Дипломная работа (ВКР) — бакалавр, специалист на тему Разработка криогенного ракетного двигателя для возвращаемого суборбитального туристического космического аппарата (можно любую другую по специальности «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов»)

Содержание:

Список
сокращений и условных обозначений. 6

Введение. 7

1 Характеристика возвращаемого суборбитального
туристического космического аппарата. 11

1.1
История суборбитального туризма и его перспективы.. 11

1.2
Описание суборбитальной ракеты с проектируемым криогенным ракетным двигателем.. 14

2. Расчёт параметров двигателя. 16

2.1
Исходные данные. 16

2.2
Характеристика используемой топливной пары.. 16

2.3
Пневмогидравлическая схема двигателя. 18

2.4
Термодинамический расчет камеры ЖРД.. 19

2.5
Профилирование внутреннего контура камеры.. 31

2.6
Определение параметров турбонасосной системы подачи топлива. 36

2.7
Конструирование соосно-струйных форсунок. 41

2.8
Расчет охлаждения двигателя. 46

3. Расчёт рамы двигателя. 51

3.1
Разработка и 3D моделирование конструкции рамы.. 51

3.2
Прочностной расчёт рамы в программе АПМ Компас 3D.. 54

4. Технологическая часть. 62

4.1 Описание назначения и конструкции
детали – диска турбины ТНА проектируемого ЖРД   62

4.2
Анализ технологичности конструкции детали. 64

4.3
Выбор вида заготовки. 65

4.4
Разработка выбранного варианта технологического процесса. 65

4.5
Выбор станочных приспособлений. 66

4.6
Выбор режущего и вспомогательного инструмента. 67

4.7
Расчёт режимов резания. 68

4.8
Расчёт технически обоснованных норм времени. 69

4.9
Разработка альбома технологических карт. 71

5. Экономическая часть. 74

5.1
Заработная плата инженера-конструктора. 74

5.2
Страховые взносы.. 74

5.3
Амортизация основных средств. 75

5.4
Расходы на электроэнергию.. 76

5.5
Материалы.. 76

5.6
Накладные расходы.. 77

5.7
Суммарные расходы на проектирование. 78

6. Охрана труда. 79

6.1
Анализ вредных и опасных факторов на рабочем месте инженера-конструктора
(проектировщика) 79

6.2
Мероприятия по устранению или снижению воздействий вредных и опасных факторов. 79

6.3
Безопасность в чрезвычайных ситуациях. 82

Заключение. 84

Список использованной литературы.. 85

Приложение А. Результаты расчётов по СПК TERRA при
α(ок.ср)=0,8,  pос=10 МПа, ε=3225.81. 88

Приложение Б. Результаты расчётов по СПК TERRA при
α_(ок.ср)=0,8,p_ос=10 МПа, ¯F_а=182,605. 90

Приложение В. Результаты расчёта по СПК Terra параметров
турбонасосной системы подачи топлива. 92

Введение:

Космические аппараты имеют крайне большое значение для современного
общества. Они применяются для обеспечения навигации и связи, геологической
разведки и метеорологических наблюдений, физических и медицинских
экспериментов.

В настоящее время рассматривается возможность коммерческого применения
космических аппаратов для космического туризма. Для создаваемой частной
космонавтики (ЧК) в России, наиболее перспективными направлениями развития
космического транспорта являются создание суборбитальных аппаратов для нужд
космического туризма.

Суборбитальные системы имеют
значительно более низкие аэродинамические и термодинамические нагрузки, что
позволяет сделать их теплозащитную систему многоразовой и сравнительно лёгкой
при относительно умеренных затратах. По этой причине, в ближайшие 5-15 лет, по
мере дальнейшего развития суборбитальных аппаратов, можно ожидать постепенного
расширения их эксплуатационных пределов в сторону роста максимальных скоростей,
вплоть до М=25, когда произойдёт фактически слияние их возможностей с
орбитальными системами.

