Формула Циолковского для многоступенчатой ракеты

Первая задача Циолковского

Рассмотрим движение ракеты в безвоздушном пространстве при отсутствии гравитационного поля. Движение в этом случае будет происходить только под действием реактивной силы.

Какую скорость V приобретет ракета к моменту, когда на­чальная масса М ₀ уменьшится до конечного значения М _к (до пол­ной выработки топлива)? Это – первая задача Циолковского.

Запишем уравнение Мещерского:

.

После разделения переменных получим:

.

Т.к., после интегрирования получим:

.

Значение С получим из начальных условий: при t = 0 скорость V = V ₀ =0 и масса М = М ₀.

Тогда:.

­Откуда:.

Подставив С в выражение для V, окончательно получим:

. (2.20)

где: М – текущая масса ракеты;

– относительная текущая масса ракеты.

Это формула Циолковского для определения идеальной скорости одноступенчатой ракеты, которая характеризует энергетические ха­рактеристики собственно ракеты.

По мере выработки топлива масса М и соответственно m уменьшаются, а скорость V – возрастает.

В частности, при значении скорость V ракеты всегда равна эффективной скорости w _e истечения (см. рис. 2.6).

Рис. 2.6. Изменение скорости V в зависимости от m для различных w _e

Когда топливо будет полностью выработано, а двигатель выключен, скорость V достигнет своего наибольшего конечного V _к значения:

, (2.21)

где: – относительная конечная масса;

M_к, M ₀ – конечная и начальная масса ракеты соответственно;

– число Циолковского.

Другая форма записи конечной скорости:

где: М_Т – масса топлива;

– относительная масса топлива.

Рассмотрим, от каких параметров зависит путь S_К, пройденный ракетой в идеальных условиях за время t_К .

Очевидно:.

При текущая масса М ракеты линейно зависит от времени:

.

Поэтому:.

Тогда после замены переменных:

,

или после интегрирования:

.

Так как:

,

то:

.

Поэтому:

, (2.22)

где: – стартовая нагрузка на тягу.

Величину, обратную n ₀ называют тяговооруженностью:

. (2.23)

Выясним, какое влияние оказывает тяговооруженность на время t работы двигателя.

Выше отмечалось, что при линейном законе изменения массы ЛА:

и.

Откуда:

.

Учитывая, что:

,

или:

.

Из последних двух выражений следует, что для ракет с одинаковыми скоростями истечения равным значениям m может соответствовать разное время работы двигателя: чем больше начальная тяговооруженность, тем меньше время.

На рис. 2.7 дана зависимость V = f (t) для и различных, значений начальной тяговооруженности. Равные значения скорости, очевидно, имеют место при равные m.

Рис. 2.7. Зависимость скорости V от времени t полета для различных значений начальной тяговоорукенности

Увеличение конечной идеальной скорости ракеты можно достичь либо увеличением эффективной скорость истечения продуктов сгорания, либо уменьшением относи­тельной конечной массы m _К (увеличением числа Z Циолковско­го). Закон же расхода топлива, равно как и абсолютные зна­чения начальной и конечной масс, не оказывают влияния на приобретенную скорость.

Путь, проходимый ракетой, зависит не только от и но и обратно пропорционален тяговооруженности, т.е. стартовому ускорению. Этот факт объясняется тем, что с увеличением, уменьшается время t работы двигателя, а следовательно, снижаются гравитацион­ные потери скорости. В итоге это проводит к увеличению конечной скорости ракеты, движущейся в поле тя­готения планеты, а, следовательно, растет и проходимый ею путь.

Основная задача ракеты – сообщить заданному полезному грузу определенную скорость. В зависимости от полезного груза и не­обходимой скорости назначается и запас топлива. Чем больше груз и конечная скорость, тем больший запас топлива M_Т должен нахо­диться на борту, а следовательно, тем большим сказывается стар­товый вес ракеты, тем больше необходима тяга двигателя, что приводит к увеличению веса двигательной установки и веса всей конструкции ракеты в целом:

­ M_П.Г и ­ V_К ® ­ M_Т ® М ₀ ® ­ R ® ­ M_{констр.}.

Из формулы Циолковского (61) следует, что увеличение конечной скорости ракеты может быть достигнуто либо увеличением эффективной скорости истечения продуктов сгорания из сопла ракетного двигателя, либо уменьшением относительной конечной массы. Реальный предел для существующих конструкций на сегодня м а максимально достижимое для химических ракетгых двигателей значение = 4400 м/с (топливо – ''водород – кислород"). Тогда:

м/с.

Далее будет показано, что для выведения полезного груза на низкую круговую орбиту Земли необходима характеристическая скорость V_x = 9400 м/с (необходимая фактическая скорость V _факт = 7800 м/с). Разность между ними – = 1600м/с – это суммарные потери скорости, обусловленные совокупностью потерь скорости из-за отличий реальных условий полета от идеа­льных.

