Raqamli texnologiyalar

MAVZU:RAKETANING VERTIKAL KO’TARISH MUAMMOSI

REJA
1.RAKETALAR YARATILISH TARIXI
2.RAKETALARNI UCHIRISHNING USULLARI
3.BAYQO’NG’IR KOSMODROMI
4.RAKETANING VERTIKAL KO’TARILISH MUAMMOSIGA DOIR MISOLLAR
Raketalar Nyutonning uchinchi qonuniga oydinlik kiritadi: "Har bir kuch uchun teng, qarama-qarshi kuch mavjud". Birinchi raketalar miloddan avvalgi IV asrda Tarantolik Arxitas tomonidan ixtiro qilingan bug'da ishlaydigan yog'och kaptarlar edi. Bug' o'rnini xitoylik porox purkagichi egalladi, keyin esa Robert Goddard tomonidan qurilgan Konstantin Ziolkovski tomonidan suzuvchi raketa rejalari paydo bo'ldi. Ushbu tavsif bilan siz oddiy yoki murakkab raketalarni qurishingiz mumkin. Nihoyat, siz raketa qurish tamoyillari haqida bilib olasiz.
Dunyoda raketalarni uchirishning ko'plab usullari mavjud. Ko'p pul va sa'y-harakatlar eskisini takomillashtirish va orbitaga raketani chiqarishning yangi usullarini ishlab chiqishga qaratilgan.
Kosmodromdan raketani uchirish varianti ta'sirchan qator kamchiliklarga ega. Asosiy muammolardan biri bu Yerning tortishish kuchini va erkin tushish tezlashishini engish uchun zarur bo'lgan juda katta miqdordagi yoqilg'i, Yerning taxminan 9,8 m / ga teng. Raketaning dastlabki 10 kilometrga ko'tarilishi paytida uning yoqilg'i energiyasining yarmi sarflanadi.

