the neck rocket engine of the side rocket blocks and separation of the side rocket blocks from the central rocket block while continuing to operate the mid-range rocket engine of the central rocket block before fuel is generated from it, shutdown of the main rocket rocket engine of the central rocket block, separation of the tandem located booster rocket and head block from the central rocket block, and the subsequent overclocking the head unit until it goes into orbit. The disadvantage of this scheme is that the central missile unit has large dimensions and mass compared to the side missile units and carries more fuel in its tanks, which ensures a longer operation of its marching rocket engine. This affects the energy capabilities of the packet scheme, since the mass of the central unit includes a large fraction of the mass of the structure that provides fuel storage for the operation of the rocket engine at the stage of flight of the first stage.

Наиболее близким аналогом является решение «способ выведения на орбиту полезной нагрузки многофункциональной ракетой-носителем комбинированной схемы с маршевыми жидкостными ракетными двигательными установками (ЖРДУ), многофункциональная ракета-носитель комбинированной схемы с маршевыми ЖРДУ и способ ее отработки», описанное в патенте РФ №2161108, опубликованном 27 декабря 2000 года. В патенте раскрыты ракеты-носители семейства «Ангара» с пакетным расположением ракетных блоков первой и второй ступени. При этом используется комбинированная схема с нижним полиблочным пакетом из одинаковых ракетных блоков, имеющих регулируемые маршевые ЖРДУ с одинаковой номинальной тягой, при старте ракеты-носителя выводят маршевые ЖРДУ боковых ракетных блоков на номинальную тягу, а маршевый ЖРДУ центрального ракетного блока - на тягу, равную 90…100% от номинала, и поддерживают ее неизменной до достижения ракетой-носителем продольного ускорения 12,7…16,7 м/с2 (1,3…1,7 g), затем снижают тягу маршевого ЖРДУ центрального ракетного блока до 0,3…0,5 от номинальной тяги, а после отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков увеличивают тягу маршевого ЖРДУ центрального блока до номинального значения. Использование в указанных ракетных блоках регулируемых маршевых ЖРДУ позволяет на старте в полной мере реализовать энергетические возможности нижнего полиблочного пакета ракетных блоков, а последующее снижение тяги маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока до 0,3…0,5 от номинальной тяги гарантирует сохранение в центральном ракетном блоке запаса топлива для его маршевой ЖРДУ после отделения боковых ракетных блоков. Снижение тяги маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока начинают после достижения ракетой-носителем продольного ускорения 12,7…16,7 м/с2 (1,3…1,7 g), обеспечивающего устойчивое положение ракеты-носителя на траектории. Повышение до номинального значения тяги маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока после отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков позволяет в полной мере использовать энергетические возможности центрального ракетного блока. Недостатком данной схемы является то, что центральный ракетный блок все еще имеет массу конструкции, обеспечивающей хранение топлива для работы ЖРДУ на этапе полета первой ступени. К тому же при дросселировании до 0,3…0,5 от номинальной тяги падает эффективность ЖРДУ центрального блока вследствие значительного снижения удельного импульса. При этом ЖРД центрального ракетного блока при таком уровне дросселирования работают на предельном уровне, в том числе испытывают проблемы по охлаждению сопла, что приводит к снижению надежности ЖРД и ракеты-носителя в целом.The closest analogue is the solution "method of putting the payload into orbit with a multifunctional launch vehicle of a combined scheme with marching liquid propellant rocket propulsion systems (LRE), a multifunctional launch vehicle of a combined scheme with marching liquid propellant rocket engines and a method for its development" described in RF patent No. 2161108, published December 27, 2000. The patent discloses launch vehicles of the Angara family with a packet arrangement of rocket blocks of the first and second stages. In this case, a combined circuit is used with a lower multiblock package of identical rocket blocks having adjustable marching rocket engines with the same nominal thrust, when the launch vehicle starts, the marching rocket engines of the side rocket blocks are brought to rated thrust, and the main marching rocket engine of the central missile block - to thrust equal to 90 ... 100% of the nominal value, and keep it unchanged until the launch vehicle reaches longitudinal acceleration of 12.7 ... 16.7 m / s 2 (1.3 ... 1.7 g), then reduce the thrust of the main rocket engine of the central missile unit to 0, 3 ... 0.5 of rated thrust and after turning off the marching rocket engine of the side rocket blocks, the thrust of the marching rocket engine of the central unit is increased to the nominal value. The use of adjustable marching liquid propellant rocket engines in the indicated missile blocks allows to fully realize the energy capabilities of the lower multiblock package of missile blocks at the start, and the subsequent decrease in the thrust of the main rocket propellant rocket engine to 0.3 ... 0.5 of the nominal thrust ensures that the reserve in the central missile block fuel for its marching rocket engine after separation of the side rocket blocks. The thrust reduction of the marching liquid propellant rocket engine of the central rocket block begins after the launch vehicle reaches longitudinal acceleration of 12.7 ... 16.7 m / s 2 (1.3 ... 1.7 g), which ensures a stable position of the launch vehicle on the trajectory. Raising to the nominal value of the thrust of the mid-range rocket engine of the central rocket block after disabling the mid-range rocket engine of the side rocket blocks allows you to fully use the energy capabilities of the central rocket block. The disadvantage of this scheme is that the central missile unit still has a lot of design that provides fuel storage for the operation of the rocket engine at the stage of flight of the first stage. In addition, when throttling to 0.3 ... 0.5 from the nominal thrust, the efficiency of the main engine LRE decreases due to a significant decrease in specific impulse. At the same time, the LRE of the central missile unit at this throttle level operate at the maximum level, including experiencing problems in cooling the nozzle, which reduces the reliability of the LRE and the launch vehicle as a whole.

Техническая задачаTechnical challenge

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание способа полета ракет-носителей с пакетным расположением ракетных блоков первой и второй ступеней, позволяющего увеличить массу выводимого полезного груза.The problem to which this invention is directed, is to create a method of flight of launch vehicles with a packet arrangement of rocket blocks of the first and second stages, which allows to increase the mass of the payload.

Техническим результатом является повышение грузоподъемности эксплуатируемых и создаваемых ракет-носителей при минимальных изменениях в их конструкции.The technical result is to increase the load capacity of the exploited and developed launch vehicles with minimal changes in their design.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Для решения поставленной задачи предлагается способ выведения на орбиту полезной нагрузки ракетой-носителем с полиблочным пакетом ракетных блоков комбинированной схемы включающий следующие этапы:To solve this problem, a method is proposed for launching a payload into orbit with a launch vehicle with a multiblock package of missile blocks of a combined scheme, comprising the following steps:

a. при старте ракеты-носителя выводят маршевые жидкостные реактивные двигательные установки (ЖРДУ) боковых и центрального ракетных блоков на номинальную тягу,a. at the launch of the launch vehicle, marching liquid propellant propulsion systems (LRE) of the lateral and central missile units are launched for nominal thrust,

b. после достижения ракетой-носителем продольного ускорения, обеспечивающего устойчивое положение ракеты-носителя на траектории, производят выключение, по крайней мере, одного двигателя маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока или производят его дросселирование до уровня ниже 0,3 от номинальной тяги,b. after the launch vehicle has reached longitudinal acceleration ensuring a stable position of the launch vehicle on the trajectory, at least one engine of the mid-range main propellant rocket engine is switched off or throttled to a level below 0.3 of the nominal thrust,

c. до отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков повторно включают или дросселируют до уровня выше 0,3 от номинальной тяги двигатель маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, тягу которого ранее понижали,c. until the marching rocket engine of the side rocket blocks is turned off, the engine of the marching rocket engine of the central missile block, the thrust of which was previously lowered, is repeatedly turned on or throttled to a level above 0.3 from the rated thrust,

d. отделяют и сбрасывают боковые ракетные блоки, при включенном ЖРДУ центрального ракетного блока,d. separate and drop the side rocket blocks, with the central rocket block LRE turned on,

e. выводят головной блок, включая тандемно расположенные верхние ступени на заданную траекторию.e. the head unit is brought out, including the tandemly located upper steps to a predetermined path.

При реализации способа учитывают, что стадия b. наступает при достижении ракетой-носителем продольного ускорения 11,8…16,7 м/с2.When implementing the method, consider that stage b. occurs when the launch vehicle reaches longitudinal acceleration of 11.8 ... 16.7 m / s 2 .

