Автореферат (Метод обоснования технических характеристик многомодульных лунных реактивных пенетраторов)

На правах рукописиЗаговорчев Владимир АлександровичМЕТОД ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКМНОГОМОДУЛЬНЫХ ЛУННЫХ РЕАКТИВНЫХ ПЕНЕТРАТОРОВ05.07.02 - Проектирование, конструкция и производстволетательных аппаратовАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидататехнических наукМосква – 20142Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)»Научныйруководитель:доктор технических наук, профессор,Родченко Владимир ВикторовичОфициальныеоппоненты:Ермаков Владимир Юрьевич – кандидат технических наук,«Научно-производственноеобъединениеим.С.А.Лавочкина» (ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»),заместитель начальника отделаФилин Вячеслав Михайлович – доктор технических наук,профессор, Открытое акционерное общество "Ракетно космическая корпорация "Энергия" имени С.П.

Королёва",советник президентаВедущаяорганизация:Открытое акционерное общество «Машиностроительноеконструкторское бюро «Искра» имени И.И. Картукова»Защита диссертации состоится «30» декабря 2014 года в 13:00 на заседанииДиссертационного совета Д 212.125.10 в Федеральном государственномбюджетном образовательном учреждении высшего профессиональногообразования«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)» по адресу: г. Москва, А-80, Волоколамскоеш., д.4С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» и на сайте:http://mai.ru/events/defence/Автореферат разослан «___» _________ 2014 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.10кандидат технических наук, доцентДенискинаАнтонина Робертовна3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ «Основах государственной политики Российской Федерации в областикосмической деятельности» на период до 2030 года и дальнейшую перспективугосударственными интересами Российской Федерации в частности являютсяполучение научных данных о космосе, небесных телах для развитияфундаментальной науки, достижения и поддержания лидирующих позиций нанаиболее значимых ее направлениях, в том числе в исследовании Луны, свозможностью использования её ресурсов.

Одной из задач государственнойполитики в области космической деятельности в интересах фундаментальныхкосмических исследований является проведение углубленных исследованийЛуны с окололунной орбиты и на ее поверхности автоматическимикосмическими пенетраторами, в том числе с использованием луноходов исредств доставки образцов лунного грунта на Землю, выбор районовразмещения автоматических лунных баз.Для решения указанной задачи по исследованию внутренней структурыЛуны, а также решения смежных научных задач, связанных с образованиемскважин в лунном грунте, доставкой научной аппаратуры, располагаемой вприборном отсеке (ПО), в заданную область грунтового пространствапредлагается использовать реактивные пенетраторы, представляющие собойустройства, снабженные ракетными двигателями и способные двигаться вгрунтах с высокими скоростями.

Возможно создание пакета пенетраторовзапускаемых с орбитального модуля в разные точки лунной поверхности иразвертывания таким образом системы по сбору информации о структуре,сейсмической активности, химическом составе грунта.В качестве силовой установки для пенетратора целесообразно применятьракетный двигатель твердого топлива, поскольку он имеет наивысшийпоказатель среди всех других тепловых машин по запасу энергии на единицуобъема и по удельной лобовой мощности.Важными достоинствами реактивных пенетраторов являются также ихспособность двигаться в реголите под любым углом к горизонту, простотаконструкции и эксплуатации.

Эти достоинства позволяют реактивнымпенетраторам выполнять также работы, которые другими пенетраторами длядвижения в лунном грунте производить затруднительно.Указанные выше области применения и достоинства реактивныхпенетраторов показывают их перспективность и целесообразность внедрения впрактическую космонавтику, а задача разработки новых методов выборапроектных параметров лунных реактивных пенетраторов является актуальной.Научная задачаРассматриваемая в настоящей диссертационной работе научная задачапосвящена исследованию вопросов, связанных с обоснованием необходимостисовершенствованиятехническиххарактеристиклунныхреактивныхпенетраторов (ЛРП).4К настоящему времени существует ряд работ, в направленииисследования процесса проникания твердых тел в грунты и выработки общихподходов к проектированию грунтовых реактивных пенетраторов различногоназначения.Обоснование тенденции совершенствования тактико-техническиххарактеристик грунтовых реактивных аппаратов проведено в работахВ.В.Родченко, где сформулированы методологические подходы к разработке,созданию и внедрению эффективных теоретических и экспериментальнообоснованных методов проектирования грунтовых реактивных аппаратовразличного назначения.А.Я.

Сагомонян посвятил свои работы вопросам проникания твердых телв грунты, а также прониканию при ударном взаимодействии твердых тел,имеющих большие относительные скорости.Имеется и ряд работ, посвященных решению конкретных задач, вчастности в работах В.А. Велданова, С.В. Федорова, Н.А. Федоровойрассмотрены особенности движения и состояния материала грунтовойпреграды на границе контакта с недеформируемым ударником и возможностиувеличения глубины проникания высокоскоростных исследовательских зондовв грунтовые преграды за счет сообщения им дополнительного импульсареактивной тяги в процессе проникания.В работах В.В.Баландина, В.Л.Котова представлены результатычисленных экспериментов по определению сил сопротивления, действующихна цилиндрический ударник с полусферическим оголовком на стадиивнедрения в сухой песчаный грунт.Анализ как отечественных, так и зарубежных источников порегламентированному разрушению грунта показывает, что существует целыйряд методов и средств образования скважин и доставки полезных грузов вгрунтовое пространство, каждые из которых имеют свои достоинства инедостатки.Однако до настоящего времени отсутствуют представительныеколичественныепоказателисравнительнойоценкиэффективностииспользования этих методов и средств при решении конкретных инженерныхзадач.Так, исследования по внедрению твердых тел в грунты за счеткинетической энергии, накопленной на воздушном участке траектории,показывают, что участок движения в грунте иногда носит явно выраженныйкриволинейный характер, при котором возможен значительный уход отпрямолинейного движения вплоть до полного разворота проникающего тела идвижения его донной частью вперед.