Tadqiqot maqsadi

Kosmik kemalarni orbitaga chiqarishning yangi usullarini ishlab chiqish umuman olganda, xususan, Bayqoʻngʻir kosmodromi joylashgan markaziy Qozogʻiston uchun ham dolzarbdir. 2008-2011 yillarda Boyqoʻngʻir kosmodromidan 91 tasi uchirilgan, ulardan 4 tasi favqulodda uchirilgan (Proton raketasi). Shu munosabat bilan, maqola resurs va ekologik jihatlar nuqtai nazaridan yangi, samaraliroq va arzonroq, kosmik kemalarni Yer orbitasiga chiqarish usullarini topishga qaratilgan.
Uchirish apparatlarining xarakteristikalari va ish sharoitlari hali ham mukammal emas. Suyuq dvigatelli raketa dvigateliga ega zamonaviy raketalarda yoqilg'i uchish massasining 85% gacha bo'lishi mumkin. Raketa-kosmik texnologiyalardan keng foydalanishga to'sqinlik qiluvchi omillar ham raketalarning, ham foydali yukning yuqori narxi, shuningdek ularni ishlab chiqarish uchun katta ishlab chiqarish quvvatlarini jalb qilish zarurati bo'lib qolmoqda.
Bundan tashqari, zamonaviy raketalarni ishlatish paytida istisno zonalariga ega bo'lish talab etiladi, ya'ni. Jahon okeanining navigatsiyadan xoli suv hududlari yoki foydalanilmayotgan quruqlik maydonlari, vaqt o'tishi bilan insonning jadal rivojlanayotgan iqtisodiy faoliyati tufayli tobora qiyinlashib borayotgan, tobora ko'proq yangi hududlarni egallab olgan sarflangan bosqichlarni tushirish uchun mo'ljallangan. Yana bir muammo - Yerga yaqin kosmik fazoning faol hayotini tugatgan raketalar va kosmik kemalarning ishlagan yuqori bosqichlari bilan tiqilib qolishi. Ayni paytda fazoda bunday ob'ektlarning bir necha mingtasi bor va ularning soni ortib bormoqda va koinotda ko'payib borayotgan vayronalar tashvish tug'dira boshladi. Bunday kosmik ob'ektlarning tushgan qoldiqlaridan biz ular yonadigan atmosferaning zich qatlami bilan himoyalanganmiz.Ammo ular aviatsiya uchun xavfli bo'lib qoladi, ayniqsa baland balandliklarda (18 km gacha) uchadigan tovushdan tez uchadigan transport samolyotlari uchun, bu erda qulagan vayronalarning kinetik energiyasi hali tarqalib ulgurmagan .TCS talablari. Yerga yaqin kosmik fazoni tadqiq qilish istiqbollari va zamonaviy kosmik kemalarni uchirish apparatlarining ishlashi bilan bog'liq muammolar kelajakdagi transport kosmik tizimlariga umumiy talablarni shakllantirish imkonini beradi.Katta konstruktsiyalarni kosmosga joylashtirish juda ko'p sonli bir xil turdagi elementlardan, yig'ilishlardan va qismlardan amalga oshirilishi taxminqilinmoqda, ularni to'g'ridan-to'g'ri SCS yig'ishda Yerdan etkazib beriladigan yarim tayyor mahsulotlardan ishlab chiqarish mumkin. (masalan, g'altakga o'ralgan tasma). Xom ashyo va kosmik ishlab chiqarishning tayyor mahsulotlarini tashish etarlicha zich qadoqlangan konteynerlarda mumkin. Shuning uchun foydali yuk modullarining hajmi va massasi istiqbolli kosmik transport tizimlari uchun cheklanmaydi.
Atrof-muhitga minimal zarar etkazgan holda yuklarni Yerga yaqin orbitaga etkazib berish talabi barcha istiqbolli kosmik transport tizimlari uchun o'zgarishsiz qolmoqda. Keng miqyosda qo'llash bo'yicha istiqbolli TCS Yer atmosferasini zararli yoqilg'i yonish mahsulotlari bilan ifloslantirmasligi, akustik yuklarning ruxsat etilgan me'yorlaridan oshib ketmasligi, alohida strukturaviy elementlarni parvoz paytida tashlab ketmasligi yoki orbitada qoldirmasligi kerak. Qayta foydalanish mumkin bo'lgan transport kosmik kemalarida birinchi bosqich sifatida ikkita qattiq yoqilg'i kuchaytirgichidan foydalanish tizimning ishonchliligini va ekipaj xavfsizligini yaxshilaydi, biroq ayni paytda qattiq yoqilg'ining, shu jumladan ammoniyning yonish mahsulotlari bilan atmosferaning ifloslanishi xavfiga olib keladi. perklorat, polibutadien va alyuminiy qo'shimchalari. MTSC ishga tushirilgandan taxminan 40 km balandlikgacha (tezlatgichlarning oxiri) atrofdagi kosmosga bir necha yuz tonna yonish mahsulotlari, shu jumladan alyuminiy oksidi, uglerod oksidi, gazsimon vodorod xlorid zarralari kabi zaharli komponentlar chiqariladi.Yonish mahsulotlarining zararli ta'siri toksik bulut qoplamining ifloslanishi, kislotali yomg'ir va ob-havoning oldindan aytib bo'lmaydigan o'zgarishini o'z ichiga olishi mumkin.