Для реализации способа могут формировать нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с неидентичными топливными баками, габаритно-массовыми характеристиками и маршевыми ЖРДУ с одинаковой или различной номинальной тягой. Также могут формировать нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с различными компонентами ракетного топлива.To implement the method, they can form a lower multiblock package of missile blocks with non-identical fuel tanks, mass-dimensional characteristics and mid-range rocket engines with the same or different nominal thrust. They can also form a lower multiblock package of rocket blocks with various components of rocket fuel.

Для реализации способа могут формировать нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с различным количеством ЖРДУ идентичных ЖРД с одинаковой номинальной тягой.To implement the method, they can form a lower multiblock package of missile blocks with a different number of LRE identical LRE with the same nominal thrust.

Для реализации способа могут при старте ракеты-носителя выводить и поддерживать неизменной тягу маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока до значения, обеспечивающего достижение ракетой-носителем продольного ускорения 11,8…16,7 м/с2.To implement the method, at the launch of the launch vehicle, the thrust of the marching liquid propellant rocket engine of the central missile unit can be reached and maintained unchanged to a value that ensures that the launch vehicle reaches longitudinal acceleration of 11.8 ... 16.7 m / s 2 .

Для реализации способа могут включение ЖРДУ производить за время до отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков, достаточное для выхода ЖРДУ центрального блока на номинальный режим работы.To implement the method, the inclusion of liquid propellant rocket engines can be performed before the marching liquid propellant rocket engines of the side rocket blocks are turned off, sufficient for the central rocket engine to reach the nominal operating mode.

Для реализации способа могут, по крайней мере, на один двигатель маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, который отключают или дросселируют до уровня менее 0,3 от номинальной тяги, установить сдвижной сопловой насадок, который сдвигают после выключения или дросселирования двигателя до уровня менее 0,3 от номинальной тяги.To implement the method, they can install at least one marching main engine rocket engine of the central rocket block, which is shut off or throttled to a level less than 0.3 of the nominal thrust, to install a movable nozzle nozzle, which is shifted after turning off or throttling the engine to a level less than 0.3 from rated traction.

Для реализации способа могут, по крайней мере, на два двигателя маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, которые отключают или дросселируют до уровня менее 0,3 от номинальной тяги, установить единый сдвижной сопловой насадок, который сдвигают после выключения или дросселирования двигателей до уровня менее 0,3 от номинальной тяги.To implement the method, at least two engines of a mid-range main propellant rocket engine, which shut off or throttle to a level less than 0.3 from the nominal thrust, can install a single movable nozzle nozzle that is shifted after turning off or throttle the engines to a level less than 0, 3 from rated traction.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1 - трехступенчатая РН с полиблочным пакетом из пяти одинаковых ракетных блоков.FIG. 1 - three-stage launch vehicle with a multiblock package of five identical missile units.

Фиг. 2 - двухступенчатая РН с полиблочным пакетом из пяти одинаковых ракетных блоков.FIG. 2 - two-stage launch vehicle with a multiblock package of five identical missile units.

Фиг. 3 - - РН с сдвигаемым сопловым насадком на одном ЖРД ЖРДУ центрального блока.FIG. 3 - - LV with a movable nozzle nozzle on one LRE of the LRE of the central unit.

Фиг. 4 - РН с сдвигаемым сопловым насадком на всей ЖРДУ центрального блока (единый сопловой насадок).FIG. 4 - LV with a movable nozzle nozzle throughout the LRE of the central unit (a single nozzle nozzle).

Фиг. 5 - трехступенчатая РН с полиблочным пакетом из трех ракетных блоков с отличной ЖРДУ на центральном ракетном блоке.FIG. 5 - a three-stage launch vehicle with a multiblock package of three missile units with an excellent rocket engine on the central missile unit.

Фиг. 6 - трехступенчатая РН с полиблочным пакетом из трех одинаковых ракетных блоков.FIG. 6 - three-stage launch vehicle with a multiblock package of three identical missile units.

Фиг. 7 - двухступенчатая РН с полиблочным пакетом из трех одинаковых ракетных блоков.FIG. 7 - two-stage launch vehicle with a multiblock package of three identical missile units.

Фиг. 8 - схема полета трехступенчатой РН с выключением ЖРДУ центрального ракетного блока с последующим ее включением перед отделением боковых ракетных блоковFIG. 8 is a flight diagram of a three-stage launch vehicle with a central propellant rocket engine shutdown with its subsequent inclusion before separation of the side missile blocks

Фиг. 9 - схема полета трехступенчатой РН с выключением ЖРДУ центрального ракетного блока с последующим включением только части ее ЖРД перед отделением боковых ракетных блоков.FIG. 9 is a flight diagram of a three-stage rocket launcher with a central propellant rocket engine shutdown with the subsequent inclusion of only part of its rocket engine before separation of the side missile blocks.

На всех фигурах чертежей:In all figures of the drawings:

поз. 1 - центральный ракетный блок;pos. 1 - central missile unit;

поз. 2 - боковой ракетный блок;pos. 2 - side rocket block;

поз. 3 - переходной отсек;pos. 3 - transition compartment;

поз. 4 - ракетный блок третьей ступени;pos. 4 - missile block of the third stage;

поз. 5 - головной блок;pos. 5 - head unit;

поз. 6 - ЖРДУ бокового ракетного блока;pos. 6 - rocket engine side rocket unit;

поз. 7 - ЖРДУ центрального ракетного блока;pos. 7 - LREU central missile unit;

поз. 8 - сопловой насадок на один ЖРД;pos. 8 - nozzle nozzles on one rocket engine;

поз. 9 - сопловой единый насадок на всю ЖРДУ;pos. 9 - nozzle single nozzles for the entire rocket engine;

поз. 10 - створка головного обтекателя;pos. 10 - sash head fairing;

поз. 11 - полезный груз.pos. 11 - payload.

На фигурах чертежей 8 и 9 введены следующие обозначения стадий полета:In the figures of drawings 8 and 9, the following designations of the stages of flight are introduced:

А - старт ракеты-носителя, включения всех ЖРД ЖРДУ боковых и центрального ракетных блоков;A - the launch of the launch vehicle, the inclusion of all LRE LRE of the side and central missile units;

Б - выключение ЖРДУ центрального ракетного блока, полет с выключенной ЖРДУ центрального ракетного блока;B - shutting down the liquid propellant rocket engine of the central rocket unit, flying with the liquid propellant rocket engine turned off;

В - повторное включение ЖРДУ центрального ракетного блока;In - re-inclusion of liquid propellant rocket engine central missile unit;

Г - отделение боковых ракетных блоков;G - separation of lateral rocket blocks;

Д - отделение створок головного обтекателя;D - separation of the head fairing flaps;

Ε - отделение центрального ракетного блока с переходным отсеком от тандемно расположенного ракетного блока третьей ступени, включение маршевой ЖРДУ ракетного блока третьей ступени;Ε - separation of the central missile unit with the transition compartment from the tandem located third stage missile unit, the inclusion of the mid-flight rocket engine of the third stage missile unit;

Ж - выход на орбиту, выключение маршевой ЖРДУ ракетного блока третьей ступени, отделение полезного груза;F - exit to orbit, shutdown of the march rocket engine of the third stage rocket block, separation of the payload;

И - выдвижение соплового насадка ЖРДУ центрального ракетного блока;And - extension of the nozzle nozzle of the rocket engine of the central missile unit;

К - повторное включение ЖРД с насадком ЖРДУ центрального ракетного блока.K - re-inclusion of LRE with nozzle LRE of the central missile unit.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Для выведения на орбиту полезной нагрузки ракетой-носителем с полиблочным пакетом ракетных блоков комбинированной схемы используют следующие этапы.The following steps are used to launch a payload into orbit with a launch vehicle with a multiblock package of missile blocks of a combined scheme.

Во-первых, при старте ракеты-носителя выводят маршевые жидкостные реактивные двигательные установки (ЖРДУ) боковых и центрального ракетных блоков на номинальную тягу.Firstly, at the launch of the launch vehicle, marching liquid propellant propulsion systems (LRE) of the lateral and central missile units are brought to nominal thrust.

