Статья опубликована в рамках: XC Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 08 июня 2020 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Космос, Авиация
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ВЫБОР ПАРЫ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
Использование в ракетно-космической технике (РКТ) в качестве компонентов ракетного топлива химических веществ первого и второго класса опасности позволяет отнести ракетно-космическую деятельность к опасным видам. Наблюдается, что оценка возможных последствий воздействия компонентов ракетного топлива на окружающую среду в настоящее время проводится на основе санитарно-гигиенических нормативов без учета нарушения функционирования природных экосистем.
В данной работе представлен расчет по определению предпочтений группы экспертов в выборе оценочных показателей (характеристик) компонентов ракетного топлива (КРТ) с помощью вычисления значений весовых коэффициентов методами ранжирования, балльных оценок, допустимых относительных отклонений, попарных приоритетов. [1]
Для выделения основных тактико-технических характеристик были сформированы следующие виды экспертов: главный конструктор (разработчики), инженер-испытатель, специалист – химик, эколог, экономист.
Которые сформулировали свои предпочтения в выборе оценочных показателей (характеристик) компонентов ракетного топлива с помощью вычисления значений весовых коэффициентов методами ранжирования, балльных оценок, допустимых относительных отклонений, попарных приоритетов
[Высоко токсичен – 1, токсичен ‑ 2, слабо токсичен – 3, опасен при эксплуатации – 4, не токсичен – 5]. Данная классификация выбрана по госту ГОСТ 17.2.3.02-78 Международный стандарт топлива для ракетных двигателей. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ в промышленных предприятиях.
Таблица 1.
Характеристики КРТ
Топливные пары |
Удельный импульс, м/с |
Плотность топливных пар, кг/м3 |
Температура в КС, К |
Температура кипения, К |
Безопасность при эксплуатации, ПДК |
Стоимость, тыс.руб./т |
Керосин + кислород |
3475 |
1090 |
3800 |
350 |
5 |
55 |
Водород + кислород |
4000 |
340 |
3650 |
220 |
4 |
70 |
НДМГ + АТ |
3300 |
1190 |
3500 |
315 |
1 |
55 |
НДМГ + О2 |
3040 |
396 |
3600 |
380 |
2 |
47 |
Метан + кислород |
3550 |
750 |
3600 |
210 |
3 |
40 |
Таблица 2.
Сводная таблица весовых коэффициентов характеристик
Удельный импульс |
Плотность топливных пар |
Температура в КС |
Температура кипения |
Безопасность при эксплуатации |
Стоимость |
Сумма |
|
Метод ранжирования |
0,239 |
0,181 |
0,171 |
0,162 |
0,152 |
0,095 |
1,000 |
Метод балльных оценок |
0,230 |
0,204 |
0,165 |
0,138 |
0,164 |
0,099 |
1,000 |
Метод относительных отклонений |
0,183 |
0,177 |
0,166 |
0,162 |
0,157 |
0,155 |
1,000 |
Метод парных приоритетов |
0,230 |
0,204 |
0,165 |
0,138 |
0,164 |
0,099 |
1,000 |
Сумма |
0,882 |
0,766 |
0,667 |
0,600 |
0,637 |
0,448 |
4,000 |
Весовые коэффициенты |
0,221 |
0,192 |
0,167 |
0,150 |
0,159 |
0,112 |
1,000 |
Таким образом, характеристики компонентов ракетного распределены по степени убывания важности:
- удельный импульс ,
- плотность топливных пар ,
- температура в КС ,
- безопасность при эксплуатации
- температура кипения ,
- стоимость .
Для выбора оптимальной пары ракетного топлива необходимо провести сравнительный анализ топливных пар. Необходимо выбрать КРТ исходя из характеристик, приведенных в таблице 1.
Ниже приведена сводная таблица весовых коэффициентов характеристик, вычисленных методами ранжирования, балльных оценок, допустимых относительных отклонений, попарных приоритетов.
Таблица 3.