Ushbu turdagi yana bir xavf mavjud - xlorid birikmalari ta'sirida stratosfera ozon qatlamini yo'q qilish, ya'ni. ozon qatlamida "derazalar" deb ataladigan narsalarning shakllanishi. Ma'lumki, bu qatlam Yerda yashovchi barcha narsalarni Quyosh tomonidan yuboriladigan zararli ultrabinafsha nurlaridan himoya qiladi. Ayni paytda raketalarni uchirishning bir qancha usullari mavjud. Eng istiqbollilaridan biri bu havo bilan uchirish - raketalarni bir necha kilometr balandlikdan uchirish usuli, u yerda raketa uzatiladi. Etkazib berish vositasi ko'pincha samolyotdir, ammo havo shari yoki havo kemasi ham harakat qilishi mumkin. Ko'pincha, bu usul hozirda suborbital traektoriya bo'ylab transport vositalarini uchirish yoki sun'iy yo'ldoshlarni Yerga yaqin orbitaga chiqarish uchun ishlatiladi. Havoni ishga tushirish tufayli siz sezilarli darajada tejashingiz mumkin, shuning uchun u tobora ommalashib bormoqda. Shu nuqtai nazardan, Rossiyada Air Launch dasturini amalga oshirish (Indoneziya bilan birgalikda amalga oshiriladigan samolyotdan raketa tashlash) raketalarni uchirish uchun yuqori xarajatlarni kamaytirish va shu bilan rentabellikni oshirish uchun haqiqiy imkoniyatga o'xshaydi. koinotga tijorat raketalarini uchirish dasturlari. foydali yuk. Ushbu loyiha nafaqat ba'zi hollarda statsionar kosmodromlar qurilishidan voz kechish va Yerning deyarli istalgan nuqtasidan uchirilish imkonini beradi, balki bugungi kosmik bozor talablariga ham javob beradi. Bunday g'ayrioddiy uchirish g'oyasi shundan iboratki, Ruslan og'ir transport samolyoti sun'iy yo'ldosh bilan ikki bosqichli raketani 11 kilometr balandlikka yetkazadi va uni tushiradi. Raketa parashyut yordamida vertikal holatni olganida, birinchi bosqich ishga tushiriladi.
Texnik nuqtai nazardan, balandligi 200 km va moyilligi 90 daraja bo'lgan mos yozuvlar orbitasiga chiqarilgan foydali yukning massasi shunga o'xshash Amerika loyihalariga qaraganda kattaroq tartibdir va Air Launch kompleksining qobiliyati. og'irligi 0,8 tonna bo'lgan foydali yukni geostatsionar orbitaga chiqarish (balandlik 36 000 km) jahon amaliyotida hech qanday misolga ega emas.
Kosmodromdan raketani uchirish varianti ta'sirchan qator kamchiliklarga ega. Asosiy muammolardan biri bu raketaning tortishish kuchini engib o'tish va erkin tushishni tezlashtirish uchun zarur bo'lgan katta miqdordagi yoqilg'i. Raketaning dastlabki 10 kilometrga ko'tarilishi paytida uning yoqilg'i energiyasining yarmi sarflanadi. Bundan tashqari, ko'plab neft mahsulotlarini (kerosin, vodorod va boshqa birikmalar) o'z ichiga olgan yoqilg'ining yonishi paytida atrof-muhitni ifloslantiruvchi moddalarning katta miqdori chiqariladi (gazsimon chiqindilar, yoqilg'i to'kilishi va qattiq chiqindilar shaklida hosil bo'ladi. sarflangan strukturaviy elementlarning) kosmik faoliyatdan voz kechish mumkin emas. Biroq, zararli ta'sirlarni kamaytirish yoki yo'q qilish kerak. Kosmik raketani qanday uchirish kerak. Hozirgi vaqtda havo kemasi ma'lum bo'lib, u sharning pervaneli (odatda elektr motorli yoki ichki yonish dvigateliga ega pervanel) va harakatni boshqarish tizimi (rullari) birikmasidan iborat bo'lib, buning natijasida dirijabl har qanday holatda harakatlanishi mumkin. havo oqimlarining yo'nalishidan qat'i nazar, yo'nalish. Bunday qurilmaning kamchiliklari raketani uchirish balandligiga ko'tarish uchun bir nechta havo kemalarining to'g'ri ishga tushirish maydonchasining yo'qligi.