Во-вторых, после достижения ракетой-носителем продольного ускорения, обеспечивающего устойчивое положение ракеты-носителя на траектории (этому соответствует ускорение 11,8…16,7 м/с2 или 1,2…1,7 g) производят выключение ЖРД маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока. Если ЖРДУ состоит из нескольких одиночных ЖРД (первая ступень РН "Falcon"), то можно выключить не все ЖРД, а только их часть. Это аналогично дросселированию ЖРД центрального блока РН «Ангара». Технически каждый отдельный двигатель имеет возможность автономного управления по тяге и включению/отключению, что реализовано практически во всех ракетах-носителях. Когда выключается вся ЖРДУ, то подаются команды на все двигатели сразу. Следует отметить, что такие двигатели, как 11Д58 (разгонный блок типа «ДМ»), С.98М (разгонный блок типа «бриз») и другие двигатели разгонных блоков имеют возможность повторного включения в полете. Также двигатель Merlin-1D на РН «Falcon-9» имеет возможность повторного включения полета, что он реализует при спуске отработавшего ракетного блока. Для таких двигателей в случае их повторного включения используют либо несколько ампул с пусковым горючим, либо бачки с пусковым горючим из которых оно подается в дозах, необходимых для запуска двигателя. Может применяться электрическое зажигание. Одной из его разновидности является лазерное зажигание (заявка на патент РФ №2012157504 компания Спектралазер, опубликованная 10.07.2014). При этом может потребоваться доработка самой конструкции под повторное включение. По примеру ракеты-носителя «Falcon-9» эти доработки незначительны и относительно легко реализуются. Как будет показано ниже в примерах реализации для увеличения массы выводимого на орбиту груза при фиксированной массе ракеты с топливом, следует в процессе выведения ракеты на орбиту выключать ЖРДУ центрального ракетного блока, но положительный эффект, правда в меньшей степени, будет в случае снижения тяги маршевого ЖРДУ центрального ракетного блока до ненулевого уровня, но ниже 0,3, т.е. в случае дросселирования до уровня ниже 0,3.Secondly, after the launch vehicle reaches longitudinal acceleration, ensuring a stable position of the launch vehicle on the trajectory (this corresponds to an acceleration of 11.8 ... 16.7 m / s 2 or 1.2 ... 1.7 g), the rocket engine is switched off central missile unit. If the liquid propellant rocket engine consists of several single liquid propellant rocket engines (the first stage of the Falcon rocket), then not all liquid propellant rockets can be turned off, but only a part of them. This is similar to the throttling of the LRE of the central block of the Angara launch vehicle. Technically, each individual engine has the ability to autonomously control traction and enable / disable, which is implemented in almost all launch vehicles. When the entire rocket engine shuts down, then commands are issued to all engines at once. It should be noted that engines such as 11D58 (booster block type "DM"), S.98M (booster block type "breeze") and other engines of booster blocks have the ability to re-enable in flight. Also, the Merlin-1D engine on the Falcon-9 LV has the ability to re-enable the flight, which it implements when launching the spent missile unit. For such engines, if they are switched back on, either several ampoules with starting fuel are used, or tanks with starting fuel from which it is supplied in the doses necessary to start the engine. Electric ignition may be used. One of its varieties is laser ignition (patent application of the Russian Federation No. 2012157504 company Spectralazer, published on 10.07.2014). In this case, it may be necessary to refine the design itself for re-inclusion. Following the example of the Falcon-9 launch vehicle, these improvements are minor and relatively easy to implement. As will be shown below in the implementation examples, in order to increase the mass of cargo put into orbit with a fixed mass of a rocket with fuel, the rocket engine of the central missile unit should be turned off during the launch of the rocket into orbit, but a positive effect, though to a lesser extent, will be in the case of a decrease in the thrust of the main rocket engine central missile unit to a non-zero level, but below 0.3, i.e. in case of throttling to a level below 0.3.

Выключение ЖРДУ может происходить несколько ранее или позднее момента достижения ракетой-носителем ускорения 11,8…16,7. Данные значения могут существенно отличаться и зависят от конкретной ракеты.Shutting down the liquid propellant rocket engine can occur earlier or later than the moment the launch vehicle reaches acceleration 11.8 ... 16.7. These values can vary significantly and depend on the specific rocket.

В-третьих, до отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков повторно включают или дросселируют до уровня выше 0,3 маршевые ЖРДУ центрального ракетного блока.Thirdly, before the marching rocket engines of the side missile blocks are turned off, the marching rocket engines of the central missile block are switched on again or throttled to a level above 0.3.

Наконец, в завершении отделяют и сбрасывают боковые ракетные блоки, при включенном ЖРДУ центрального ракетного блока, а после окончания рабочих запасов топлива в центральном ракетном блоке, его отделяют от ракетного блока с головным блоком с последующим разгоном головного блока до его выхода на заданную орбиту.Finally, at the end, the lateral rocket blocks are separated and dropped, with the central rocket block rocket engine turned on, and after the end of the working stocks of fuel in the central rocket block, it is separated from the rocket block with the head block with the subsequent dispersal of the head block before it enters a given orbit.

Для реализации способа могут формировать нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с неидентичными топливными баками, габаритно-массовыми характеристиками и маршевыми ЖРДУ с одинаковой или различной номинальной тягой. Также могут формировать нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с различными компонентами ракетного топлива. Для реализации способа могут формировать нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с различным количеством ЖРДУ идентичных ЖРД с одинаковой номинальной тягой.To implement the method, they can form a lower multiblock package of missile blocks with non-identical fuel tanks, mass-dimensional characteristics and mid-range rocket engines with the same or different nominal thrust. They can also form a lower multiblock package of rocket blocks with various components of rocket fuel. To implement the method, they can form a lower multiblock package of missile blocks with a different number of LRE identical LRE with the same nominal thrust.

Для реализации способа могут при старте ракеты-носителя выводить и поддерживать неизменной тягу маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока до значения, обеспечивающего достижение ракетой-носителем продольного ускорения 11,8…16,7 м/с2. Конкретное значение тяги находится расчетным путем или экспериментально для конкретной модели ракеты, которое обеспечивает максимальную массу полезного груза и выполнение конструкторских ограничений.To implement the method, at the launch of the launch vehicle, the thrust of the marching liquid propellant rocket engine of the central missile unit can be reached and maintained unchanged to a value that ensures that the launch vehicle reaches longitudinal acceleration of 11.8 ... 16.7 m / s 2 . The specific thrust value is found by calculation or experimentally for a specific rocket model, which provides the maximum payload mass and design constraints.

Для реализации способа включение ЖРДУ могут производить до отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков за время, достаточное для выхода ЖРДУ центрального блока на номинальный режим работы. Это время определяется динамическими характеристиками каждого конкретного двигателя. Диапазон теоретически может быть любым, хотя из условий эффективности может составить от 0 до 100 секунд. Включение ЖРДУ могут производить после отделения боковых ракетных блоков, т.е. с выключенными двигателями. Это может быть связано с тем, что при отделении ракетных блоков могут возникать требования по снижению нагрузок, в том числе аэродинамических. То есть для того, чтобы снизить нагрузки при разделении, можно разделяться с выключенными двигателями центрального блока.To implement the method, the inclusion of liquid propellant rocket engines can be performed before the marching liquid propellant rocket engines of the side rocket units are disconnected for a time sufficient for the central rocket engine to reach the nominal operating mode. This time is determined by the dynamic characteristics of each particular engine. The range can theoretically be any, although from the conditions of efficiency it can be from 0 to 100 seconds. The inclusion of liquid propellant rocket engines can be performed after separation of the side rocket blocks, i.e. with the engines off. This may be due to the fact that when separating missile blocks, requirements for reducing loads, including aerodynamic ones, may arise. That is, in order to reduce the load during separation, it is possible to share with the turned off engines of the central unit.

Для реализации способа, по крайней мере, на один двигатель маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, который отключают или дросселируют до уровня менее 0,3, могут установить сдвижной сопловой насадок, который сдвигают после выключения или дросселроивания двигателя до уровня менее 0,3. Сопловой насадок позволяет дополнительно увеличить массу полезного груза. На РН «Ангара» рассматривали такую возможность и получали эффект. Но сопловой насадок на двигателе, сдвинутый на старте не позволяет выйти ракете из стартового стола, а сдвигать насадок в ходе полета на работающем двигателе не получается из-за проблем газодинамики. В предлагаемом решении, в случае выключенного двигателя или дросселирования до близкого к нулевому уровню, получается сдвигать насадок в ходе полета.To implement the method, at least one engine of the mid-range main propellant rocket engine, which is turned off or throttled to a level of less than 0.3, can install a movable nozzle nozzle, which is shifted after turning off or throttling the engine to less than 0.3. Nozzle nozzles can further increase the mass of the payload. On the Angara launch vehicle, such an opportunity was considered and an effect was obtained. But the nozzle nozzles on the engine, shifted at the start, do not allow the rocket to exit the launch pad, and it is not possible to shift the nozzles during the flight on a running engine due to gas dynamics problems. In the proposed solution, in the case of the engine turned off or throttling close to zero, it turns out to shift the nozzles during the flight.

