Проектирование и стадии разработки ракет-носителей

Проектирование – один из начальных этапов создания современных технических систем и объектов и, в частности, ракет-носителей.

Проектирование - это творческий процесс поиска и нахождения рациональных (в определенном смысле) решений, обеспечивающих создание технических объектов, комплексов и систем, удовлетворяющих заданным требованиям.

Проект – результат проектирования (projectus (лат.) – брошенный вперед).

Проект должен содержать:

- общий замысел;

- план создания ракеты-носителя;

- конкретные технические решения по бортовым системам, агрегатам, элементам.

Затраты на выполнение собственно проекта составляют 5-10 % от общих затрат на создание изделия, включающего кроме проектирования:

- подготовку производства;

- изготовление опытных образцов;

- экспериментальную отработку и др.

Ошибки на этапе проектирования самые "дорогие". Соотношение затрат на исправление ошибок на этапах проектирования, отработки, производства и эксплуатации примерно составляет 1:10:100:1000. Принципиальные ошибки, как правило, вообще не могут быть исправлены на стадии эксплуатации.

Укрупненные стадии разработки технических изделий согласно ГОСТ 2.103-68 (2001, с изм. 2 2006): ЕСКД. Стадии разработки [62] представлены в таблице 1.1 с сокращениями.

Таблица 1 - Стадии разработки

Стадия разработки	Этапы выполнения работ
Техническое предложение	Подбор материалов.
Разработка технического предложения с присвоением документам литеры "П".
Рассмотрение и утверждение технического предложения
Эскизный проект	Разработка эскизного проекта с присвоением документам литеры "Э".
Изготовление и испытание материальных или электронных макетов (при необходимости)
Рассмотрение и утверждение эскизного проекта
Технический проект	Разработка технического проекта с присвоением документам литеры "Т".
Изготовление и испытание материальных или электронных макетов (при необходимости)
Рассмотрение и утверждение технического проекта
Рабочая конструкторская документация опытного образца изделия	Разработка конструкторской документации, предназначенной для изготовления и испытания опытного образца (опытной партии).
Изготовление и предварительные испытания опытного образца (опытной партии).
Корректировка конструкторской документации с присвоением документам литеры "О".
Приемочные испытания опытного образца

Применительно к изделиям ракетно-космической техники используется 9 стадий разработки.

I. ТТЗ – тактико-техническое задание.

II. АП – аванпроект (проект технический, инженерная записка).

III. ЭП – эскизный проект.

IV. КД – конструкторская документация.

V. НЭО – наземная экспериментальная отработка.

VI. КНЭО – комплексная наземная экспериментальная отработка.

VII. ЛИ (или ЛКИ) – летные (или летно-конструкторские) испытания.

VIII. ПС – подготовка к серийному производству.

IX. АН – авторский надзор над серийным изготовлением РН.

Рассмотрим подробнее первые три стадии.

I стадия разработки

ТТЗ разрабатывает Головной институт Заказчика и выдаёт его Головному конструкторскому бюро (КБ). При разработке ТТЗ Головной институт и КБ тесно взаимодействуют между собой, решая спорные вопросы. В ТТЗ устанавливаются основные тактико-технические требования (ТТТ) к разработке ракеты-носителя.

II стадия разработки

Разработка аванпроекта (технического предложения или инженерной записки) выполняется Головным конструкторским бюро совместно с основными предполагаемыми соисполнителями.

В материалах аванпроекта должны быть приведены основные тактико-технические характеристики (ТТХ), которые планируется реализовать при разработке ракеты-носителя. Материалы аванпроекта должны содержать сведения о том, какова предполагаемая кооперация, сколько потребуется времени и средств до момента сдачи изделия на серийное производство, план отработки надежности функционирования изделия, а также сведения по наземному комплексу.

После проведения экспертизы в Головном институте отрасли и Заказчика и устранения замечаний принимается решение о продолжении или остановке работ.

Основные этапы разработки аванпроекта, связанные с выбором проектного облика РН, следующие:

1) выбор основных проектных характеристик и конструктивного облика (компоновочной схемы) РН;

2) поверочный расчет;

3) уточнение проектных характеристик.

