НАДЕЖНОСТЬ — ОСНОВА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ БУДУЩЕГООбеспечение надежности перспективных средств выведения
Печать фото на холсте мы создаем Картины по фото Студия цифровой живописи Fotokartina. Самая актуальная информация начать бизнес калининград тут. Клиники физиотерапии Краснодара bubnovskykrasnodar.ru.
В настоящее время в ведущих ракетно-космических странах мира проводятся интенсивные работы по созданию перспективных средств выведения.
Позади длительный, сорокалетний (1957-1997 гг.) период создания ракет-носителей на основе боевых ракет. Значительное числомодификаций базовых моделей, разработанных в отмеченный период, созданы путем модернизации отдельных элементов РН в рамках установленных компоновочных схем. Эволюционный период совершенствования РН завершается, потенциальные возможности старых базовых вариантов исчерпаны.
Настоящий этап создания новых средств выведения имеет следующие особенности:
- компоновочные (структурные) схемы РН могут быть сформированы оптимальным образом с учетом опыта эксплуатации РН;
- для сокращения сроков и затрат на разработку и эксплуатацию образцов РН используется модульный принцип
- создания носителей на основе универсальных ракетных модулей или основных базовых элементов;
- при разработке модулей и базовых элементов используются составные части (двигатели, система управления, конструкция), имеющие оптимальные на настоящий момент времени летно-технические характеристики.
Достигнутый уровень надежности существующих ракет-носителей (рис. 1...4) характеризуется такими данными:
- процент успешных пусков за все время эксплуатации РН для всех ракетных семейств не превышает 97 % (семейство "Спутник"), для базовых вариантов РН гарантированные оценки надежности не превышают уровень 0,969;
- серии успешных пусков, превышающие достаточно высокий уровень — 50 пусков (что соответствует потенциальному уровню надежности 0,98), имеют ограниченное число РН ("Союз-У","Протон-К", "Космос-3М", "Циклон-2", Delta-2 и Ariane-4);
- время доводки РН до начала периода устойчивого уровня качества и надежности составляет 10...15 лет, что в настоящее время недопустимо;
- производственные отказы вследствие нарушений технологической дисциплины и эксплуатационные отказы в значительной мере влияют на реальный уровень надежности достаточно отработанных и длительное время эксплуатируемых РН;
- ставки страховых взносов, существенным образом влияющие на стоимость запуска, в настоящее время находятся на высоком уровне — 17...20%;
- аварийность мирового парка ракет-носителей все еще высока, что наглядно подтверждается результатами 1998 и 1999 гг.
|
Рис. 1. Число пусков на одну аварию для РН России (СССР) и США за период 1957-1999 гг.
|
|
Рис. 2. Число пусков на одну аварию с накоплением для РН России (СССР) и США за период 1957-1999 гг.
|
|
Рис. 3. Доля успешных пусков для РН России (СССР) и США за период 1957-1999 гг.
|
|
Рис. 4. Доля успешных пусков с накоплением для РН России (СССР) и США за период 1957-1999 гг.
|
Аварийные пуски носителей Н2 (Япония), Titan-4, Delta-3 (США), "Протон-К" (Россия), "Зенит" (Украина) принесли значительный ущерб, повлияли на сроки и программы их дальнейшего использования:
- ущерб от аварий РН Titan-4 (2.08.1993 г., 12.08.1998 г., 9.04.1999 г., 30.04.1999 г.) составляет более миллиарда долларов в каждом случае;
- две аварии новой РН Delta-3 (17.01.1998 г., 5.05.1999 г.) существенно повлияли на планы запусков ракеты-носителя (спутник и запуск в мае 1999 г. были застрахованы на сумму 265 млн. дол.);
- консорциум GlobalStar принял решение о замене РН "Зенит" на РН "Союз" при развертывании системы GlobalStar. Уже состоялось 6 успешных пусков РН "Союз" из 7 намеченных.
В целях обеспечения конкурентоспособности и эффективности использования перспективных РН требования к их надежности должны устанавливаться на повышенном уровне:
- нормативное значение показателя надежности РН в полете RPH выбирается из интервала значений 0,985...0,995. На практике это означает, что расчетное значение серии успешных пусков находится в диапазоне 65...200;
- контрольный уровень надежности РН в полете RpH устанавливается 0,975...0,99 при доверительной вероятности у = 0,9. На практике это означает,что значения серий успешных пусков должны находиться в диапазоне 45...100.