Для снижения себестоимости при реализации способа могут, по крайней мере, на два двигателя маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, которые отключают или дросселируют до уровня менее 0,3, установить единый сдвижной сопловой насадок, который сдвигают после выключения или дросселирования двигателей до уровня менее 0,3.To reduce the cost of the process, at least two engines of a mid-range main propellant rocket engine, which shut off or throttle to a level of less than 0.3, can install a single movable nozzle nozzle, which is shifted after turning off or throttling the engines to a level of less than 0, 3.

Пример реализацииImplementation example

Результат от предлагаемого технического решения рассмотрим на примере модернизации 3-х ступенчатой ракеты-носителя «Ангара-5», у которой 1-я и 2-я ступени представляют собой пакет, собранный из 5 унифицированных ракетных блоков (1 центральный блок и 4 боковых блока). Основные исходные данные, принятые в расчетах, представлены в таблице 1.We will consider the result of the proposed technical solution by the example of modernization of the 3-stage Angara-5 launch vehicle, in which the 1st and 2nd stages are a package assembled from 5 standardized missile blocks (1 central unit and 4 side blocks ) The basic input data adopted in the calculations are presented in table 1.

Существующая схема полета ракеты-носителя «Ангара-5» на участке 1-й и 2-й ступеней предусматривает на старте запуск всех двигателей центрального и боковых блоков на номинальном режиме, когда коэффициент дросселирования kд=1,0. После достижения ракетой-носителем продольного ускорения 1,6 g, двигатели центрального блока дросселируются до уровня kд=0,3, при этом двигатели боковых блоков остаются на номинальном режиме. После завершения участка полета 1-й ступени и отделения боковых блоков, двигатели центрального блока снова выводятся на номинальный режим.The existing flight scheme of the Angara-5 launch vehicle in the 1st and 2nd stage sections provides for starting all the engines of the central and side blocks at the start at nominal speed, when the throttle coefficient is k d = 1.0. After the launch vehicle reaches a longitudinal acceleration of 1.6 g, the engines of the central unit are throttled to the level k d = 0.3, while the engines of the side blocks remain at their nominal conditions. After completion of the flight stage of the 1st stage and separation of the side blocks, the engines of the central block are again brought back to the nominal mode.

Figure 00000001
Figure 00000001

Масса топлива центрального блока, израсходованная на участке полета 1-й ступени, когда двигатели работают на номинальном режиме:The mass of fuel of the central unit consumed in the flight section of the 1st stage, when the engines are operating in nominal mode:

Мт12 1,0трб·τд=127,5·0,2=25,5 т.M t12 1.0 = M trb · τ d = 127.5 · 0.2 = 25.5 t.

Масса топлива центрального блока, израсходованная на участке полета 1-й ступени, когда двигатели работают в режиме дросселирования при kд=0,3:The mass of fuel of the central unit consumed in the flight section of the 1st stage, when the engines operate in throttle mode with k d = 0.3:

Figure 00000002
Figure 00000002

Масса топлива центрального блока, израсходованная на всем участке полета 1-й ступени:The mass of fuel of the central unit spent on the entire flight section of the 1st stage:

Мт12т12 1,0т12 03=25,5+31,2=56,7 т.M t12 = M t12 1.0 + M t12 03 = 25.5 + 31.2 = 56.7 t.

Общая масса топлива 4-х боковых и 1 центрального блоков, израсходованная на всем участке полета 1-й ступени:The total fuel mass of 4 lateral and 1 central blocks, consumed throughout the flight section of the 1st stage:

Мт1=4·Мтрбт12=4·127,5+56,7=566,7 т.M t1 = 4 · M trb + M t12 = 4 · 127.5 + 56.7 = 566.7 t.

Масса топлива центрального блока, оставшаяся для участка полета 2-й ступени:The fuel mass of the central unit remaining for the flight section of the 2nd stage:

Мт2трбт12=127,5-56,7=70,8 т.M r2 = -M M TRB r12 = 127,5-56,7 = 70.8 m.

Стартовая масса всей ракеты-носителя:Launch mass of the entire launch vehicle:

М01=5·М0рб03=5·138,5+80,5=773,0 т.M 01 = 5 · M 0rb + M 03 = 5 · 138.5 + 80.5 = 773.0 t.

Начальная масса всей ракеты-носителя на участке 2-й ступени:The initial mass of the entire launch vehicle in the area of the 2nd stage:

М020рбт1203=138,5-56,7+80,5=162,3 т.M 02 = M 0rb -M t12 + M 03 = 138.5-56.7 + 80.5 = 162.3 t.

Средний удельный импульс тяги двигателей центрального и боковых ракетных блоков в пустоте на участке полета 1-й ступени с учетом дросселирования центрального блока до уровня kд=0,3:The average specific thrust impulse of the engines of the central and side rocket blocks in the void on the flight section of the 1st stage, taking into account the throttling of the central block to the level k d = 0.3:

Figure 00000003
Figure 00000003

где t1 - общее время работы всех двигателей 1-й ступени.where t 1 - the total operating time of all engines of the 1st stage.

По формуле Циолковского характеристическая скорость, которую набирает ракета-носитель на участке полета 1-й и 2-й ступеней:According to the Tsiolkovsky formula, the characteristic speed that the launch vehicle picks up on the flight section of the 1st and 2nd stages:

Figure 00000004
Figure 00000004

где go - ускорение свободного падения.where g o is the acceleration of gravity.

Далее оценим результат, который мы получим при использовании предлагаемого технического решения, если вместо дросселирования двигателей центрального блока полностью их отключим. Тогда масса топлива центрального блока, израсходованная на всем участке полета 1-й ступени:Next, we evaluate the result that we will get when using the proposed technical solution, if instead of throttling the engines of the central unit we completely turn them off. Then the mass of fuel of the central unit spent on the entire flight section of the 1st stage:

Мт12=Мт12 1,0=25,5 т.M t12 = Mt 12 1.0 = 25.5 t.

Общая масса топлива 4-х боковых и 1 центрального блоков, израсходованная на всем участке полета 1-й ступени:The total fuel mass of 4 lateral and 1 central blocks, consumed throughout the flight section of the 1st stage:

Мт1=4·Мтрбт12=4·127,5+25,5=535,5 т.M t1 = 4 · M trb + M t12 = 4 · 127.5 + 25.5 = 535.5 t.

Масса топлива центрального блока, оставшаяся для участка полета 2-й ступени:The fuel mass of the central unit remaining for the flight section of the 2nd stage:

Мт2трбт12=127,5-25,5=102,0 т.M r2 = -M M TRB 127,5-25,5 r12 = m = 102.0.