Taklif etilayotgan texnik mohiyatga eng yaqin va erishilgan natija foydali yukni orbitaga qo'yish uchun raketani samolyotdan uchirish usuli, shu jumladan raketaning foydali yuk bilan samolyotdan chiqishi, samolyotdan xavfsiz masofada uchirishdir. boshqaruv elementlarining egilish tekisligi raketani barqarorlashtirish tekisliklariga nisbatan o'rnatiladigan birinchi bosqich qo'llab-quvvatlovchi dvigatel, raketani qo'shimcha raketa uchirgich yordamida vertikal tekislikda ma'lum bir burchak holatiga aylantirish. dastur harakatini amalga oshirishning boshlanishi, bu bilan tavsiflanadi
bortda boshqaruv tizimida qo'llab-quvvatlovchi dvigatel yordamida boshqariladigan harakatni boshlash paytida, qadam kanalidagi harakatning burchak parametrlarining qiymatlari o'lchanadi va ularning ruxsat etilgan diapazoni bilan solishtiriladi. Harakatning keyingi qismida raketaning barqarorligini ta'minlash sharti asosida aniqlangan qiymatlar va agar ular belgilangan vaqtdan boshlab ruxsat etilgan qiymatlar ichida bo'lsa, raketa barqarorlashtiruvchi vosita yordamida dastur traektoriyasiga nisbatan barqarorlashtiriladi. , va agar raketaning boshqariladigan harakati boshlanganda, qadam kanalidagi burchak parametrlarining qiymatlari ruxsat etilgan qiymatlar chegarasidan oshsa,
harakatning keyingi segmentida raketaning barqarorligini ta'minlash sharti bilan aniqlanadi va agar ular belgilangan vaqtdan boshlab ruxsat etilgan qiymatlar ichida bo'lsa, raketa barqarorlashtiruvchi vosita yordamida dastur traektoriyasiga nisbatan barqarorlashtiriladi, va agar raketaning boshqariladigan harakati boshlanganda, balandlik kanalidagi burchak parametrlarining qiymatlari ruxsat etilgan qiymatlar chegarasidan oshib ketgan bo'lsa, u holda shu vaqtdan boshlab boshqaruv tizimining buyrug'i bilan Dvigatelni boshqarish elementlari bir vaqtning o'zida qadam va aylanish kanallarida olingan burchak mos kelmasligini ishlab chiqish yo'nalishi bo'yicha
bir vaqtning o'zida, raketani yaw kanalida nazorat qilish qadam kanalidagi burchak harakati parametrlarining qiymatlari ularning ruxsat etilgan qiymatlari maydoniga etkazilgan paytdan boshlab va xuddi shu paytdan boshlab amalga oshiriladi. Vaqt o'tishi bilan ular qo'llab-quvvatlovchi vosita yordamida raketani dastur traektoriyasiga nisbatan barqarorlashtirishni boshlaydilar. Ushbu usulning kamchiliklari raketani uchirish balandligiga ko'tarish uchun zarur bo'lgan katta yoqilg'i massasidir.
Koinot raketasini uchirishning yuqoridagi usullarining kamchiliklari tufayli kosmik raketani uchirish va atrof-muhitning ekologik holatini yaxshilashning muqobil usullarini ishlab chiqish zarurati tug‘ildi.
Kosmik raketani uchirish usulini taklif qilish mumkin, u platformadan, unga joylashtirilgan raketadan, platformaga kabel orqali ulangan bir nechta dirijabllardan iborat uchirish tizimi tomonidan amalga oshiriladi. Havo kemalari yordamida uchirish tizimi uchirish balandligiga ko'tariladi, so'ngra raketa platformadan unga joylashtirilgan kukun zaryadi ta'sirida va reaktiv dvigatelning ishlashi bilan ajralib turadi.
zararli emissiyalarni kamaytirish uchun ko'tarilish havo kemalari tomonidan amalga oshiriladi
Kosmik raketani uchirish usuli, platformadan, uning ustiga o'rnatilgan raketadan, platformaga kabellar orqali ulangan bir nechta havo kemalaridan iborat uchirish tizimi tomonidan amalga oshiriladi. Havo kemalari yordamida uchirish tizimi uchirish balandligiga ko'tariladi, so'ngra raketa platformadan unga joylashtirilgan kukun zaryadi ta'sirida va reaktiv dvigatelning ishlashi ostida ishga tushiriladi.

