СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ РАКЕТ НОСИТЕЛЕЙ СРЕДНЕГО И ТЯЖЕЛОГО КЛАССОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРТНОГО ОЦЕНИВАНИЯ

Выведение космических аппаратов (КА) на заданные орбиты может осуществляться за счет последовательного срабатывания ступеней ракеты‑носителя (РН) или с использованием дополнительной ступени – разгонного блока (РБ). [1]

Разгонные блоки используются для перевода выводимых полезных грузов с орбиты на орбиту или на отлетные и межпланетные траектории. Для этого РБ должны выполнять один или несколько маневров для изменения скорости полета, т.е. предполагается многократное включение маршевого двигателя для обеспечения ориентации и стабилизации движения разгонного блока с КА. [2]

В России созданы и находятся в эксплуатации самые лучшие в мире по надежности разгонные блоки: РБ семейства «Бриз», «Фрегат», «ДМ», «Волга».

В США созданы и используются РБ «Центавр», «Дельта-4-2», «PAM-D», «HAPS», «Орион-38». Европейское космическое агентство эксплуатирует РБ «EPS», «ESC-A», «EPS-V». Страны азиатского тихоокеанского региона, такие как Китай эксплуатируют «Н-18» и «L-14», Япония – «Н2А», Индия эксплуатирует жидкостные разгонные блоки «PS-2» и «CS-12». [5]

В данной работе проведен анализ следующих разгонных блоков для РН среднего и тяжелого классов: «Бриз‑М», «Фрегат-СБ», «ДМ», «Центавр Д-2» и «L-14». Группой экспертов определены основные характеристики разгонных блоков (длина, ширина, масса, тяга, удельный импульс, максимальное количество включений маршевого двигателя, масса выводимой полезной нагрузки на геостационарную орбиту, надежность), представленные в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики разгонных блоков

Разгонный блок «Бриз-М» используется в составе РН «Протон-М» и «Ангара-А5» и обеспечивает выведение космических аппаратов на различные околоземные орбиты. В качестве компонентов топлива использует азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин. [1]

Рисунок 1. Компоновка РБ «Бриз-М»

На сегодняшний день существует три модификации РБ «Фрегат»:

• «Фрегат» (использовалась для РН «Союз-У», «Союз-ФГ», «Союз‑2»);
• «Фрегат-СБ» со сбрасываемыми баками (для РН среднего и тяжелого классов, таких как «Зенит-3SLБФ», «Союз-2»);
• «Фрегат-МТ» (для запусков с космодрома Куру). [4]

В качестве компонентов топлива используются азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин.

Рисунок 2. Внешний вид разгонного блока «Фрегат»

Разгонный блок «ДМ» предназначен для запуска космических аппаратов на целевую орбиту искусственного спутника Земли и на отлетные траектории к планетам. Блок работает на жидком кислороде и керосине. В настоящее время РБ «ДМ» различных модификаций используется для работы в составе ракет-носителей семейства «Протон» и «Зенит». [3]

Рисунок 3. Компоновка разгонного блока «ДМ»

«Центавр» – разгонный блок, который применялся для запуска многих межпланетных станций НАСА и вывода на геостационарную орбиту спутников США различного назначения. Широко использовался на РН «Титан‑4», в настоящее время используется на РН «Атлас-5» и «Дельта-4». «Центавр» является первым разгонным блоком, который работает на криогенных компонентах топлива – жидком кислороде и водороде. [5]

Рисунок 4. Конструкция разгонного блока «Центавр Д-2»

В настоящее время Китай успешно эксплуатирует ракету-носитель «CZ‑3B» («Великий поход-3Б»). На данной РН используется РБ «L-14», работающий на жидком кислороде и жидком водороде. На блоке, помимо баков с топливом установлены баки с гелием, газообразным кислородом и гидразином, который используется в качестве топлива для ускорителей, что позволяет блоку осуществлять маневрирование в ходе выведения полезной нагрузки. [6]

Рисунок 5. Разгонный блок «L-14»

Значения весовых коэффициентов предпочтения экспертов, вычисленных в методах ранжирования, балльных оценок, допустимых относительных отклонений, попарных приоритетов представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Сводная таблица весовых коэффициентов характеристик

Средние значения весовых коэффициентов: ; ; ; ; ; ; ; .

Для решения задачи определяются максимумы каждого локального критерия (см. табл. 1): , ; ; ; ; ; , .

При решении задачи максимизируются четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой критерии (тяга МД в пустоте, удельный импульс тяги в пустоте, максимальное количество включений МД, масса выводимой полезной нагрузки на ГСО, надежность), а первый, второй, третий критерии (длина, ширина, масса) минимизируются.

В соответствии с принципом максимальной эффективности нормализованные критерии определяются из следующих соотношений:

- для критериев, которые максимизируются:

- для критериев, которые минимизируются:

Оптимальным будет тот вариант, который обеспечивает максимальное значение функции цели:

Таблица 3.

Нормализованные характеристики разгонных блоков

Обобщенные функции цели для каждого разгонного блока определились следующим образом: ; ; ; ; .

Наиболее полно удовлетворяет заданным предпочтениям группы экспертов разгонный блок «Фрегат-СБ», т.к. F_max = F₂ = 0,663.

Разгонный блок «Фрегат-СБ» обладает несколько меньшей грузоподъемностью, чем «Бриз-М» и «ДМ», но является наиболее предпочтительным по массово-габаритным характеристикам, поэтому чаще используется для выведения космических аппаратов на различные заданные орбиты благодаря своей универсальности и возможности использования в составе ракет‑носителей среднего и тяжелого классов.

Список литературы:

1. Гудилин В.Е., Слабкий Л.И. Проектные проработки перспективных разгонных блоков // Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы). – М., 1996. – 326 с.
2. Ковалев Б.К. Развитие ракетно-космических систем выведения: учебное пособие. – М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. – 398 с.: ил.
3. Система управления разгонным блоком: Учебное пособие / Андреев В.П., Бонк Р.И., Бровкин А.Г. и др. / Под редакцией А.С. Сырова. – М.: Изд-во МАИ‑ПРИНТ, 2010. – 272 с.: ил.
4. Разгонные блоки – Госкорпорация «Роскосмос» [Электронный ресурс]. URL: https://www.roscosmos.ru/32/
5. Евтифьев М.Д., Ковригин Л.А., Кольга В.В., Лебедева Л.Н., Филатов В.В. Современные ракеты-носители зарубежных стран. Ракетно-космическая техника: учеб. пособие. – Красноярск: Изд-во СибГАУ, 2010.  – 276 с.: ил.
6. Уманский С.П. Ракеты-носители. Космодромы. – М.: Изд-во Рестарт+. 2001 – 216 с.