Рассчитаем начальную массу 3-й ступени, которая будет соответствовать той же характеристической скорости, которую ракета-носитель набирает на участке полета 1-й и 2-й ступеней при дросселировании двигателей центрального блока (kд=0,3). Запишем формулу Циолковского для участка полета 1-й и 2-й ступеней в виде:We calculate the initial mass of the 3rd stage, which will correspond to the same characteristic speed that the booster gains in the flight section of the 1st and 2nd stages when throttling the engines of the central unit (k d = 0.3). We write the formula of Tsiolkovsky for the flight section of the 1st and 2nd stages in the form:

Figure 00000005
Figure 00000005

Учтем, что:Consider that:

М01=5·М0рб03 и М020рбт1203,M 01 = 5 · M 0rb + M 03 and M 02 = M 0rb- M t12 + M 03 ,

тогда формула Циолковского примет вид:then the Tsiolkovsky formula will take the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

Таким образом, мы получили нелинейное уравнение для начальной массы 3-й ступени М03. В общем случае его можно решить численными методами. Учтем, что при отключении двигателей центрального блока у нас нет потерь удельного импульса тяги как при дросселировании, поэтому удельный импульс тяги в пустоте на участке полета 1-й ступени такой же, как и на участке полета 2-й ступени, и равен удельному импульсу тяги в пустоте на номинальном режиме Руд10. Тогда уравнение для начальной массы 3-й ступени М03 можно переписать в виде:Thus, we have obtained a nonlinear equation for the initial mass of the 3rd stage M 03 . In the general case, it can be solved by numerical methods. We take into account that when the central unit engines are turned off, we have no loss of specific thrust impulse as during throttling, therefore, the specific thrust impulse in the void in the 1st stage flight section is the same as in the 2nd stage flight section, and is equal to the specific thrust momentum in the void at the nominal mode P beats 10 . Then the equation for the initial mass of the 3rd stage M 03 can be rewritten in the form:

Figure 00000007
Figure 00000007

и свести к обычному квадратному уравнению вида:and reduce to the usual quadratic equation of the form:

а·М032+b·М03+с=0 a · M 03 2 + b · M 03 + s = 0

Где, а=Е-1Where, a = E-1

b=(6·М0рбт12)·Е-6·М0рбт1трб b = (6 · M 0rb- M t12 ) · E-6 · M 0rb + M t1 + M trb

с=5·М0рб·(М0рбт12)·Е-(5·М0рбт1)·(М0рбтрб)s = 5 · M 0rb · (M 0rb- M t12 ) · E- (5 · M 0rb- M t1 ) · (M 0rb- M trb )

E = exp ( ν х а р g 0 P у д 1,0 )

Figure 00000008
E = exp ( - ν x but R g 0 P at d 1,0 )
Figure 00000008

и после подстановки значений:and after substitution of values:

Figure 00000009
Figure 00000009

а=0,150696-1=-0,849304 a = 0.150696-1 = -0.849304

b=(6·138,5-25,5)·0,150696-6·138,5+535,5+127,5=-46,614365b = (6 · 138.5-25.5) · 0.150696-6 · 138.5 + 535.5 + 127.5 = -46.614365

с=5·138,5·(138,5-25,5)·0,150696-(5·138,5-535,5)·(138,5-127,5)=10065,339456s = 5 · 138.5 · (138.5-25.5) · 0.150696- (5 · 138.5-535.5) · (138.5-127.5) = 10065.339456

Решая это квадратное уравнение, рассмотрим только его положительный корень:Solving this quadratic equation, we consider only its positive root:

Figure 00000010
Figure 00000010

Таким образом, отключение двигателей центрального блока по сравнению с их дросселированием до уровня kд=0,3 позволяет увеличить начальную массу 3-й ступени на:Thus, turning off the engines of the central unit in comparison with their throttling to the level k d = 0.3 allows you to increase the initial mass of the 3rd stage by:

Figure 00000011
Figure 00000011

Масса полезной нагрузки 3-й ступени Мпн, которая является полезной нагрузкой всей ракеты-носителя, связана с начальной массой 3-й ступени М03 соотношением:The payload mass of the 3rd stage M mon , which is the payload of the entire launch vehicle, is associated with the initial mass of the 3rd stage M 03 by the ratio:

Мпнпн3·М03,M pn = μ pn3 · M 03 ,

где µпн3 - относительная масса полезной нагрузки 3-й ступени, которая зависит от характеристической скорости, развиваемой на участке полета 3-й ступени, и массового совершенства конструкции 3-й ступени. Параметры траектории не меняются, поэтому значение характеристической скорости считаем неизменным. Массовое совершенство конструкции при увеличении абсолютной массы конструкции только улучшается, поэтому возможность увеличить стартовую массу 3-й ступени на 5,4% позволит увеличить массу полезной нагрузки тоже как минимум на 5,4%, что в масштабе ракеты-носителя «Ангара-5» составит 1,3 т.where µ PN3 is the relative mass of the 3rd stage payload, which depends on the characteristic speed developed in the flight section of the 3rd stage and the mass perfection of the 3rd stage design. The trajectory parameters do not change; therefore, we consider the value of the characteristic velocity unchanged. The massive perfection of the structure with an increase in the absolute mass of the structure only improves, so the ability to increase the starting mass of the 3rd stage by 5.4% will increase the payload mass by at least 5.4%, which is on the scale of the Angara-5 launch vehicle will be 1.3 tons

Теперь оценим влияние использования сдвигаемых сопловых насадков на камерах двигателей центрального блока. В момент старта ракеты-носителя сопловые насадки убраны, чтобы обеспечить максимальную земную тягу двигателей центрального блока. На участке полета 1-й ступени после выключения двигателей центрального блока появляется возможность безопасно выдвинуть сопловые насадки, чтобы при повторном включении двигателей центрального блока, которое происходит после отделения боковых блоков, т.е. на больших высотах, обеспечить максимальную пустотную тягу. Значения удельного импульса тяги двигателей с сопловым насадком в пустоте по разным оценкам могут составить от 343,5 до 358,7 кгс·с/кг (см. таблицу 1). Эти значения подставим в уравнение (1) в качестве Руд2. Тогда, решая уравнение (1) численными методами, получим следующий ожидаемый диапазон увеличения начальной массы 3-й ступени при отключении двигателей центрального блока совместно с использованием сопловых насадков на участке полета 2-й ступени:Now we will evaluate the effect of using movable nozzle nozzles on the engine chambers of the central unit. At the time of the launch of the launch vehicle, the nozzle nozzles were removed to provide maximum earth thrust for the engines of the central unit. In the flight section of the 1st stage, after turning off the engines of the central unit, it becomes possible to safely extend the nozzle nozzles, so that when the engines of the central unit are switched back on, which occurs after separation of the side blocks, i.e. at high altitudes, provide maximum void traction. According to various estimates, the specific thrust impulse of engines with a nozzle nozzle in a void can range from 343.5 to 358.7 kgf · s / kg (see table 1). We substitute these values into equation (1) as P beats2 . Then, solving equation (1) by numerical methods, we obtain the following expected range of increase in the initial mass of the 3rd stage when the central unit engines are turned off together with the use of nozzle nozzles in the flight section of the 2nd stage:

Figure 00000012
Figure 00000012

что в масштабе ракеты-носителя «Ангара-5» составит 1,8…3,0 т.that on the scale of the Angara-5 launch vehicle will be 1.8 ... 3.0 tons.

Таким образом, использование сдвигаемых сопловых насадков на участке полета 2-й ступени может дать дополнительно к выключению двигателей центрального блока на участке полета 1-й ступени (Δоткл=5,4%) прирост полезной нагрузки в 1,9…6,8%.Thus, the use of the nozzle head to be shifted in the flight portion stage 2 can give, in addition to switching off the engine of the central unit in the area of the 1st stage of flight (Δ = 5.4% none) payload gain of 1.9 ... 6.8% .

Мы рассмотрели результат от предлагаемого технического решения на примере модернизации конкретного изделия. Покажем теперь это с помощью теоретических выкладок.We examined the result of the proposed technical solution as an example of the modernization of a specific product. We now show this with the help of theoretical calculations.

Относительная масса полезной нагрузки первых 2-х ступеней ракеты носителя:The relative mass of the payload of the first 2 stages of the carrier rocket:

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
- относительная масса полезной нагрузки 1-й ступени,Where
Figure 00000014
- the relative mass of the payload of the 1st stage,

Figure 00000015
- относительная масса полезной нагрузки 2-й ступени,
Figure 00000015
- the relative mass of the payload of the 2nd stage,

Масса полезной нагрузки 1-й ступени:Stage 1 payload mass:

Figure 00000016
Figure 00000016

где M01 - начальная (стартовая) масса 1-й ступени,where M 01 is the initial (starting) mass of the 1st stage,

Мт1 - общая масса топлива боковых и центрального блоков, израсходованная на всем участке полета 1-й ступени,M t1 is the total fuel mass of the side and central blocks consumed throughout the flight section of the 1st stage,

mто11 - масса топливных отсеков боковых блоков 1-й ступени,m to11 - the mass of the fuel compartments of the side blocks of the 1st stage,

mдв11 - масса двигательных установок боковых блоков 1-й ступени,m dv11 - the mass of the propulsion systems of the side blocks of the 1st stage,

mпр11 - масса системы управления и всех прочих отсеков боковых блоков 1-й ступени.m pr11 - the mass of the control system and all other compartments of the side blocks of the 1st stage.