Сводная таблица весовых коэффициентов характеристик
Удельный импульс |
Плотность топливных пар |
Температура в КС |
Температура кипения |
Безопасность при эксплуатации |
Стоимость |
Сумма |
|
Метод ранжирования |
0,239 |
0,181 |
0,171 |
0,162 |
0,152 |
0,095 |
1,000 |
Метод балльных оценок |
0,230 |
0,204 |
0,165 |
0,138 |
0,164 |
0,099 |
1,000 |
Метод относительных отклонений |
0,183 |
0,177 |
0,166 |
0,162 |
0,157 |
0,155 |
1,000 |
Метод парных приоритетов |
0,230 |
0,204 |
0,165 |
0,138 |
0,164 |
0,099 |
1,000 |
Сумма |
0,882 |
0,766 |
0,667 |
0,600 |
0,637 |
0,448 |
4,000 |
Весовые коэффициенты |
0,221 |
0,192 |
0,167 |
0,150 |
0,159 |
0,112 |
1,000 |
Исходя из принципа максимизации эффективности, нормализованы критерии:
Таблица 4.
Тактико-технические характеристики КРТ
КРТ |
Удельный импульс, м/с |
Плотность топливных пар, кг/м3 |
Температура в КС, К |
Температура кипения, К |
Безопасность при эксплуатации, (ПДК) |
Стоимость, тыс.руб./т |
Керосин + кислород |
0,750 |
0,840 |
1,000 |
0,079 |
1,000 |
0,643 |
Водород + кислород |
1,000 |
0,286 |
0,934 |
0,395 |
0,800 |
0,571 |
НДМГ + АТ |
0,675 |
1,000 |
0,921 |
0,171 |
0,200 |
0,500 |
НДМГ + О2 |
0,763 |
0,832 |
0,947 |
0,000 |
0,400 |
0,614 |
Метан + кислород |
0,888 |
0,630 |
0,934 |
0,447 |
0,600 |
0,714 |
Определим обобщенную функцию цели по каждому варианту техники:
Таким образом, по методу нахождения эффективного решения многокритериальной задачи с использованием процедуры свертывания критериев методом аддитивной оптимизации, было выбрано пять различных топливных пар, среди которых с помощью данного метода был определен наиболее полно удовлетворяющий заданным предпочтениям группы экспертов топливная пара: керосин + кислород, так как Fmax=F1=0,731 и F2=0,716 – пара метан + кислород.
Топливная пара кислород + керосин является самым популярным, освоенным и одним из безопасных пар в ркетной отрасли. Удельный импульс (УИ) усреднённую 358 c в пустоте, усредненная плотность (плотность смеси в соотношении для работы двигателя) 1,090 г/см3.
На этой паре летает очень много современных ракет-носителей – «Союз», «Зенит», «Атлас», «Фэлкон». Главных недостатков два - не самый высокий УИ, и то, что кислород хранится в баках в жидком виде. Также жидкий кислород нельзя хранить месяцами для коррекций орбиты. Существует физический факт - переохлажденный кислород, т.е. кислород при температуре ниже температуры кипения чуть плотнее, поэтому в такой же бак его поместится больше, и он не так активно закипает при заправке.
Следующей парой по эффективности является топливная пара кислород + метан. Двигатели, работающие на метане, могут быть спроектированы для работы при более высоких давлениях, если учитывать увеличение эффективности, которую даёт повышенное давление в камере сгорания, то метановый двигатель будет на 20% более производительным, чем керосиновый.
Такое увеличение эффективности означает значительную экономию средств, а значит потенциально может сделать космические перелёты дешевле. При увеличении удельного импульса уменьшается количество метана, необходимого для отрыва ракеты от стартового стола. Меньшее количество метана - меньшие топливные баки. Метан также облегчает процесс собственного хранения перед запуском и упрощает конструкцию топливных насосов.
Ещё одно преимущество метана как компонента топлива - он создаёт избыточное давление в баках, в которых находится. Это называется автогенный наддув. И он позволяет не использовать какие-либо сторонние системы наддува для своих топливных баков.
Список литературы:
- Павленко А.И. Формализация задач принятия решений и выбора: учеб.пособие / А.И. Павленко; МАИ (гос. техн. ун-т). - М.: МАИ-ПРИНТ, 2009. - 89 с.- ISBN 978-5-7035-2110-6.
- Сарнер С,. Химия ракетных топлив / Большаков Г.Ф., Химия и технология компонентов жидкого ракетного топлива, Л., 1983;
дипломов
Оставить комментарий