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

Библиографическое описание:

Шакизадаев Б.Б. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ВЫБОР ПАРЫ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XC междунар. студ. науч.-практ. конф. № 6(89). URL: https://sibac.info/archive/technic/6(89).pdf (дата обращения: 25.04.2024)

Проголосовать за статью

Конференция завершена

Эта статья набрала 14 голосов

Дипломы участников

У данной статьи нет
дипломов

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ВЫБОР ПАРЫ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Шакизадаев Батырхан Бауыржанулы

студент 5 курса, кафедра КиИЛА, филиал «Восход» Московского авиационного института,

РФ, г. Байконур

Шестопалова Ольга Львовна

научный руководитель,

канд. техн. наук, доц., филиал «Восход» Московского авиационного института,

РФ, г. Байконур

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 F_max=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;