Основными потребителями услуг и сервисов, которые могут
быть реализованы с помощью суборбитальных аппаратов, в среднесрочной
перспективе 5-7 лет, будут компании-операторы, специализирующиеся на
суборбитальном и космическом туризме. В более дальней перспективе, 8-10 лет, по
мере развития технологии и постепенного расширения функциональных возможностей
суборбитальных аппаратов, можно ожидать что транспортные компании,
специализирующиеся на экспресс-перевозках, сначала создадут сервисы по
сверхбыстрой глобальной доставке грузов на базе суборбитальных систем, а затем
и сверхбыстрой доставке пассажиров, так называемая, Point to Point Global
Transport System.

Суборбитальный летательный
аппарат должен быть оснащён надежной и безопасной двигательной установкой,
которая обеспечивала бы управление движением аппарата на траектории. Для этих
целей можно использовать жидкостной криогенный двигатель.

Целью настоящего дипломного проекта является разработка
криогенного ракетного двигателя для возвращаемого суборбитального
туристического космического аппарата.

Объектом исследований в дипломном
проекте являются возвращаемый
суборбитальный туристический космический аппарат.

Предметом исследований является криогенный ракетный
двигатель.

Актуальность исследований при
проектировании криогенный
ракетный двигатель вытекает из коммерческих задач, которые решают суборбитальные туристические
космические аппараты.

В целом,
проектирование криогенного
ракетного двигателя является сложной технологической и конструкторской
задачей. Отсюда вытекает практическая
значимость проводимых исследований при проектировании криогенного ракетного
двигателя.

В зависимости
от выполняемых задач криогенные
ракетные двигатели должны работать как в непрерывном, так и в импульсном
режимах. При работе в импульсном режиме криогенный ракетный двигатель должен отвечать высоким
требованиям по динамическим характеристикам:

— как можно меньшему времени выхода на
установившийся режим при включении двигателя;

— как можно меньшему времени спада тяги при его
выключении.

Основными
характеристиками двигателя являются:

— величина и стабильность удельного импульса в
импульсном и непрерывном режимах;

— динамические характеристики двигателя;

— масса двигателя и его размеры;

— ресурс работы в различных режимах работы.

Заключение:

В результате выполнения работ ее цель
— разработка
криогенного ракетного двигателя для возвращаемого суборбитального
туристического космического аппарата достигнута.

При этом решены задачи, причисленные в
вводной части работы.

В частности, проведенные расчеты на
прочность с помощью АПМ Компас 3D свидетельствуют
о том, что для выбранной конструктивной схемы рамы ЖРД, геометрических размеров
элементов конструкции, материала — сталь 30Х3МФ ГОСТ 4543-71, а также принятых
нагрузок, такие показатели прочности, как эквивалентное напряжение по Мизесу, суммарное
линейное перемещение, коэффициент запаса по текучести и коэффициент запаса по
прочности лежат в границах допустимых значений, и, следовательно,
спроектированная рама ЖРД может быть использована в качестве силовой
конструкции при установке проектируемого ЖРД на рассматриваемую суборбитальную
ракету.

При этом себестоимость проекта составляет 2036150 рублей.

Фрагмент текста работы:

1
Характеристика возвращаемого суборбитального туристического космического
аппарата 1.1 История суборбитального
туризма и его перспективы Возобновление интереса к созданию суборбитальных
аппаратов в последние 10-15 лет объясняется с одной стороны их коммерческим
потенциалом для суборбитального туризма [1, 8], а с другой, возможностью их
использования в качестве многоразовой первой ступени в паре с недорогой
одноразовой второй ступенью для оперативного вывода в космос небольших полезных
нагрузок (ПН), массой 1-2 т. Именно такую схему DARPA совместно с Боинг
реализует в рамках создания аппарата XS-1, который должен продемонстрировать
возможность 10 запусков в космос ПН весом до 2 т, в течение 10 дней, тем самым
на практике реализуя принцип вывода ПН в космос «по требованию» [1]. Стоимость
каждого пуска XS-1 не должна превышать 5 млн/ долл. Для сравнения, сегодня стоимость
вывода на орбиту ПН той же массы американскими лёгкими РН составляет 45-50 млн
долл., при этом время ожидания запуска — многие месяцы, а иногда и годы.

