Статья опубликована в рамках: CII Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 10 июня 2021 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Космос, Авиация
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
ВЫБОР РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ТЯЖЕЛОГО КЛАССА ДЛЯ ВЫВОДА ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА НА ГЕОПЕРЕХОДНУЮ ОРБИТУ
Данная работа направлена на определение наиболее предпочтительного варианта ракеты-носителя тяжелого класса для вывода полезной нагрузки большей массы.
Тяжёлая ракета-носитель — класс ракет-носителей (РН), способных выводить на низкую околоземную орбиту (НОО) от 20 до 50 тонн [1].
1) РН «Протон-М»
РН «Протон» - ракета-носитель (РН) тяжёлого класса, предназначенная для выведения автоматических космических аппаратов на орбиту Земли и далее в космическое пространство. Способна выводить на геостационарную орбиту (ГСО) грузы до 3,3 т. Разработана в 1961—1967 годах в подразделении ОКБ-23 (ныне ГКНПЦ имени М. В. Хруничева), являвшемся частью ОКБ-52 В. Н. Челомея [2].
2) РН «Чанчжэн-5»
РН «Чанчжэн-5» — китайская РН тяжелого класса семейства Чанчжэн, разработанная Исследовательским институтом ракетной техники Китайского объединения космических технологий. Третий представитель (после «Чанчжэн-6» и «Чанчжэн-7») новой линейки китайских ракет-носителей, использующий экологически чистое ракетное топливо: жидкий водород, жидкий кислород и керосин. Это серийная универсальная многоступенчатая ракета, способная доставлять на орбиту грузы массой до 25 тонн [5].
3) РН Falcon 9 FT
Falcon 9 FT — ракета-носитель тяжёлого класса серии Falcon американской компании SpaceX. Falcon 9 FT состоит из двух ступеней и использует в качестве компонентов топлива керосин марки RP-1 и жидкий кислород [3].
4) РН «Ариан-5 ES»
«Ариан-5 ES» - европейская одноразовая тяжёлая ракета-носитель семейства Ариан, предназначена для выведения полезной нагрузки на низкую опорную орбиту (НОО) или геопереходную орбиту (ГПО). Производится Европейским космическим агентством (ЕКА), основной подрядчик — European Astrium Space Transportation (EADS) [3].
Необходимо провести анализ оценочных показателей (характеристик) ракет-носителей (РН) и выбрать РН, исходя из характеристик, приведенных в таблице. [2, 4, 5, 6]
Таблица 1.
Характеристики ракета-носителей
|
Ракета-носители |
Стартовая масса, т |
Масса полезного груза на ГПО, т |
Длина, м |
Надёжность, % |
Тяга двигателя на первой ступени, кН |
Стоимость, млн. дол. |
Удельный импульс на первой ступени, с |
|
«Протон-М» |
705 |
7,1 |
58,2 |
90 |
10026 |
70 |
228 |
|
Falcon 9 FT |
549 |
8,3 |
70 |
100 |
8227 |
62 |
311 |
|
«Чанчжэн-5» |
867 |
14 |
57 |
80 |
1400 |
163 |
426 |
|
«Ариан-5 ES» |
777 |
6,1 |
52 |
100 |
1390 |
170 |
432 |
В данной работе максимум предпочтения отдается массе выводимой полезной нагрузки и энергетическим характеристикам представленных ракета-носителей тяжелого класса. Однако, в случае смены приоритетных характеристик оптимальное значение может смениться в пользу другого типа, с наибольшими параметрами, соотносящимися с максимальным возможным значением в приоритете.
Ниже приведена сводная таблица весовых коэффициентов характеристик, вычисленных методами ранжирования, балльных оценок, допустимых относительных отклонений, попарных приоритетов.
Таблица 2.
Сводная таблица весовых коэффициентов характеристик
|
Методы задания предпочтении |
Стартовая масса |
Масса полезного груза на ГПО |
Длина |
Надёжность |
Тяга двигателя на первой ступени |
Стоимость |
Удельный импульс на первой ступени |
Сумма |
|
Метод ранжирования |
0,170 |
0,125 |
0,089 |
0,170 |
0,223 |
0,134 |
0,089 |
1 |
|
Метод балльных оценок |
0,156 |
0,120 |
0,109 |
0,174 |
0,193 |
0,124 |
0,123 |
1 |
|
Метод относительных отклонений |
0,134 |
0,168 |
0,160 |
0,132 |
0,131 |
0,136 |
0,138 |
1 |
|
Метод попарных приоритетов |
0,155 |
0,144 |
0,109 |
0,155 |
0,192 |
0,123 |
0,123 |
1 |
|
Сумма |
0,615 |
0,557 |
0,467 |
0,631 |
0,739 |
0,517 |
0,473 |
4 |
Среднее значение весовых коэффициентов:
;
;
;
;
;
;
Определим максимум каждого локального критерия.