Общую массу топлива боковых и центрального блоков, израсходованную на всем участке полета 1-й ступени Мт1 можно выразить через ее стартовую массу:The total mass of fuel of the side and central blocks consumed throughout the flight section of the 1st stage M t1 can be expressed through its starting mass:

Figure 00000017
Figure 00000017

где µк1 - относительная конечная масса 1-й ступени.where µ k1 is the relative final mass of the 1st stage.

Масса топлива центрального блока, израсходованная на всем участке полета 1-й ступени:The mass of fuel of the central unit spent on the entire flight section of the 1st stage:

Figure 00000018
Figure 00000018

где t1 - общее время работы всех двигателей 1-й ступени,where t 1 - the total operating time of all engines of the 1st stage,

m ˙ 12

Figure 00000019
- секундный расход топлива двигателей центрального блока, m ˙ 12
Figure 00000019
- second fuel consumption of the engines of the Central unit,

Р12 - тяга двигателей центрального блока,P 12 - thrust of the engines of the Central unit,

Руд12 - удельный импульс тяги двигателей центрального блока.R ud12 - specific impulse of thrust of the engines of the central unit.

Введем обозначение относительной стартовой тяги двигателей центрального блока:We introduce the designation of the relative starting thrust of the engines of the central unit:

Figure 00000020
Figure 00000020

где Р012 - стартовая тяга двигателей центрального блока,where R 012 - starting thrust of the engines of the Central unit,

P01 - стартовая тяга всех двигателей 1-й ступени.P 01 - starting thrust of all engines of the 1st stage.

Тогда тягу двигателей центрального блока можно записать как:Then the thrust of the engines of the central unit can be written as:

Figure 00000021
Figure 00000021

где kд - текущий коэффициент дросселирования двигателей центрального блока.where k d is the current throttle coefficient of the engines of the central unit.

С учетом выражения (7) формула для массы топлива центрального блока (5) примет вид:Given the expression (7), the formula for the fuel mass of the central unit (5) will take the form:

Figure 00000022
Figure 00000022

где t1 - общее время работы всех двигателей 1-й ступени,where t 1 - the total operating time of all engines of the 1st stage,

Руд 1 - среднеинтегральный удельный импульс тяги всех двигателей 1-й ступени.R beats 1 - the average integral specific impulse of thrust of all engines of the 1st stage.

Тогда выражение для массы топлива центрального блока, израсходованного на всем участке полета 1-й ступени примет вид:Then the expression for the mass of fuel of the central unit consumed throughout the flight section of the 1st stage will take the form:

Figure 00000023
Figure 00000023

где kд ср - среднеинтегральный коэффициент дросселирования двигателей центрального блока:where k d cf is the average integral throttle coefficient of the engines of the central unit:

Figure 00000024
Figure 00000024

Распишем массы элементов конструкции ракетных блоков с помощью упрощенных массовых коэффициентов. Тогда с учетом выражений (4) и (8):We will describe the masses of the structural elements of rocket blocks using simplified mass coefficients. Then, taking into account expressions (4) and (8):

m т о 11 = ( М т 1 М т 12 ) α 1 = М т 1 ( 1 Р ¯ k д с р ) α 1 = М 01 ( 1 μ к 1 ) ( 1 Р ¯ k д с р ) α 1    (10)

Figure 00000025
m t about eleven = ( M t one - M t 12 ) α one = M t one ( one - R ¯ k d from R ) α one = M 01 ( one - μ to one ) ( one - R ¯ k d from R ) α one (10)
Figure 00000025

где α1 - массовый коэффициент топливных отсеков боковых блоков 1-й ступени (отношение массы топливных отсеков к массе топлива в этих отсеках).where α 1 is the mass coefficient of the fuel compartments of the side blocks of the 1st stage (the ratio of the mass of the fuel compartments to the mass of fuel in these compartments).

Масса двигателей боковых блоков 1-й ступени с учетом выражения (7):The mass of the engines of the side blocks of the 1st stage, taking into account the expression (7):

Figure 00000026
Figure 00000026

где γ1 - массовый коэффициент двигателей боковых блоков 1-й ступени (отношение массы двигателей к стартовой тяге этих двигателей Р011).where γ 1 is the mass coefficient of the engines of the side blocks of the 1st stage (the ratio of the mass of the engines to the starting thrust of these engines is P 011 ).

Стартовую тягу всех двигателей 1-й ступени можно представить в виде:Starting thrust of all engines of the 1st stage can be represented as:

Figure 00000027
Figure 00000027

где n01 - стартовая перегрузка 1-й ступени.where n 01 is the starting overload of the 1st stage.

Подставим (12) в (11), тогда:We substitute (12) into (11), then:

Figure 00000028
Figure 00000028

Масса системы управления и всех прочих отсеков боковых блоков 1-й ступени:The mass of the control system and all other compartments of the side blocks of the 1st stage:

Figure 00000029
Figure 00000029

где β1 - массовый коэффициент системы управления и всех прочих отсеков (отношение массы системы управления и всех прочих отсеков боковых блоков 1-й ступени к стартовой массе 1-й ступени).where β 1 is the mass coefficient of the control system and all other compartments (the ratio of the mass of the control system and all other compartments of the side blocks of the 1st stage to the starting mass of the 1st stage).

Подставим выражения (4), (10), (13) и (14) в (3):We substitute the expressions (4), (10), (13) and (14) in (3):

Figure 00000030
Figure 00000030

Тогда относительная масса полезной нагрузки 1-й ступени:Then the relative mass of the payload of the 1st stage:

Figure 00000031
Figure 00000031

Обозначим:Denote:

Figure 00000032
Figure 00000032

Figure 00000033
Figure 00000033

тогдаthen

Figure 00000034
Figure 00000034

Аналогично (3) распишем массу полезной нагрузки 2-й ступени:Similarly to (3) we write the mass of the payload of the 2nd stage:

Figure 00000035
Figure 00000035

где М02 - начальная масса 2-й ступени,where M 02 is the initial mass of the 2nd stage,

Мт2 - масса топлива центрального блока, израсходованная на участке полета 2-й ступени,M t2 - the mass of fuel of the Central unit spent on the flight section of the 2nd stage,

mтo2 - масса топливного отсека центрального блока (2-й ступени),m to2 - mass of the fuel compartment of the central unit (2nd stage),

mдв2 - масса двигательной установки центрального блока (2-й ступени),m dv2 - the mass of the propulsion system of the central unit (2nd stage),

mпр2 - масса системы управления и всех прочих отсеков центрального блока (2-й ступени).m CR2 - the mass of the control system and all other compartments of the central unit (2nd stage).

Массу топлива центрального блока, израсходованную на участке полета 2-й ступени Мт2 можно выразить через начальную массу 2-й ступени:The mass of fuel of the central unit consumed in the flight section of the 2nd stage M t2 can be expressed in terms of the initial mass of the 2nd stage:

Figure 00000036
Figure 00000036

где µк2 - относительная конечная масса 2-й ступени.where µ k2 is the relative final mass of the 2nd stage.

Массу топливного отсека центрального блока запишем с учетом того, что часть топлива центрального блока расходуется и на участке полета 1-й ступени. Тогда с учетом выражений (20), (8) и (4):The mass of the fuel compartment of the central unit is written taking into account the fact that part of the fuel of the central unit is also consumed in the flight section of the 1st stage. Then, taking into account expressions (20), (8) and (4):

Figure 00000037
Figure 00000037

где α2 - массовый коэффициент топливного отсека центрального блока (отношение массы топливного отсека к массе топлива в этом отсеке).where α 2 is the mass coefficient of the fuel compartment of the Central unit (the ratio of the mass of the fuel compartment to the mass of fuel in this compartment).

Масса двигателей центрального блока (2-й ступени) с учетом выражений (7) и (12):The mass of the engines of the central unit (2nd stage), taking into account expressions (7) and (12):

Figure 00000038
Figure 00000038

где γ2 - массовый коэффициент двигателей центрального блока (отношение массы двигателей 2-й ступени к стартовой тяге этих двигателей Р012).where γ 2 is the mass coefficient of the engines of the central block (the ratio of the mass of the engines of the 2nd stage to the starting thrust of these engines P 012 ).

Масса системы управления и всех прочих отсеков боковых блоков 2-й ступени:The mass of the control system and all other compartments of the side blocks of the 2nd stage:

Figure 00000039
Figure 00000039

где β2 - массовый коэффициент системы управления и всех прочих отсеков (отношение массы системы управления и всех прочих отсеков центрального блока к начальной массе 2-й ступени).where β 2 is the mass coefficient of the control system and all other compartments (the ratio of the mass of the control system and all other compartments of the central unit to the initial mass of the 2nd stage).