Большинство создаваемых суборбитальных аппаратов имеют
конфигурацию с несущими поверхностями, создающими значительную подъёмную силу
(К=1,5-3) при входе в атмосферу, благодаря чему они обладают существенной
глубиной поперечного и продольного аэродинамического маневрирования, что
позволяет им совершать посадку «по самолётному», используя обычные аэродромы.
При этом они не нуждаются в отчуждении больших посадочных территорий и им не
нужна поисково-спасательная инфраструктура, характерная для космических капсул,
производящих посадку с ограниченной подъёмной силой (К=0,2-0,3). Возможность
придания суборбитальным аппаратам аэродинамической конфигурации с К=1,5-3,
обуславливается тем, что их максимальная скорость, не превышающая М=10,
значительно ниже скорости орбитальных аппаратов, входящих в атмосферу с М=25.
Поэтому, суборбитальные системы имеют значительно более низкие аэродинамические
и термодинамические нагрузки, что позволяет сделать их теплозащитную систему
многоразовой и сравнительно лёгкой при относительно умеренных затратах. По этой
причине, в ближайшие 5-15 лет, по мере дальнейшего развития суборбитальных
аппаратов, можно ожидать постепенного расширения их эксплуатационных пределов в
сторону роста максимальных скоростей, вплоть до М=25, когда произойдёт
фактически слияние их возможностей с орбитальными системами. Орбитальные же
системы во всё большей степени будут осуществлять переход с нынешних капсул в
сторону КА с крыльями или несущим корпусом, примером которого может служить
орбитальная ступень «Dream Chaser», разрабатываемая в настоящее время компанией
Sierra Nevada Corporation.

Из проведённого выше анализа можно сделать вывод о том,
что для создаваемой частной космонавтики (ЧК) в России, наиболее перспективными
направлениями развития космического транспорта являются создание, в частности,
суборбитальных аппаратов для нужд космического туризма.

Суборбитальные аппараты.

Основными потребителями услуг и сервисов, которые могут
быть реализованы с помощью суборбитальных аппаратов, в среднесрочной
перспективе 5-7 лет, будут компании-операторы, специализирующиеся на
суборбитальном и космическом туризме. В более дальней перспективе, 8-10 лет, по
мере развития технологии и постепенного расширения функциональных возможностей
суборбитальных аппаратов, можно ожидать что транспортные компании,
специализирующиеся на экспресс-перевозках, сначала создадут сервисы по
сверхбыстрой глобальной доставке грузов на базе суборбитальных систем, а затем
и сверхбыстрой доставке пассажиров, так называемая, Point to Point Global
Transport System.

Ключевыми заказчиками суборбитальных аппаратов могут быть
те же, кто является ключевыми потребителями услуг и сервисов, возможных
благодаря этому классу технических систем, то есть компании-операторы,
предоставляющие услуги космического туризма и в перспективе, через 8-10 лет,
компании, предлагающие сверхбыструю доставку в глобальном масштабе грузов и
пассажиров, в стиле Point-to-Point услуг. Однако, в дополнение к этому
заказчиком также станет министерство обороны, которое может иметь необходимость
запуска множества малых КА «по требованию» с помощью суборбитальных систем,
способных доставить в необходимую точку запуска одноразовую вторую ступень,
выводящую РН в космос.

Проанализировав наиболее возможные из предлагаемых
вариантов для суборбитальных путешествий, можно утверждать, что данный вид
туризма наиболее доступен и является мини версией орбитального полета на МКС.
Среди основных характеристик можно выделить следующие: максимальная высота
полета — 100 км, продолжитель­ность путешествия от 1 до 3 часов, подготовка
занимает примерно 3-5 дней, а стои­мость не превышает 250 тыс. долл. США
(таблица 1.1). При этом, в отличие от орбитального туризма, возрастающая
конкуренция среди частных компаний повлечет снижение стоимости путешествия при
условии возрастающего спроса [8].