Тенденции изменения "наработки" на аварию РН представлены на рис.
|
Тенденции изменения "наработки" на аварию РН
|
Необходимо отметить,что требования к надежности РН Ariane-5 и Н2 установлены на уровне 0,985 и 0,99 соответственно.
На основе обобщения опыта создания отечественных и зарубежных РН, выполнения программ Apollo, "Союз" — "Аполлон", Space Shuttle и "Буран" можно назвать некоторые общие принципы обеспечения надежности РН, которые целесообразно использовать при разработке новых или модернизации существующих РН:
- использование отработанных технических решений, узлов и систем;
- создание РН по структурной схеме, содержащей минимум элементов, с последующим дублированием (в отдельных случаях троированием или использованием мажоритарной схемы) критичных элементов;
- разработка перечней критичных элементов РН (на основе анализа возможных отказов и оценки их влияния на надежность и безопасность РН) и реализация дополнительных мероприятий по повышению и обеспечению надежности этих элементов;
- обеспечение надежности в основном путем наземной отработки в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.
Основные факторы, которые определяли и в ближайшем будущем будут определять уровень надежности РН, представлены в табл.
Основные факторы, определяющие уровень надежности РН
Надежность двигателей, их тип и размерность в определяющей степени влияют на уровень надежности РН в целом. Оптимальная стратегия обеспечения надежности двигательных установок РН состоит в том, чтобы в ДУ использовать минимально возможное число двигателей и отрабатывать двигатели на этапе наземной отработки в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным, и в объеме, достаточном для подтверждения требуемых уровней надежности.
|
Жидкостные ракетные двигатели РД-180 и РД-0120
|
Особенно важна надежность ДУ первой ступени для РН среднего, тяжелого и сверхтяжелого классов. Обеспечение тяги первой ступени РН на уровне 1000...2000 тс определяется числом и размерностью используемых двигателей. В связи с этим выбор типа и размерности двигателей, используемых в ДУ первой ступени, приобретает первостепенное значение с точки зрения обеспечения надежности РН в целом.
В разрабатываемых в США, ЕКА и Японии семействах РН в основном используются двигатели большой размерности с применением экологически чистых и высокоэнергетических компонентов топлива.
Анализ рассмотренных семейств РН позволяет установить следующее.
- При формировании семейства РН по программе EELV в
США практически отошли от привычной компоновочной схемы
РН, в основу которой был положен принцип использования на
первой ступени твердотопливных ускорителей большой и малой
размерности (семейства РН Titan, Delta и отдельные модели РН
Atlas). Это позволит существенно повысить надежность ДУ первой ступени.
- Использование двигателей большой размерности позволяет
существенно упростить компоновочные схемы РН и уменьшить
число двигателей, используемых на первых ступенях и РН в целом. В разрабатываемых носителях число двигателей, используемых на первой ступени и РН в целом, меньше, чем для существующих РН, в 2...5 раз (табл.).
Число двигателей, используемых в составе перспективных зарубежных средств выведения и их РН-прототипов
- Для обеспечения одного и того же уровня надежности РН
требования к надежности двигателей РН Atlas 2AS должны быть
существенно выше требований к надежности двигателей РД-180
или RS-68.
|
Требования к надежности двигателей первой ступени РН Atlas 2AS и HLV (EELV-Lockheed Martin)
|
- Для этапа летных испытаний и начального этапа штатной
эксплуатации практически для всех вновь разрабатываемых РН
характерен повышенный уровень дефектности двигателей и других составных частей РН, обусловленный недостаточным уровнем наземной отработки, неполным учетом особенностей взаимного функционирования систем РН и отличием реальных условий полета от наземных. Уровень бездефектности многодвигательной ДУ также значительно уступает уровню бездефектности
ДУ с малым числом двигателей.
|
Зависимость бездефектности двигательной установки первой ступени РН Atlas 2AS и HLV (EELV-Lockheed Martin) от уровня дефектности двигателей
|
|