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 ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МЕТОДОМ ЭКСПЕРТНОГО ОЦЕНИВАНИЯ
В работе определен электрический ракетный двигатель, наиболее полно удовлетворяющий предпочтениям группы экспертов по комплексу оценочных показателей, с использованием процедуры свертывания критериев методом аддитивной оптимизации.
Электрический ракетный двигатель (ЭРД) – ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. [1]
В таких двигателях в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического аппарата.
Электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1-100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2) ограничивают мaаксимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками Ньютон. Недостатком электрических ракетных двигателей также является малое ускорение космического аппарата, которое составляет десятые или даже сотые доли ускорения свободного падения (g), что ограничивает применение таких двигателей только космическим пространством. Поэтому для запуска космического аппарата с Земли к другим планетам необходимо комбинировать обычные химические ракетные двигатели с электрическими.
1) ЭРД СПД-50
Выбранные оценочные показатели и их значения:
назначения — ЭРДУ малых космических аппаратов, тяга — 14 мН, мощность — 0,22 кВт, удельный импульс — 860 с, тяговый КПД — 26 %, ресурс — ≥2500 ч, масса — 1,23 кг, стоимость — 200 тыс. $.
2) ЭРД СПД-60
Выбранные оценочные показатели и их значения:
назначения — ЭРДУ малых космических аппаратов, тяга — 30 мН, мощность — 0,5 кВт, удельный импульс — 1300 с, тяговый КПД — 37 %, ресурс — 2500 ч, масса — 1,2 кг, стоимость — 220 тыс. $.
3) ЭРД СПД-70
Выбранные оценочные показатели и их значения:
назначения — ЭРДУ малых космических аппаратов, тяга — 40 мН, мощность — 0,66 кВт, удельный импульс — 1470 с, тяговый КПД — 43 %, ресурс — 3100 ч, масса — 2 кг, стоимость — 260 тыс. $.
Необходимо провести анализ оценочных показателей (характеристик) электрических ракетных двигателей и выбрать двигатель, исходя из характеристик, приведенных в таблице 1.
Таблица 1.
Характеристики ракетных двигателей
|
ЭРД |
Тяга |
Мощность |
Удельный импульс |
Тяговый КПД |
Ресурс |
Масса |
Стоимость |
|
СПД-50 |
14 |
0,22 |
860 |
26 |
2499 |
1,23 |
200 |
|
СПД-60 |
30 |
0,5 |
1300 |
37 |
2500 |
1,2 |
220 |
|
СПД-70 |
40 |
0,66 |
1470 |
43 |
3100 |
2 |
260 |
В данной работе максимум предпочтения отдается тяге и энергетическим характеристикам представленных ракетных двигателей. Однако, в случае смены приоритетных характеристик оптимальное значение может сменится 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 |
Критерии |
||||||
|
Тяга |
Мощ-ность |
Удель-ный импульс |
Тяговый КПД |
Ресурс |
Мас-са |
Стои-мость |
|
|
Метод ранжирования |
0,220 |
0,110 |
0,160 |
0,180 |
0,120 |
0,120 |
0,090 |
|
Метод балльных оценок |
0,172 |
0,131 |
0,144 |
0,154 |
0,137 |
0,137 |
0,125 |
|
Метод относ-ных отклонений |
0,104 |
0,113 |
0,110 |
0,127 |
0,155 |
0,165 |
0,226 |
|
Метод попарных приоритетов |
0,172 |
0,131 |
0,144 |
0,154 |
0,137 |
0,137 |
0,125 |
|
Сумма |
0,668 |
0,485 |
0,558 |
0,615 |
0,549 |
0,559 |
0,566 |
Среднее значение весовых коэффициентов:
;
;
;
;
;
;
;
Определим максимум каждого локального критерия.
Таблица 3.
Характеристики ракетных двигателей с определенными максимальными элементами
|
ЭРД |
Тяга |
Мощность |
Удельный импульс |
Тяговый КПД |
Ресурс |
Масса |
Стоимость |
|
СПД-50 |
14 |
0,22 |
860 |
26 |
2499 |
1,23 |
200 |
|
СПД-60 |
30 |
0,5 |
1300 |
37 |
2500 |
1,2 |
220 |
|
СПД-70 |
40 |
0,66 |
1470 |
43 |
3100 |
2 |
260 |
|
Макс. элемент столбца |
40 |
0,66 |
1470 |
43 |
3100 |
2 |
260 |
,
; 
; 
; 
; 
;
.
При решении задачи максимизируются первый, второй, третий четвертый, пятый критерии (тяга, мощность, удельный импульс, тяговый КПД, ресурс), а шестой критерия (масса) и седьмой критерия (стоимость) минимизируются.
Исходя из принципа максимизации эффективности, при нормализованный критерии.
Таблица 4.
Нормализованные характеристики ракетных двигателей
|
ЭРД |
Тяга |
Мощность |
Удельный импульс |
Тяговый КПД |
Ресурс |
Масса |
Стоимость |
|
СПД-50 |
0,350 |
0,333 |
0,585 |
0,605 |
0,806 |
0,385 |
0,231 |
|
СПД-60 |
0,750 |
0,758 |
0,884 |
0,860 |
0,806 |
0,400 |
0,154 |
|
СПД-70 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0,000 |
0,000 |
Определим обобщенную функцию цели по каждому варианту техники:
Наиболее полно удовлетворяет заданным предпочтениям группы экспертов ракетный двигатель «СПД-70», т.к. Fmax = F3 = 0,719.
Список литературы:
- ГОСТ 7.32-2001. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Общие требования и правила оформления. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001. - 19 с.
- Лебедев А.А. Курс системного анализа: [учеб.пособие] / А.А. Лебедев. - М.: Машиностроение: Машиностроение-Полет, 2010. - 255 с.
- Системный анализ, управление и динамическое моделирование воспроизводственного процесса на макроуровне : учеб.пособие для вузов по направл. «Системный анализ и управление» / М.Б. Гузаиров [и др.]. - М.: Машиностроение, 2013. - 207 с.
дипломов
Оставить комментарий