На характер движения существенноевлияние оказывают силы, действующие на проникающее тело, которые в своюочередь зависят как от его формы, так и от начальных условий внедрения,определяемых наличием угла между вектором скорости и осью симметрии, атакже угловыми скоростями прецессии, нутации и собственного вращения. Привнедрении реактивного пенетратора с работающим двигателем на его5устойчивость также влияют величина тяги, ее эксцентриситет и возможностьзакрутки.Кроме этого при проектировании и создании лунных реактивныхпенетраторов необходимо учитывать и их эксплуатационные особенности,связанные с высокой тяговооруженностью, малым временем работы двигателя,высокими ударными перегрузками, а также расширение продуктов сгорания вскважине.

Эти специфические условия приводят к тому, что внутренняя ивнешняя баллистика лунных реактивных пенетраторов имеет целый рядхарактерных особенностей, не имеющих места в случае обычных ЛА сракетными двигателями.Цель настоящей работы заключается в разработке метода обоснованиивозможности использования многомодульных реактивных пенетраторов дляобразования скважин в лунном грунте и выбора технических характеристиктаких пенетраторов.Для достижения поставленной цели необходимо провести исследованияпо целому ряду принципиальных вопросов взаимодействия пенетратора слунным грунтом с учетом высокой скорости и угла входа ЛРП в реголит, атакже движения его в подповерхностном слое с включенной двигательнойустановкой, когда газовая струя истекает из сопла двигателя в скважинупеременной длины.Теоретические и экспериментальные исследования по созданиюодномодульных лунных реактивных пенетраторов показали, что подобныепенетраторы по своимконструктивным особенностям,атакжевнутрикамерным процессам, протекающим в период функционированиядвигательной установки, имеют ряд недостатков, которые могут существеннымобразом повлиять на их применение.Наиболееуниверсальнымпоказателемэффективностилунныхреактивных пенетраторов является вероятность выполнения поставленнойзадачи, которая при заданном диаметре миделевого сечения пенетратора,главным образом, определяется вероятностью проникания реактивногопенетратора в реголит на определенную глубину (дальность).

Поэтому в работев качестве критерия сравнительной оценки альтернативных вариантов ЛРПвыбрана глубина проникания, зависящая от параметров пенетратора, условийего запуска и физико-механических характеристик лунного грунта.Затраты на выполнение операции складываются из различных статейрасходов. В частности, определяющими затратами на образование скважины вреголите с помощью реактивного пенетратора являются затраты на доставкуЛРП в составе посадочного пенетратора на поверхность Луны.Поэтому для лунных реактивных пенетраторов, входящих в реголит снекоторой скоростью и использующих в качестве силовой установкиреактивный двигатель с заданными характеристиками твердого топлива,целесообразно в качестве ограничения по затратам принимать не стартовуюмассу, а массу топлива, зависящую от глубины проникания пенетратора,условий его запуска и характеристик реголита.

При этом масса конструкциипенетратора является варьируемым параметром, на который накладываются6ограничения, обусловленные прочностью ЛРП при входе его в лунный грунт свысокой скоростью.Возможна и обратная постановка задачи, когда при заданной глубинепроникания определяются параметры и характеристики, а также условиязапуска пенетратора, имеющего минимальный запас топлива.В работе поставлены и решены следующие основные задачи1.Разработка метода обоснования технических характеристикмногомодульного реактивного пенетратора, обеспечивающего доставкуприборного отсека на заданную глубину оптимальным способом.2.Построение математической модели пространственного движенияреактивного пенетратора в лунном грунте.3.Выбор показателей количественной оценки эффективностииспользования лунных реактивных пенетраторов.4.Проведение оценки влияния процесса истечения газовой струи изсопла двигателя в скважину переменной длины.5.Определение критериев подобия для моделирования параметров ихарактеристик лунных реактивных пенетраторов.Методы исследованияЗадача определения технических характеристик пенетратора, а такжеусловия его запуска выбираются так, чтобы он доставлял заданную полезнуюнагрузку либо на определенную глубину при минимуме энергетических затрат,определяемых суммарным импульсом топлива, либо на максимальную глубинупри заданном суммарном импульсе топлива.Интегрирование системы дифференциальных уравнений движенияпроводилось методом Рунге-Кутты.

При исследовании экстремума целевойфункции использовался метод направленного случайного поиска.В число основных проектных параметров, однозначно определяющихоблик как отдельных модулей, так и ЛРП в целом, помимо давления в камересгорания, удлинения, отношения давлений на срезе сопла и в камере, времениработы двигателя в воздухе, массы конструкции и угла полураствора головногокорпуса дополнительно входит количество модулей (или секций ДУ) лунногореактивного пенетратора.Научная новизна работы заключается в следующем.1.Разработан метод обоснования технических характеристикмногомодульного реактивного пенетратора, обеспечивающего доставкуприборного отсека на заданную глубину оптимальным способом.2.Предложена математическая модель пространственного движенияреактивного пенетратора в лунном грунте.