Таблица 3.
Характеристики разгонных блоков с определенными максимальными элементами
|
Ракета-носители |
Стартовая масса, т |
Масса полезного груза на ГПО, т |
Длина, м |
Надёжность, % |
Тяга двигателя на первой ступени, кН |
Стоимость, млн. дол. |
Удельный импульс на первой ступени, с |
|
«Протон-М» |
705 |
7,1 |
58,2 |
90 |
10026 |
70 |
228 |
|
Falcon 9 FT |
549 |
8,3 |
70 |
100 |
8227 |
62 |
311 |
|
«Чанчжэн-5» |
867 |
14 |
57 |
80 |
1400 |
163 |
426 |
|
«Ариан-5 ES» |
777 |
6,1 |
52 |
90 |
1390 |
170 |
432 |
, 
; 
; 
; 
; 
.
При решении задачи максимизируются второй, четвертый, пятый, седьмой критерии (масса полезного груза на ГПО, надёжность, тяга двигателя на первой ступени, удельный импульс на первой ступени), а первый, третий, шестой критерии (стартовая масса, длина, стоимость) минимизируются.
Таблица 4.
Нормализованные характеристики разгонных блоков
|
Ракета-носители |
Стартовая масса, т |
Масса полезного груза на ГПО, т |
Длина, м |
Надёжность, % |
Тяга двигателя на первой ступени, кН |
Стоимость, млн. дол. |
Удельный импульс на первой ступени, с |
|
«Протон-М» |
0,187 |
0,507 |
0,169 |
0,9 |
1,000 |
0,588 |
0,528 |
|
Falcon 9 FT |
0,367 |
0,593 |
0,000 |
1 |
0,821 |
0,635 |
0,720 |
|
«Чанчжэн-5» |
0,000 |
1,000 |
0,186 |
0,8 |
0,140 |
0,041 |
0,986 |
|
«Ариан-5 ES» |
0,104 |
0,436 |
0,257 |
1 |
0,139 |
0 |
1 |
Определим обобщенную функцию цели по каждому варианту техники:
; 
; 
; 
.
Наиболее полно удовлетворяет заданным предпочтениям группы экспертов ракета-носитель «Протон-М», т.к. Fmax = F1 = 0,594. Основные характеристики «Протон-М» представлены в таблице 5.
Таблица 5.
Характеристики ракета-носителя тяжелого класса «Протон-М»
|
Ракета-носитель |
Стартовая масса, т |
Масса полезного груза на ГПО, т |
Длина, м |
Надёжность, % |
Тяга двигателя на первой ступени, кН |
Стоимость, млн. дол. |
Удельный импульс на первой ступени, с |
|
«Протон-М» |
705 |
7,1 |
58,2 |
90 |
10026 |
70 |
228 |
В ходе данной работы было выбрано четыре ракета-носителя тяжелого класса, среди которых с помощью данного метода был определен наиболее полно удовлетворяющий заданным предпочтениям группы экспертов: «Протон-М», так как Fmax = F1 = 0,594. Ракета-носитель «Протон-М» является наиболее полно удовлетворяющим требованием по совокупности характеристик из четырех ракета-носителей, потому что может выводить больше полезного груза, имеет высокую надежность, а также имеет большую тягу двигателя и удельный импульс.
Список литературы:
- Технологические объекты наземной инфраструктуры ракетно-космической техники. Книга 2 / Под ред. И.В. Бармина. – М.: Изд-во Полиграфикс РПК, 2006
- Ракета-носители. Проекты и реальность. Ракеты-носители России и Украины. Книга 1 / Под ред. В. Н. Блинов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011
- Ракета-носители. Проекты и реальность. Зарубежные ракеты-носители. Книга 2 / Под ред. В. Н. Блинов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Falcon_9
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Чанчжэн-5
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Ариан-5ES
дипломов
Оставить комментарий