Расчет характеристик орбитальной станции
Покупка
Тематика:
Космический транспорт
Автор:
Пугаченко Сергей Евгеньевич
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 125
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4627-8
Артикул: 812999.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Издание посвящено проектированию орбитальных станций. Однако содержащиеся в нем материалы могут быть применены при проектировании космических аппаратов других типов. Алгоритм проектного расчета характеристик орбитальной станции изложен исходя из ее назначения и заданных характеристик целевой нагрузки. Основное внимание уделено бортовым системам и взаимозависимости их характеристик. Приведены числовые статистические данные о параметрах станции, необходимые для проведения расчетов. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Ракетные комплексы и космонавтика» и изучающих дисциплины «Основы устройства космических аппаратов», «Проектирование космических аппаратов» и «Конструирование космических аппаратов».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 24.03.01: Ракетные комплексы и космонавтика
- ВО - Специалитет
- 24.05.01: Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
С.Е. Пугаченко Расчет характеристик орбитальной станции Методические рекомендации Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
УДК 629.786.2 ББК 39.66 П88 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/75/book1613.html Факультет «Специальное машиностроение» Кафедра «Космические аппараты и ракеты-носители» Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия Рецензент Л.Д. Покровский Пугаченко, С. Е. Расчет характеристик орбитальной станции : методические рекомендации / С. Е. Пугаченко. — Москва : Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. — 125, [3] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4627-8 Издание посвящено проектированию орбитальных станций. Однако содержащиеся в нем материалы могут быть применены при проектировании космических аппаратов других типов. Алгоритм проектного расчета характеристик орбитальной станции изложен исходя из ее назначения и заданных характеристик целевой нагрузки. Основное внимание уделено бортовым системам и взаимозависимости их характеристик. Приведены числовые статистические данные о параметрах станции, необходимые для проведения расчетов. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Ракетные комплексы и космонавтика» и изучающих дисциплины «Основы устройства космических аппаратов», «Проектирование космических аппаратов» и «Конструирование космических аппаратов». УДК 629.786.2 ББК 39.66 © МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4627-8 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017 П88
Предисловие Методические рекомендации разработаны на основе учебного курса «Проектирование орбитальных станций», который читается в МГТУ им. Н.Э. Баумана с 1999 г. студентам старших курсов, готовящимся стать инженерами — проектировщиками космических аппаратов. Методические рекомендации были апробированы при выполнении студентами домашних заданий, научно-исследовательских работ, курсовых и дипломных проектов и затрагивают многие аспекты проектирования космических аппаратов. Перед ознакомлением с предлагаемыми в издании рекомендациями следует освоить материал, изложенный в учебном пособии [1]. Цель изучения методических рекомендаций состоит в следующем: • овладение методологией инженерного творчества, понимание особенностей инженерно-технического подхода к решению профессиональных проблем; развитие способности воспринимать математические, естественнонаучные, социально-экономические и профессиональные знания, умение самостоятельно приобретать, развивать и применять их для решения нестандартных, в том числе междисциплинарных, задач; • освоение математического моделирования разрабатываемого изделия и его подсистем с использованием системного подхода и современных программных продуктов для анализа вариантов возможных принципиальных решений, касающихся структуры, функционирования, конструкции, стоимости космического аппарата, а также прогнозирования функционирования изделия в целом и его подсистем с учетом возможных отказов; • приобретение навыков, исходя из технического задания и с применением системного подхода: выбора параметров орбиты космического аппарата, определения состава бортовых систем, проведения анализа масс и объемов космических аппаратов; выбора и обоснования типа двигательной установки, систем энергоснабжения и обеспечения тепловых режимов; разработки общей компоновочной схемы космического аппарата; проведения технико-экономического анализа принимаемых проектных решений.