Приведенные количественные опенки свидетельствуют, что достижение первой космической скорости для создания ИСЗ Земли находится на пределе реальных возможностей одноступенчатых ра­кет с двигателем на химическом топливе. Такая одноступенча­тая ракета уже создана в Японии – в 1986 г. с ее помощью был осуществлен запуск ИСЗ массой» 800 кг на круговую орби­ту Земли. Добиться этого удалось за счет широкого применения в конструкции неметаллических и композиционных материалов, что обеспечило снижение ниже вышеуказанного предела. Однако вы­вод больших полезных грузов с помощью одноступенчатых ракет в ближайшем будущем не представляется возможным.

Основной недостаток одноступенчатой ракеты заключается в том, что конечная скорость сообщается не только полезному гру­зу, но и всей конструкции в целом. При увеличении веса конструк­ции это ложится дополнительным бременем на энергетику одно­ступенчатой ракеты, что накладывает ограничения на величину достижимой скорости.

Одна из плодотворных идей К.Э. Циолковско­го относится к созданию многоступенчатых ракет, способных за счет избавления от ненужной (балластной) массы освободившихся от топлива баков и других элементов конструкции значительно по­высить скорость сравнительно с простой одноступенчатой ракетой.

На рис. 2.8 приведена схема трехступенчатой ракеты с так называемым поперечным делением (схема "Тандем").

Рис. 2.8. Схема трехступенчатой ракеты

Под СТУПЕНЬЮ многоступенчатой ракеты понимается одноступенчатая ракета, состоящая из ракетного блока (РБ) и условного полезного груза в виде оставшейся (верхней) части ракеты. Т.о., последующая i -я ступень является полезным грузом преды­дущей (i – 1)-й ступени.

Вывод полезного груза с помощью многоступенчатой ракеты осуществляют следующим образом.

На старте, работает наиболее мощный двигатель первой ступени, способный поднять ра­кету со стартового устройства и сообщить ей определенную скорость. После того, как будет израсходовано топливо в баках первой ступени, она отбрасывается, а дальнейшее увеличение скорости достигается за счет работы двигателей следующей сту­пени и т.д. Теоретически процесс деления можно вести до беско­нечности. Однако, на практике выбор числа ступеней следует рас­сматривать, как предмет поиска оптимального конструктивного варианта. Увеличение числа ступеней при заданной массе М _П.Г. полезного груза ведет к уменьшению стартовой массы М ₀ ракеты, но при переходе от n ступени к (n + 1)-й выигрыш с числом n уменьшается, ухудшаются весовые характеристики отдельных ракетных блоков, увеличиваются экономические затраты и снижается надежность. Продемонстрируем это на реальном числовом примере:

Количество ступеней, n
Стартовая масса М 0, т

Таким образом, в отличие от одноступенчатой, в многосту­пенчатой ракете одновременно с полезным грузом заданную конечную скорость приобретает масса конструкции не всей ракеты, а только последней ступень. Массы же ракетных блоков предыдущих ступеней получают меньшие скорости, что приводит к экономия энергетических затрат.

Введем следующие обозначения:

, – соответственно текущее и конечное значения относительной массы i -й ступени;

– скорость истечения при полете i -й ступе­ни;

, –соответственно текущее значение скорости и конечное значение, приобретенное i -й ступенью.

Тогда:

.

После того, как выработается, топливо 1-й ступени:

,

где – относительная конечная масса 1-й ступени;

M_TI- – масса топлива в баках 1-й ступени.

Скорость полета 2-й ступени складывается из конечной скорости 1-й ступени и текущей скорости, приобретенной 2-й ступенью:. После выработки топлива 2-й ступени:

,

где: – относительная конечная масса 2-й ступени;

M _{0 II} – стартовая масса 2-й ступени;

M_ТII – масса топлива в баках 2-й ступени.

Тактом образом, каждая последующая ступень дает приращение скорости. В итоге, конечная скорость многоступенчатой ракеты определится как сумма скоростей, приобретенных всеми n ступенями:

. (2.24)

Если то:

.

В подобном случае часто произведение приравни­вают некоторому эквивалентному значению, называемому суммарной относительной массой. Тогда:

. (2.25)

Суммарная относительная масса – это относительная конечная масса такой гипотетической одноступенчатой ракеты, ко­торая приобретает ту же скорость, что и соответствующая много­ступенчатая ракета при равных скоростях истечения по ступеням.

Типичный график набора скорости для многоступенчатой ракеты приведен на рис. 2.9. В осях m_I, V _I и m_II, V _II построе­ны зависимости для каждой ступени в соответствии с (2.24). В осях, показана зависимость (2.26).

Рис. 2.9. График набора скорости двухступенчатой ракеты в зависимости от m_I, m_II,

Дата добавления: 2014-01-07