Подставим выражения (20)-(23) в (19):We substitute the expressions (20) - (23) in (19):

Figure 00000040
Figure 00000040

т.е.:those.:

Figure 00000041
Figure 00000041

Учтем, что начальная масса 2-й ступени является полезной нагрузкой 1-й ступени:Consider that the initial mass of the 2nd stage is the payload of the 1st stage:

Figure 00000042
Figure 00000042

тогдаthen

Figure 00000043
Figure 00000043

Таким образом, из (2) с учетом (26) относительная масса полезной нагрузки первых двух ступеней ракеты-носителя:Thus, from (2), taking into account (26), the relative mass of the payload of the first two stages of the launch vehicle:

Figure 00000044
Figure 00000044

Обозначим:Denote:

Figure 00000045
Figure 00000045

Figure 00000046
Figure 00000046

Figure 00000047
Figure 00000047

Тогда из (27) с учетом (18):Then from (27), taking into account (18):

Figure 00000048
Figure 00000048

Для оценки влияния среднеинтегрального коэффициента дросселирования двигателей центрального блока kд ср на относительную массу полезной нагрузки первых 2-х ступеней ракеты-носителя µпн, рассмотрим из (31) ее частную производную с учетом (16), (28) и (29):To assess the influence of the average integral throttle coefficient of the engines of the central unit k d av on the relative mass of the payload of the first 2 stages of the launch vehicle µ mon , we consider from (31) its partial derivative taking into account (16), (28) and (29):

Figure 00000049
Figure 00000049

Найдем экстремум функции µпн=f (kд ср):Find the extremum of the function µ mon = f (k d cf ):

Figure 00000050
Figure 00000050

нас интересует случай, когда:we are interested in the case when:

Figure 00000051
Figure 00000051

Определим значение относительной конечной массы 2-й ступени, соответствующее точке экстремума:We determine the value of the relative final mass of the 2nd stage corresponding to the extremum point:

Figure 00000052
Figure 00000052

Рассмотрим левую и правую части выражения (34) применительно к существующим значениям переменных для ракеты-носителя, у которой центральный и боковые блоки используют одни и те же компоненты ракетного топлива. Тогда α2≈α1, т.е. (α21)≈1 и, таким образом, учитывая, что все массовые коэффициенты положительные, правая часть выражения (34):Consider the left and right sides of expression (34) in relation to the existing values of variables for a launch vehicle, in which the central and side blocks use the same components of rocket fuel. Then α 2 ≈α 1 , i.e. (α 2 / α 1 ) ≈1 and, therefore, given that all mass coefficients are positive, the right-hand side of expression (34):

Figure 00000053
Figure 00000053

В то же время левая часть выражения (34) µк2<1, т.к. конечная масса 2-й ступени всегда меньше начальной. Таким образом, для ракеты-носителя, у которой центральный и боковые блоки используют одни и те же компоненты ракетного топлива, выражение (34) необходимо записать в виде неравенства:At the same time, the left-hand side of expression (34) µ к2 <1, because the final mass of the 2nd stage is always less than the initial. Thus, for a launch vehicle in which the central and side blocks use the same components of rocket fuel, expression (34) must be written as inequality:

Figure 00000054
Figure 00000054

Это говорит о том, что частная производная ∂µпн/∂kд cp<0, т.е. для увеличения относительной массы полезной нагрузки µпн первых 2-х ступеней ракеты-носителя, у которой центральный и боковые блоки используют одни и те же компоненты ракетного топлива, необходимо уменьшать среднеинтегральный коэффициент дросселирования двигателей центрального блока kд ср вплоть до их полного отключения. Однако отключение двигателей центрального блока возможно только при достижении устойчивого движения по траектории, поэтому на практике kд ср всегда будет больше нуля, иначе теряется основная идея пакета - создание дополнительной стартовой тяги двигателями ракетного блока 2-й ступени.This suggests that the partial derivative ∂µ mon / ∂k d cp <0, i.e. to increase the relative payload mass µ bp of the first 2 stages of the launch vehicle, in which the central and side blocks use the same rocket fuel components, it is necessary to reduce the average integral throttle coefficient of the central unit engines k d cf until they are completely turned off. However, turning off the engines of the central unit is only possible when a steady movement along the trajectory is achieved, therefore, in practice, k d cf will always be greater than zero, otherwise the main idea of the package is lost - the creation of additional starting thrust by the engines of the rocket block of the 2nd stage.

Оценим значение отношения массовых коэффициентов топливных отсеков центрального и боковых блоков, соответствующее точке экстремума, после которого частная производная ∂µпн/∂kд ср>0, и для увеличения массы полезной нагрузки µпн необходимо наоборот повышать среднеинтегральный коэффициент дросселирования двигателей центрального блока kд ср. Для этого запишем выражение (33) в виде неравенства:Let us estimate the value of the ratio of the mass coefficients of the fuel compartments of the central and lateral blocks corresponding to the extremum point, after which the partial derivative ∂µ mon / ∂k d av > 0, and to increase the payload mass µ mon , on the contrary, it is necessary to increase the average integral throttle coefficient of the engines of the central block k d Wed To do this, we write expression (33) in the form of the inequality:

Figure 00000055
Figure 00000055

или:or:

Figure 00000056
Figure 00000056

распишем относительно α2:we write about α 2 :

Figure 00000057
Figure 00000057

или:or:

Figure 00000058
Figure 00000058

и окончательно:and finally:

Figure 00000059
Figure 00000059

Оценим выражение (38) с учетом того, что для существующих конструкций переменные в этом выражении могут принимать следующие значения:Let us evaluate expression (38), taking into account the fact that for existing structures, the variables in this expression can take the following values:

α1=0,05…0,10,α 1 = 0.05 ... 0.10,

µк2=0,3…0,6,µ k2 = 0.3 ... 0.6,

β2=0,01…0,02.β 2 = 0.01 ... 0.02.

Тогда значение [1+α1·(1-µк2)] не превысит 1,07. Таким образом, с учетом диапазона значений β2, можно сделать заключение о том, что для прекращения роста относительной массы полезной нагрузки первых 2-х ступеней ракеты-носителя µпн при уменьшении среднеинтегрального коэффициента дросселирования двигателей центрального блока kд ср, необходимо, чтобы отношение массовых коэффициентов топливных отсеков центрального и боковых блоков (α21) не превышало значение относительной конечной массы 2-й ступени, т.е.:Then the value of [1 + α 1 · (1-µ к2 )] does not exceed 1.07. Thus, taking into account the range of values of β 2 , we can conclude that to stop the growth of the relative mass of the payload of the first 2 stages of the launch vehicle µ mon with a decrease in the average integral throttle coefficient of the engines of the central unit k d av , it is necessary that the ratio the mass coefficients of the fuel compartments of the central and side blocks (α 2 / α 1 ) did not exceed the value of the relative final mass of the 2nd stage, i.e.:

Figure 00000060
Figure 00000060

или, другими словами, при одинаковых запасах топлива, баки центрального блока должны быть в 2…3 раза легче баков бокового блока, что практически не реализуемо.or, in other words, with the same fuel reserves, the tanks of the central unit should be 2 ... 3 times lighter than the tanks of the side unit, which is practically not feasible.