Задачами настоящих методических рекомендаций являются: • приобретение практических навыков проектирования орбитальных станций как одного из наиболее сложных типов космических аппаратов; • овладение методами расчета основных проектных характеристик: массы, объема, энергопотребления и рабочего времени экипажа орбитальной станции; • ознакомление с общими принципами инженерного сопровождения полета орбитальной станции и методами обеспечения ее надежности и безопасности; • развитие способности к анализу большого объема статистических данных и использования их в расчетах характеристик сложных технических систем. В главе 1 дано описание постановки задачи: возможные варианты стратегии использования орбитальной станции, перечень исходных характеристик целевой нагрузки и некоторых других характеристик. Здесь приведены возможные диапазоны значений характеристик, полученные в результате анализа существовавших до настоящего времени орбитальных станций. В этой же главе задан состав результатов проектирования орбитальной станции, на основании которых определяются ее технико-экономические показатели. В главе 2 представлена последовательность выполнения задания. Она позволяет интегрировать результаты частных расчетов для получения характеристик орбитальной станции. Отмечено, что для получения достаточно точных результатов необходимо выполнить несколько итераций расчета. В главе 3 приведена методика баллистического анализа. В главе 4 изложен расчет требуемого рабочего времени экипажа и численности экипажа станции. В главе 5 последовательно приведены методики упрощенных расчетов масс и некоторых других характеристик бортовых систем орбитальной станции. В главе 6 представлен расчет массы орбитальной станции, включая массы конструкции, элементов крепления бортового оборудования и бортовой кабельной сети. В главе 7 определен грузопоток орбитальной станции — неотъемлемая часть ее проекта. Грузопоток обеспечивает выполнение программы целевого использования станции, а также восполнение расходуемых запасов топлива двигательной установки, запасов, необходимых для поддержания жизнедеятельности экипажа, и доставку запасных
частей для проведения технического обслуживания и ремонта бортового оборудования. В главе 8 рассчитаны объемы герметичных отсеков станции, при которых обеспечиваются комфортное пребывание экипажа и размещение бортового оборудования. В главе 9 проведен расчет основных масс элементов транспортной космической системы, на основе которого составляется примерный план запусков средств выведения (глава 12). В главе 10 рассчитано число запусков средств выведения для развертывания орбитальной станции, определены число и тип ее модулей. На основе этих данных, а также результатов расчетов характеристик бортовых систем разработана обобщенная компоновочная схема станции (глава 11). В главе 13, завершающей, содержится упрощенная методика технико- экономической оценки программы орбитальной станции. Рекомендуемые числовые значения величин или диапазоны их возможных значений, полученные в результате анализа орбитальной станции «Мир» и Международной космической станции (МКС), приведены в приложении. Методические рекомендации могут быть использованы при выполнении домашнего задания, научно-исследовательской работы студента, курсового и дипломного проекта.
Введение Орбитальная станция1 является сложной технической системой. Значительная часть затрачиваемых на ее создание ресурсов приходится на этап орбитальной эксплуатации. Понимание взаимозависимости характеристик и последовательности проектирования орбитальной станции как одного из самых сложных типов космических аппаратов дает возможность успешно решать задачи проектирования не только изделий ракетно-космической техники, но и других обслуживаемых технических изделий. Приведенные в настоящем учебном издании общие принципы расчета характеристик орбитальной станции относятся к конкретным техническим решениям бортовых систем и модулей станции. Например, система энергоснабжения базируется на фотоэлектрических преобразователях, в двигательной установке используются жидкостные ракетные двигатели, а конструкцией модуля предусмотрена доставка его к станции с помощью одноразового отделяемого блока буксировки. В случае других технических решений приведенные формулы и числовые значения могут быть изменены и дополнены. Формат настоящего издания не позволяет остановиться на анализе различных типов бортовых систем (двигательной установки, системы энергоснабжения, системы обеспечения тепловых режимов и др.). Однако желающие могут найти сведения для такого анализа в источниках, приведенных в списке рекомендуемой литературы. Интересующиеся последними исследованиями и разработками в области ракетно-космической техники, а также ходом реализации проектов в этой области, осуществляемых в настоящее время, могут обратиться к сайтам, приведенным в том же списке. Необходимо отметить, что на начальной стадии расчетов используются предварительные числовые значения величин, определяемые на более поздних стадиях расчета. Например, предварительные значения массы станции и модуля орбитальной станции используются в главе 3 для 1 Здесь и далее в тексте выделены термины, объяснение которых дается в списке основных терминов, приведенном в конце пособия.
