СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ СВЕРХТЯЖЕЛОГО КЛАССА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ
METHOD FOR OPERATION OF PROPULSION SYSTEM OF FIRST STAGE OF SUPER-HEAVY LAUNCH VEHICLE TO ENSURE FLIGHT SAFETY

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании ракет-носителей сверхтяжелого класса (РН СТК).
Прототипом предлагаемого изобретения является способ работы двигательной установки первой ступени ракеты-носителя сверхтяжелого класса, раскрытый в статье «Способ обеспечения требуемой надежности ракеты-носителя с использованием резервирования в двигательной установке» авторов: Капгер В.В., Мосолов С.В., Орлова Л.И., Пастухов А.И., Савельев В.О., опубликованной в Общероссийском научно-технический журнале «Полет». - 2016. - №10. - С.9-11. В указанной статье проведен сравнительный анализ надежности следующих вариантов двигательных установок (ДУ): с четырьмя жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) без резервирования, с пятью, десятью и двенадцатью двигателями с резервированием. Вариант ДУ из 5 двигателей с одним резервируемым рассматривается авторами как наиболее перспективный - в данном варианте двигательной установки первой ступени ракеты-носителя сверхтяжелого класса из 5 двигателей с резервированием, двигатели штатно работают на режиме 80% номинальной тяги. По состоянию на 2020 год разрабатываемые варианты РН СТК имеют массу, не позволяющую использовать 5 двигателей с резервированием, и отказ одного двигателя приведет к аварии РН СТК из-за недостаточной тяговооруженности РН.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание нового способа функционирования двигательной установки, позволяющего повысить надежность двигательной установки, обеспечить парирование возможных отказов двигателей с сохранением функционирования РН СТК и безопасность полетов ракет-носителей сверхтяжелого класса с уменьшением финансовых потерь при выполнении программы пусков, а, следовательно, повышает конкурентоспособность отечественной РН СТК.
Техническим результатом является обеспечение запаса по суммарной тяге двигательной установки первой ступени по отношению к массе ракеты-носителя сверхтяжелого класса.
Для решения задачи и достижения технического результата предложен способ работы двигательной установки первой ступени ракеты-носителя сверхтяжелого класса, в котором обеспечивают штатное функционирование шести жидкостных ракетных двигателей с резервированием в полете на режиме тяги 80% от номинального режима каждого двигателя, а в случае отказа одного из двигателей обеспечивают работу двигательной установки за счет перевода оставшихся двигателей на режим номинальной тяги.
Надежность двигательной установки с резервированием двигателей определяют по расчетному соотношению [Калабро С.Р. Принципы и практические вопросы надежности. М.: Изд. «Машиностроение» - 1966], описывающему полную группу событий в случае отказа одного ЖРД, продолжения работы как минимум (n-1) двигателей, входящих в ДУ, своевременного обнаружения и отключения неисправного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД):
ду
где Р - надежность двигательной установки;
ед
Р - надежность единичного двигателя;
W - вероятность формирования ложного сигнала на отключение исправного двигателя;
h - вероятность своевременного отключения неисправно работающего ЖРД системой аварийной защиты (САЗ);
i - число резервируемых ЖРД (i=0, 1);
n - количество двигателей в двигательной установке;
- число сочетаний из «n» по «i».
Анализ надежности двигательной установки первой ступени и безопасности полетов РН СТК проведен для трех вариантов компоновки изделия с числом ЖРД на первой ступени: четыре, пять и шесть двигателей (Таблица 1).
Расчеты проведены при изменении требуемой надежности единичного ЖРД в диапазоне достигнутых в отечественной практике двигателестроения значений 0,995÷0,999.
В качестве количественных характеристик работоспособности системы контроля и аварийной защиты для расчетов приняты полученные на сегодня с учетом данных для таких систем безопасности изделий ракетно-космической техники оценки показателей:
- вероятность своевременного отключения неисправно работающего ЖРД системой аварийной защиты - 0,9;
- вероятность формирования ложного сигнала на отключение исправно работающего двигателя - 0,0005.
Результаты расчетов надежности ДУ первой ступени РН СТК для принятых вариантов компоновок двигательных установок приведены в Таблице 2.
По полученным данным построены зависимости надежности ДУ от требуемой надежности единичного двигателя и принятых показателей эффективности системы САЗ, которые приведены на Фигуре.
ду
Результаты сравнительного анализа надежности вариантов ДУ первой ступени РН СТК показывают (Фигура), что наибольшая эффективность резервирования ДУ достигается при использовании варианта ДУ первой ступени, состоящего из шести двигателей с одним резервируемым. Надежность такой резервируемой двигательной установки при требуемой надежности единичного двигателя 0,998÷0,999 и реально ожидаемых характеристиках САЗ составляет 0,9987÷0,9994, что выше, чем для варианта ДУ с пятью ЖРД с одним резервируемым двигателем, и значительно выше, чем для варианта ДУ с четырьмя ЖРД без резервирования (Р=0,992÷0,996).
Вероятность катастрофы из-за отказа двигателя в составе ДУ первой ступени РН СТК при принятых требованиях к надежности единичного двигателя и характеристикам системы САЗ составляет 0,0006÷0,0013, то есть одна авария на 1000 летных пусков РН при обеспечении запаса по суммарной тяге ДУ, что в 4-8 раза меньше, чем для варианта ДУ с четырьмя двигателями без резервирования (4-8 аварий на 1000 пусков РН).
Предложенный вариант резервируемой ДУ первой ступени позволяет также обеспечить минимальную стоимость пуска изделия за счет меньшего количества аварийных пусков РН из-за отказов двигателей. Стоимость эксплуатации РН СТК снижается на 20% по сравнению с вариантом ДУ из четырех двигателей без резервирования. Это должно способствовать повышению конкурентоспособности отечественного РН СТК на международном космическом рынке.