Механика космического полета в элементарном изложении - Левантовский В.И.
Скачать (прямая ссылка):
«Сухая» масса (или, если угодно, масса «пустой», без рабочего тела, ракеты) состоит из массы конструкции и массы полезной 28 ГЛ. 1. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
нагрузки. Под конструкцией следует понимать не только несущую конструкцию ракеты, ее оболочку и т. п., но и двигательную систему со всеми ее агрегатами, систему управления, включающую органы управления, аппаратуру навигации и связи, и т. п.,— одним
словом, все то, что обеспечивает нормальный полет ракеты. Полезная нагрузка тп состоит из научной аппаратуры, радиотелеметрической системы, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения космического корабля и т. п. Полезная нагрузка — это то, без чего ракета может совершить нормальный (но бесполезный!) полет 1H На рис. 2 схематично изображена описанная структура. Увеличение числа г возможно, очевидно, посредством всемерного уменьшения массы конструкции, что требует от конструкторов особого мастерства. Отношение суммарной массы конструкции и рабочего тела к массе конструкции называется конструктивной характеристикой и обозначается буквой s. В принятых ранее обо-
/їалезная . хае/узка 1
ЯонструнА 11 ці/Я J 5^ ~
Рачачеє тело
І I
Рис 2 Структурная схема ракеты.
значениях
S =
m0—тп tnK—mn
(3)
Для любой ракеты число z всегда меньше s, и если мастерство конструкторов, заключающееся в умении втиснуть максимум рабочего тела в минимальную по массе конструкцию ракеты, достигло предела, то остается только один путь увеличения скорости ракеты — увеличение числа z посредством уменьшения полезной нагрузки тп. При полном отказе от полезной нагрузки (тп=0) число z достигнет своего предела и станет равным числу s. Но, разумеется, величина полезной нагрузки отнюдь не безразлична при проектировании космических операций, даже если обеспечено достижение определенной характеристической скорости. Будем называть относительной начальной массой величину
P =
т о
тп
Обратная ей величина называется относительной полезной нагрузкой или коэффициентом полезной нагрузки.
Это определение носит условный характер. При американских экспедициях на Луну, например, пилот являлся частью системы управления. Пустые топливные баки могут в принципе использоваться на околоземных орбитах и на поверхностях Луны и планет в качестве жилых помещений космонавтов, т. е часть конструкции ракеты может входить в полезную нагрузку Но такую возможность мы сейчас для простоты не будем рассматривать. § 3. СОСТАВНАЯ PAKElA
29
Разделив числитель и знаменатель правой части формулы (3) на т0, мы получим соотношение между числами $, г и р
1-1
S-_P-
1-1' г р
которое удобнее переписать в следующих трех видах:
р—1 ps S—1 //|Ч
S = Z -— , Z = —р-—г ,P = Z -—- . (4)
p—zJ p-\-s—1* S—г х '
В дальнейшем мы будем задаваться определенным значением s, соответствующим достигнутому уровню конструктивного мастерства.
В начале космической эры значение s= 10 считалось весьма большим. Однако для первой ступени американской лунной ракеты «Сатурн-5» уже было s=16. Приняв определенное значение р, мы сможем вычислить z, а следовательно, по формуле (2) и идеальную скорость. И, наоборот, определив по идеальной скорости число г, мы сможем вычислить относительную начальную массу или коэффициент полезной нагрузки.
§ 3. Составная ракета
Допустим, что перед нами поставлена цель спроектировать ракету, скажем, для достижения Венеры. Необходимая для этого идеальная скорость и= 12 км/с1). Примем скорость истечения ш=3 км/с. Тогда согласно формуле (2а) необходимое число Циолковского Zmoб=е°/ш=е4л;54,6. Если вспомнить, что число s заведомо больше г, то станет ясно, что построить нужную ракету нам не удастся, так как мы не сможем вместить необходимое количество топлива в конструкцию, удовлетворяющую сколько-нибудь разумным требованиям прочности.
Даже если мы примем скорость истечения равной 4 км/с (очень хорошее значение, как мы скоро увидим), то окажется, что Zlieo6= «=е3»20,1. И это значение следует признать чрезмерным, так как Число S должно быть еще больше, чем г.
Тем не менее при заданном уровне конструкторского искусства (скажем, при S= 15) можно построить ракету, способную развить необходимую идеальную скорость при прежнем значении скорости Истечения. Но для этого надо существенно изменить структуру ракеты.
1) Подробно проблема полета к Венере будет рассмотрена в главе 16. Здесь указано заниженное значение идеальной скорости, соответствующее очень большим перегрузкам при разгоне. 30 ГЛ. 1. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
Набору скорости ракеты благоприятствует то, что по мере истечения рабочего тела масса ракеты уменьшается, благодаря чему при неизменной тяге непрерывно растет реактивное ускорение. Но, к сожалению, ракета состоит не из одного лишь рабочего тела. По мере истечения рабочего тела освободившиеся баки, лишние части оболочки и т. д. начинают обременять ракету мертвым грузом, затрудняя ее разгон. Целесообразно в некоторые моменты отделять эти части от ракеты. Построенная таким образом ракета называется составной *).