определения массы топлива двигательной установки. В главах 6 и 10 эти же значения рассчитаны исходя из масс бортовых систем станции, выбранной грузоподъемности ракеты-носителя для выведения модулей на орбиту. Более точные результаты расчета могут быть получены подстановкой этих значений в начальные формулы и повторением расчета. Таким образом, процесс расчета характеристик орбитальной станции является циклическим и итерационным. Использование настоящих методических рекомендаций позволит в рамках цикла расчета характеристик орбитальной станции объединить результаты проектирования отдельных бортовых систем. При этом обеспечивается комплексный характер проектного анализа: тепловой анализ и проектирование СОТР соседствуют с анализом энергобаланса и проектированием СЭС, элементами баллистического анализа, расчетом пневмогидравлической системы ДУ и другими видами анализа. Изложенный метод параллельного междисциплинарного проектирования отвечает современной тенденции применения вычислительных средств для ускорения и повышения качества проектирования космических аппаратов. Этот метод может использоваться при проектировании сложных технических систем в области авиационной техники, судостроения, энергетики и других областях. Он может найти применение при проектировании систем, для которых значительная часть затрат приходится на этап эксплуатации. К таким системам относятся, например, удаленные элементы наземной инфраструктуры, используемые для освоения приполярных областей Земли. Настоящие методические рекомендации в большей или меньшей степени охватывают все этапы жизненного цикла орбитальной станции. Вопросы конструкции, учета особенностей производства, испытаний, подготовки на космодроме и некоторые другие, не нашедшие отражения в настоящем издании, предполагается изложить в последующих учебных изданиях.
Список сокращений АБ — аккумуляторная батарея БВС — бортовая вычислительная система БКС — бортовая кабельная сеть БКУ — бортовой комплекс управления БРТК — бортовой радиотехнический комплекс ВГК — внутренний гидравлический контур ДБТ — двигатель большой тяги ДМТ — двигатель малой тяги ДУ — двигательная установка ЖРД — жидкостный ракетный двигатель КПД — коэффициент полезного действия МКС — Международная космическая станция МРС — механизированные и роботизированные средства НГК — наружный гидравлический контур НШС — нештатная ситуация ПГ — полезный груз РН — ракета-носитель РТО — радиационный теплообменник СБ — солнечная батарея СБИ — система бортовых измерений СМС — система механической стыковки СОВ — средства обеспечения выхода СОГС — система обеспечения газового состава СОЖ — система обеспечения жизнедеятельности СОТР — система обеспечения тепловых режимов СОСБ — система ориентации солнечных батарей СПОПТ — система пожарообнаружения и пожаротушения СРВК — средства регенерации воды из конденсата СРВУ — средства регенерации воды из урины СРД — средства регулирования давления ССГО — средства санитарно-гигиенического обеспечения СтА — стыковочный агрегат
СУБК — система управления бортовым комплексом СУД – система управления движением СЭС — система энергоснабжения ТГК — транспортный грузовой корабль ТИК — твердый источник кислорода ТКМ — транспортный корабль модульный ТКС — транспортная космическая система ТПК — транспортный пилотируемый корабль ЦН — целевая нагрузка ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция
1. Постановка учебного задания 1.1. Технические требования к стратегии использования орбитальной станции Общие вопросы проектирования орбитальных станций изложены в учебном пособии [1]. Возможны следующие направления использования орбитальной станции: • выполнение целевой программы научных, научно-прикладных и технологических исследований; • предоставление перевалочной базы и безопасного убежища для экипажа на пути его следования по трассе назначения; • предоставление гостиничных услуг для космических туристов. В технических требованиях к стратегии использования орбитальной станции для конкретной учебной задачи указывается небесное тело, в окрестностях которого станция должна функционировать. Рис. 1.1. Пилотируемые станции на околоземной орбите: а — станция «Мир»; б — МКС в одной из начальных конфигураций
Доступ онлайн
В корзину