Claims (9)

1. Способ выведения на орбиту полезной нагрузки ракетой-носителем с полиблочным пакетом ракетных блоков комбинированной схемы, включающий следующие этапы:
a. при старте ракеты-носителя выводят маршевые жидкостные реактивные двигательные установки (ЖРДУ) боковых и центрального ракетных блоков на номинальную тягу,
b. после достижения ракетой-носителем продольного ускорения, обеспечивающего устойчивое положение ракеты-носителя на траектории, производят выключение, по крайней мере, одного двигателя маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока или производят его дросселирование до уровня ниже 0,3 от номинальной тяги,
c. до отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков повторно включают или дросселируют до уровня выше 0,3 от номинальной тяги двигатель маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, тягу которого ранее понижали,
d. отделяют и сбрасывают боковые ракетные блоки при включенном ЖРДУ центрального ракетного блока,
e. выводят головной блок, включая тандемно расположенные верхние ступени на заданную траекторию.
1. A method of putting payload into orbit with a launch vehicle with a multiblock package of missile blocks of a combined scheme, comprising the following steps:
a. at the launch of the launch vehicle, marching liquid propellant propulsion systems (LRE) of the lateral and central missile units are launched for nominal thrust,
b. after the launch vehicle has reached longitudinal acceleration ensuring a stable position of the launch vehicle on the trajectory, at least one engine of the mid-range main propellant rocket engine is switched off or throttled to a level below 0.3 of the nominal thrust,
c. until the marching rocket engine of the side rocket blocks is switched off, the engine of the marching rocket engine of the central rocket block, the thrust of which was previously lowered, is repeatedly turned on or throttled to a level above 0.3 from the rated thrust,
d. separate and drop the side rocket blocks when the main rocket block rocket engine is on,
e. the head unit is brought out, including the tandemly located upper steps to a predetermined path.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадия b. наступает при достижении ракетой-носителем продольного ускорения 11,8…16,7 м/с2.2. The method according to p. 1, characterized in that stage b. occurs when the launch vehicle reaches longitudinal acceleration of 11.8 ... 16.7 m / s 2 . 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с неидентичными топливными баками, габаритно-массовыми характеристиками и маршевыми ЖРДУ с одинаковой или различной номинальной тягой.3. The method according to p. 1, characterized in that they form a lower multiblock package of rocket blocks with non-identical fuel tanks, mass-size characteristics and mid-range rocket engines with the same or different nominal thrust. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с различными компонентами ракетного топлива.4. The method according to p. 1, characterized in that they form a lower multiblock package of rocket blocks with various components of rocket fuel. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют нижний полиблочный пакет из ракетных блоков с различным количеством ЖРДУ идентичных ЖРД с одинаковой номинальной тягой.5. The method according to p. 1, characterized in that they form a lower multiblock package of missile blocks with a different number of LRE identical LRE with the same nominal thrust. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при старте ракеты-носителя выводят и поддерживают неизменной тягу маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока до значения, обеспечивающего достижение ракетой-носителем продольного ускорения 11,8…16,7 м/с2.6. The method according to p. 1, characterized in that, at the launch of the launch vehicle, the thrust of the mid-range rocket engine of the central missile unit is launched and maintained unchanged to a value that ensures that the launch vehicle reaches longitudinal acceleration of 11.8 ... 16.7 m / s 2 . 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что включение ЖРДУ производится за время до отключения маршевых ЖРДУ боковых ракетных блоков, достаточное для выхода ЖРДУ центрального блока на номинальный режим работы.7. The method according to p. 1, characterized in that the inclusion of liquid propellant rocket engines is performed before the marching rocket propellant rocket engines of the side rocket units are turned off, sufficient for the central rocket engine to reach its nominal operating mode. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, по крайней мере, на один двигатель маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, который отключают или дросселируют до уровня менее 0,3 от номинальной тяги, устанавливают сдвижной сопловой насадок, который сдвигают после выключения или дросселирования двигателя до уровня менее 0,3 от номинальной тяги.8. The method according to p. 1, characterized in that at least one marching propulsion engine of the central rocket engine, which is turned off or throttled to a level less than 0.3 of the nominal thrust, sets a movable nozzle nozzle, which is shifted after shutdown or throttling the engine to less than 0.3 of the rated thrust. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, по крайней мере, на два двигателя маршевой ЖРДУ центрального ракетного блока, которые отключают или дросселируют до уровня менее 0,3 от номинальной тяги, устанавливают единый сдвижной сопловой насадок, который сдвигают после выключения или дросселирования двигателей до уровня менее 0,3 от номинальной тяги. 9. The method according to p. 1, characterized in that at least two engines of the marching liquid propellant rocket engine of the central rocket block, which shut off or throttle to a level less than 0.3 of the nominal thrust, install a single movable nozzle nozzle, which is shifted after shutdown or throttling engines to less than 0.3 of the rated thrust.
RU2015131293/11A 2015-07-28 2015-07-28 Method for payload orbital injection by carrier rocket RU2595092C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015131293/11A RU2595092C1 (en) 2015-07-28 2015-07-28 Method for payload orbital injection by carrier rocket

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015131293/11A RU2595092C1 (en) 2015-07-28 2015-07-28 Method for payload orbital injection by carrier rocket

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2595092C1 true RU2595092C1 (en) 2016-08-20

Family

ID=56697397

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015131293/11A RU2595092C1 (en) 2015-07-28 2015-07-28 Method for payload orbital injection by carrier rocket

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2595092C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU176695U1 (en) * 2017-09-28 2018-01-25 Ревик Артурович Степанян Two-stage rocket
RU2742908C2 (en) * 2019-04-26 2021-02-11 Акционерное общество "Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева" Space rocket
CN114109650A (en) * 2021-10-27 2022-03-01 厦门大学 Integral liquid rocket punching combined power device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5141181A (en) * 1989-10-05 1992-08-25 Leonard Byron P Launch vehicle with interstage propellant manifolding
EP0508609B1 (en) * 1991-04-08 1998-05-20 Trw Inc. Modular solid-propellant launch vehicle and related launch facility
RU2161108C1 (en) * 2000-02-07 2000-12-27 Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева Method for orbit injection of payload by multifunctional launch vehicle of combination arrangement with cruise liquid- propellant rocket engine installations (lrei), multifunctional launch vehicle with cruise lpei and method for its development

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5141181A (en) * 1989-10-05 1992-08-25 Leonard Byron P Launch vehicle with interstage propellant manifolding
EP0508609B1 (en) * 1991-04-08 1998-05-20 Trw Inc. Modular solid-propellant launch vehicle and related launch facility
RU2161108C1 (en) * 2000-02-07 2000-12-27 Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева Method for orbit injection of payload by multifunctional launch vehicle of combination arrangement with cruise liquid- propellant rocket engine installations (lrei), multifunctional launch vehicle with cruise lpei and method for its development

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU176695U1 (en) * 2017-09-28 2018-01-25 Ревик Артурович Степанян Two-stage rocket
RU2742908C2 (en) * 2019-04-26 2021-02-11 Акционерное общество "Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева" Space rocket
CN114109650A (en) * 2021-10-27 2022-03-01 厦门大学 Integral liquid rocket punching combined power device
CN114109650B (en) * 2021-10-27 2023-02-28 厦门大学 Integral liquid rocket punching combined power device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017018903A1 (en) Method for placing a payload into orbit using a carrier rocket
Grover III et al. Overview of the Phoenix entry, descent, and landing system architecture
RU2595092C1 (en) Method for payload orbital injection by carrier rocket
Sippel et al. A viable and sustainable European path into space–for cargo and astronauts
Dwyer-Cianciolo et al. Entry, descent and landing systems analysis: exploration class simulation overview and results
RU2562826C1 (en) Increasing efficiency of space rocket with mid-flight liquid-propellant engine
Hank et al. TSTO reusable launch vehicles using airbreathing propulsion
Marsh et al. Fully-propulsive Mars atmospheric transit strategies for high-mass missions
Young et al. Responsive access small cargo affordable launch (RASCAL) independant performance evaluation
Sippel et al. Outlook on the New Generation of European Reusable Launchers
Villanueva et al. Small launch vehicle trajectory profile optimization using hybrid algorithm
US6059235A (en) Interplanetary transfer method
Hellman et al. Return to launch site trajectory options for a reusable booster without a secondary propulsion system
Olds Two options for flight testing rocket-based combined-cycle engines
Qian et al. A guidance scheme for air-launched solid launch vehicle
Johnson et al. Further evaluation of an adaptive method for launch vehicle flight control
Savioli et al. Space debris removal using multi-mission modular spacecraft
Pienkowski et al. Analysis of the aerodynamic orbital transfer capabilities of the X-37 space maneuvering vehicle (SMV)
Akhtar et al. Simulation-based optimization strategy for liquid fueled multi-stage space launch vehicle
Villanueva et al. Small launch vehicle optimal design configuration from ballistic missile components
Chai et al. Re-entry Dynamics and Control of Pivot Wing Fly Back Boosters
Kimura et al. Three-stage launch system with scramjets
Johnson, MS et al. Architectural Study of Crew Launch Escape Systems with Ascent Assist Capability
Konstantinov The analysis of influence of electrical propulsion characteristics on efficiency of transport maneuvers
Bartkiewicz et al. Mars Campaign Optimizer