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
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОЙ МОДИФИКАЦИИ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО РН «СОЮЗ-5» НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРТНОГО ОЦЕНИВАНИЯ
В данной работе произведены оценка и выбор жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) для применения на перспективной ракете-носителе (РН) «Союз - 5». А также дальнейшего использования на ракетах-носителях сверхтяжелого класса. Оценка проводилась группой экспертов на основании семи критериев данной технической системы.
На основании мнений группы экспертов выявлены наиболее важные характеристики: тяга, масса, удельный импульс и стоимость. Частота вращения, ПДК горючего и расход топлива, имеющие меньшие весовые значения, оставлены в математической модели, так как они оказывают влияние на выбор ЖРД при комплексном оценивании.
Анализу подвернуты следующие ракетные двигатели: РД-107, РД-170, РД-173, РД-180 и РД-191.
РД-107 (индекс 8Д74) — ЖРД, созданный для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 в ОКБ-456. Используется на каждом боковом блоке первой ступени всех ракет-носителей семейства «Союз».
РД-170 — советский ЖРД, разработанный КБ «Энергомаш» (начало работ 1976). Четырёхкамерный двигатель закрытого цикла работает на паре кислород-керосин. Разработан для РН «Энергия».[1]
РД-173 (РД-171М) — жидкостный ракетный двигатель, разработанный КБ «Энергомаш». Представляет собой модификацию двигателя РД-171.
РД-180 — российский двухкомпонентный ЖРД закрытого цикла с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины, оснащён двумя камерами сгорания и двумя соплами. Разработан в середине 1990-х годов, на основе мощнейшего советского двигателя РД-170, производится на территории России в «НПО Энергомаш им. академика В. П. Глушко».[1]
РД-191 — российский однокамерный жидкостный ракетный двигатель с дожиганием окислительного газа, работающий на нетоксичных компонентах. Разработан для семейства российских РН «Ангара». Разработчик — НПО «Энергомаш» им. В.П. Глушко. [3]
Ниже в таблице 1 приведены характеристики перечисленных ЖРД. [1,2]
Таблица 1.
Характеристики ЖРД
|
ЖРД |
Тяга, тс |
Масса, кг |
Удельный импульс, с |
Расход топлива, кг/с |
Частота вращения, об/мин |
ПДК горючего, кг/м3 |
Стоимость, млн. долл. |
|
РД-107 |
805,4 |
9450 |
265 |
2500 |
18000 |
150 |
13 |
|
РД-170 |
790,0 |
9500 |
309 |
2400 |
19000 |
180 |
13 |
|
РД-173 |
804,0 |
9300 |
309 |
2395 |
19000 |
250 |
9 |
|
РД-180 |
720,0 |
1000 |
311,3 |
2395 |
19000 |
250 |
11,225 |
|
РД-191 |
735,0 |
9160 |
311,2 |
2395 |
19000 |
300 |
13 |
Для решения данной задачи была применена процедура свертывания критериев методом аддитивной оптимизации с предварительным использованием методов ранжирования, балльных оценок, допустимых относительных отклонений, попарных приоритетов.
Ниже приведена сводная таблица весовых коэффициентов характеристик, вычисленных перечисленными выше методами.
Таблица 2.
Весовые коэффициенты характеристик
|
Тяга |
Масса |
Удельный импульс |
Расход топлива |
Частота вращения |
ПДК топлива |
Стоимость |
Сумма |
|
|
Метод ранжирования |
0,193 |
0,186 |
0,143 |
0,136 |
0,1 |
0,107 |
0,136 |
1 |
|
Метод балльных оценок |
0,182 |
0,176 |
0,173 |
0,145 |
0,094 |
0,096 |
0,134 |
1 |
|
Метод отн-ных отклонений |
0,174 |
0,165 |
0,172 |
0,112 |
0,103 |
0,158 |
0,116 |
1 |
|
Метод попарных приоритетов |
0,180 |
0,181 |
0,172 |
0,144 |
0,093 |
0,096 |
0,133 |
1 |
|
Сумма |
0,754 |
0,690 |
0,648 |
0,550 |
0,405 |
0,417 |
0,536 |
4 |
|
Весовые коэффициенты |
0,182 |
0,177 |
0,165 |
0,134 |
0,098 |
0,114 |
0,130 |
1 |
Для решения, в первую очередь, была произведена нормализация критериев с помощью определения максимума каждой отдельной характеристики. Исходя из данных таблицы 1, получили, что 
; 
;
.
При решении задачи максимизируются тяга, удельный импульс, частота вращения, ПДК, а масса, расход топлива и стоимость минимизируются.
Исходя из принципа максимизации эффективности, нормализуем критерии:
Оптимальным будет тот вариант, который обеспечивает максимальное значение функций цели по формуле 
:
Так как Fmax=F3=0,579, то это говорит о том, что с помощью данного метода был определен наиболее полно удовлетворяющий заданным предпочтениям группы экспертов: РД-173.
По сравнению с РД-170 несколько увеличена тяга, переделаны агрегаты подачи топлива (в первую очередь, основной ТНА) и в системе регулирования не используются дроссели окислителя, что серьёзно упростило конструкцию двигателя, снизило массу и повысило надёжность. По проведенным исследованиям РД-173 имеет преимущество по сравнению с РД-180 и РД-191 по массово-энергетическим характеристикам и экономически выгодно для использования на отечественных РН.
Однако, данное решение, полученное в результате математического моделирования, не является единственно верным, так как основывается на оценочном мнении группы экспертов. К примеру, в данной работе максимум предпочтения отдается тяговооруженности и массе представленных ЖРД. Но, в случае смены приоритетных характеристик оптимальное значение может смениться в пользу другого типа, с наибольшими параметрами, соотносящимися с максимальным возможным значением в приоритете.
Ввиду этого проведенную работу следует рассматривать, как основу и рекомендации для дальнейших более тщательных исследований. Окончательное решение и принятие выбора в данном случае остается за лицом, принимающим решение.
Список литературы:
- НПО «ЭНЕРГОМАШ» имени академика В.П. Глушко «Путь в ракетной технике» под ред. Б.И. Каторгина. – М.: Машиностроение/Машиностроение – Полет, 2004. – 488 с.
- ГОСТ 10227-2013 Топлива для реактивных двигателей. Технические условия, 2013 – 20 с.
- Вестник Российской академии наук, том 74, № 3, 2004 С. 499-506.
Оставить комментарий