Основные этапы разработки аванпроекта, связанные с выбором проектного облика РН, следующие:

- анализ аналогов и обработка статистических материалов по РН;

- разработка тактико-технических требований к проектируемой РН;

- расчёт характеристической скорости;

- выбор компонентов топлива;

- выбор количества ступеней ракеты-носителя, расчет стартовой массы с учетом оптимального распределения масс по ступеням;

- расчёт предварительных объёмно-габаритных характеристик РН;

- построение предварительной компоновочной схемы РН;

- проектный расчёт масс элементов конструкций ракетных блоков;

- расчёт центра масс и моментов инерции ракеты-носителя;

- уточнение компоновочной схемы с учетом требований к положению центра давления, отделяющимся элементам и др.

Поверочный расчёт осуществляется с целью проверки возможности достижения ракетой заданной высоты, скорости и направления полёта в конце активного участка траектории при принятых характеристиках РН, включая количество ступеней, силы тяги двигателей и их изменение с высотой полёта, аэродинамических сил и др.

Уточнение проектных характеристикпроводится с целью их оптимизации.

Сначала выполняется параметрический анализ влияния основных параметров на тактико-технические характеристики РН. Для этого при моделировании осуществляется приращение (как положительное, так и отрицательное) каждого из основных параметров. Причем это приращение производится либо последовательно для каждого отдельного параметра и делаются выводы о степени влияния изменения исследуемых параметров на ТТХ РН, либо изменяются одновременно несколько параметров по определенному плану многофакторного численного эксперимента. Далее по полученным коэффициентам уравнения регрессии делаются выводы о степени влияния изменения исследуемых параметров на ТТХ РН. Степень влияния параметров на ТТХ РН оценивается с помощью так называемых коэффициентов чувствительности (в некоторой литературе - коэффициентов значимости). Эти коэффициенты представляют собой частные производные функции отклика (значений ТТХ) по исследуемому параметру.

По результатам параметрического анализа осуществляется изменение параметров в направлении улучшения ТТХ. Причем такие изменения могут проводиться двумя методами.

Метод последовательного улучшения ТТХ. Суть этого метода состоит в том, что сначала изменяется параметр с наибольшим коэффициентом чувствительности (или значимости), затем проект уточняется с измененными исходными данными. Далее рассчитываются коэффициенты значимости в новом проекте, изменяется параметр с самым наибольшим коэффициентом чувствительности и т. д. Процесс прекращается, если изменения ТТХ относительно невелики (например, меньше 2-3%).

Метод "движения по градиенту". Суть этого метода состоит в том, что осуществляется приращение сразу всех значимых параметров, причём приращение каждого из параметров происходит пропорционально коэффициенту чувствительности.

С помощью этих методов можно улучшить исходный проект. По сути дела при этом осуществляется приближение к оптимальному решению. Но поскольку оптимального решения в полном смысле этого слова достичь не удается, то принято говорить о так называемых рациональных параметрах, при которых ТТХ РН будут наилучшими с заданной степенью точности. Эти параметры и принимают в качестве проектных характеристик создаваемой ракеты-носителя.

III стадия разработки

Материалы эскизного проекта должны содержать все расчеты по основным системам и элементам, формирующим конструктивно-компоновочную схему изделия, и обоснования по выбору её оптимального облика, реализующего ТТЗ и заданные по нему лётно-технические характеристики.

Все параметры и характеристики, приведенные в материалах аванпроекта, должны получить соответствующие подтверждения и обоснования. Графическая часть должна содержать общие виды и теоретические чертежи изделия. Составляются программа обеспечения надежности и комплексный план экспериментальной отработки РН.

Таким образом, эскизный проект отличается более подробной проработкой всех этапов аванпроекта.

В части проработки проектного облика РН эскизный проект включает в себя следующие этапы:

1) выбор состава бортовых систем, принципов их работы;

2) разработка конструктивно-компоновочной схемы;

3) разработка технических заданий на составные части РН (на отдельные ракетные блоки и бортовые системы).

4) согласование характеристик двигательных установок с основными проектными характеристиками РН;

5) расчетно-теоретические работы и выполнение эскизных проектов по основным составным частям ракеты и бортовым системам.

Ниже приведен типовой состав бортовых систем ракетных блоков:

- системы обеспечения теплового режима;

- системы наддува баков;

- системы одновременного опорожнения баков объёмомерные;

- системы одновременного опорожнения баков расходомерные;

- пневмогидравлические системы ракетных блоков;

- системы подачи топлива в двигатель;

- система регулирования боковой составляющей скорости;

- система регулирования кажущейся скорости;

- система регулирования нормальной составляющей скорости;

- системы крепления и разделения ракетных блоков;

- система крепления и разделения головного обтекателя;

- система крепления и разделения КА.