Uchish va harakatlanish vaqtida raketaga reaktiv kuch ta'sir qiladi, bu ajratuvchi zarrachalar va raketaning harakati o'rtasidagi farqga va vaqt o'tishi bilan apparat massasining o'zgarishiga proportsionaldir (NV Meshcherskiy tenglamasi).

=

bu yerda u - chiquvchi zarrachalarning tezligi;

F - faol va passiv reaksiyalarning umumlashgan kuchi;

v - raketaning tezligi

Bitta mexanik masalada matematik modellar ierarxiyasini qurish misoli sifatida raketaning maksimal balandlikka vertikal ko'tarilishi masalasini ko'rib chiqing. Raketani Yer yuzasida berilgan dastlabki holatdan oxirgi holatga, vertikal tezlikka olib borish uchun dvigatelning bir lahzalik yonilg'i sarfiga mutanosib bo'lgan surish kuchining o'zgarish qonunini aniqlash talab etiladi. yo'qoladi va ko'tarish balandligi eng katta. Yoqilg'i miqdori berilgan qiymatdir. Keling, matematik modellarning murakkabligi bilan farq qiluvchi ushbu muammoning uchta formulasini ko'rib chiqaylik, ularni qurishda haqiqiy harakat jarayoniga ta'sir qiluvchi fizik omillar turli darajada hisobga olinadi. 1. Raketaning havo bo'shlig'ida ko'tarilishi. Qarshilik kuchini e'tiborsiz qoldirish mumkin deb taxmin qilinadi. O'zgaruvchan massali moddiy nuqtaning bir xil tortishish maydonidagi harakat tenglamasi (Meshcherskiy tenglamasi) shaklga ega. Bu erda V - raketaning massa markazining tezligi, m - raketaning massasi, g - erkin tushish tezlashishi, p - boshqaruv o'zgaruvchisi hisoblangan dvigatelning surish kuchi. Biz surish kuchi lahzali oqim tezligi dm ga proportsional deb faraz qilamiz massalar, ya'ni. p -c, bu erda c - gaz chiqishining nisbiy tezligi dt dvigatelning nozullari, h - raketaning balandligini belgilaymiz, v = dh / dt. Barcha kiritilgan munosabatlarni hisobga olgan holdav, ya'ni kattaliklarga nisbatan harakat tenglamalarining to'liq tizimini yozamiz. Lekin

= g
=
=
Bu yerda p , c, - faza o'zgaruvchilarining boshlang'ich qiymatlari, - raketaning yakuniy massasi (barcha yoqilg'i yonib ketganda), tj. - v(t) = 0 shartidan aniqlanadigan oxirgi harakat momenti. Boshqaruv p O < h
2. Raketaning doimiy zichlikdagi muhitda ko'tarilishi. Bunday holda, tezlikning kvadratiga proportsional hisoblangan Q muhitining qarshilik kuchi mavjud (bu odatda qo'llaniladigan aerodinamikada amalga oshiriladi). Q = kv2. Keyin yuqoridagi sistemadagi birinchi tenglamani quyidagi bilan almashtirish mumkin

= g

Boshqa tenglamalar bir xil bo'lib qoladi. Muammoning bunday bayonoti ko'tarilish balandligi kichik bo'lganda maqbul bo'lib chiqadi (atmosferaning zichligini doimiy deb hisoblash mumkin).

3. O'zgaruvchan zichlikdagi atmosferada raketaning ko'tarilishi. Atmosfera zichligi eksponensial qonunga ko'ra o'zgaradi deb taxmin qilamiz Ko'tarish balandligiga qarab Ml. Shu bilan birga, biz balandlikning o'zgarishi diapazoni erkin tushish tezlashuvini g doimiy deb hisoblashimizga imkon beradi deb taxmin qilamiz. Bunda muhitning qarshilik kuchi quyidagicha ifodalanadi

Keyin yuqoridagi sistemadagi birinchi tenglamani quyidagi bilan almashtirish mumkin qolgan tenglamalar o'zgarishsiz qoladi.

= g
Ushbu optimal muammolarni hal qilish Pontryagin maksimal printsipiga asoslanadi va masalaning ikkinchi va uchinchi formulalarida optimal boshqaruv maxsus boshqaruv deb ataladigan bo'limlarni o'z ichiga olishi mumkin (oraliq surish rejimi: 0 < p (t)).
ish foydasiz bo'ladi. Ushbu muammolarni hal qilish tafsilotlarinida topish mumkin. Muammoning birinchi bayonoti uchun optimal tenglama quyidagi shaklga ega:

bular. maksimal quvvatni yoqishingiz va barcha yoqilg'i yonib ketguncha ushlab turishingiz kerak. Muammoning turli matematik modellari uchun raketani ko'tarish balandligini hisoblashning yakuniy natijalaridagi farq juda muhim bo'lib chiqdi.