Конструктивно-компоновочная схема РН является логическим развитием её компоновочной схемы.

В отличие от компоновочной схемы в ККС представлены основные решения по конструкторским и технологическим членениям ракеты и приведены основные размеры сочленяемых элементов. Причём для узлов сочленения здесь отображаются некоторые принципиальные моменты (например, форма шпангоута для крепления полезного груза и обтекателя, форма и габариты силового кольца для крепления рамы двигателя и передачи усилий на корпус ракеты).

В ККС содержатся следующие частные документы:

- теоретические чертежи;

- виды общие;

- общие схемы блоков и РН в целом;

- зона размещения полезного груза под обтекателем;

- схема расположения элементов системы аварийного спасения (если она имеется);

- схема расположения элементов системы крепления и разделения головного обтекателя;

- схема расположения элементов системы крепления и разделения полезного груза;

- схема расположения элементов системы крепления и разделения ракетных блоков и сбрасываемых элементов;

- зоны размещения приборов в приборном отсеке;

- пневмогидравлические схемы двигательных установок ракетных блоков;

- зоны установки элементов ПГС (шаров-баллонов для наддува баков, раструбов наддува, заправочных клапанов, дренажно-предохранительных клапанов и т.п.);

- схема установки датчиков наполнения топливом и датчиков опорожнения баков;

- зоны прокладки кабелей и элементов пневмогидроавтоматики;

- места установки электрических, а также пневмогидро-разъёмов;

- схема установки и центровки ракетного двигателя с рамой;

- схема мест установки транспортировочных узлов;

- схема транспортировки ракетных блоков и ракеты в целом;

- схема установки ракеты на стартовое устройство;

- схема крепления ракеты на стартовом устройстве и схема разделения элементов крепления при пуске ракеты и др.

Конструктивно-компоновочная схема в процессе проектирования ракеты постоянно обновляется.

Конструктивно-компоновочная схема служит основой для задания размеров при составлении технических заданий на разработку бортовых систем и их элементов.

Разработка технических заданий на составные части РНпроводится на основе состава бортовых систем ракетных блоков и конструктивно-компоновочной схемы. При составлении технических заданий (ТЗ) на составные части РН размеры берутся с ККС с учетом мест расположения и отведенных габаритов. На каждую из бортовых систем разрабатывают отдельное ТЗ.

Некоторые бортовые системы разрабатываются в том же конструкторском бюро (КБ), в котором проектируется РН, а некоторые разрабатываются в других КБ, специализирующихся по какому-либо направлению (например, система измерения кажущейся скорости на базе гироскопических приборов).

Согласование характеристик двигательных установок с основными проектными характеристиками ракеты-носителяпроводится по следующим направлениям:

- выбор схемы ПГС с учётом системы наддува баков;

- согласование температур криогенных компонентов топлива в баках с номинальной температурой на входе в двигатель;

- согласование секундного расхода топлива из баков с параметрами тяги двигателя;

- согласование диаметров трубопроводов баков и диаметров входных патрубков двигателя;

- определение массы газа для наддува баков;

- определение массы и мест расположения шаров-баллонов с запасами сжатого газа, если наддув баков осуществляется не за счёт газификации основных компонентов топлива;

- определение циклограммы давления в баках в процессе выработки топлива и др.

Расчетно-теоретические работыпроводятся в полном объёме. Вот некоторые из них:

- расчет и уточнение программы изменения угла наклона траектории;

- выбор расчетных случаев и расчеты на прочность;

- расчет колебаний корпуса РН;

- расчет колебаний жидкости в баках;

- расчет аэродинамических сил на активном участке полета;

- расчет параметров системы управления;

- расчет параметров функционирования пневмогидравлической системы;

- расчет тепловых потоков при прохождении плотных слоев атмосферы;

- расчет показателей надежность и др.

В некоторых случаях осуществляется заимствание бортовых систем, реализованные на других РН. В таких случаях расчетно-теоретические работы проводят в меньшем объеме.

После защиты эскизного проекта и открытия финансирования переходят к следующей стадии разработки.