El diseño de grandes cohetes hereda las teorías y métodos del diseño de aeronaves y se ha convertido en una nueva tecnología de ingeniería basada en la ciencia y la tecnología y la industria modernas y avanzadas. Es una parte importante de la ingeniería aeroespacial (ver diseño de aeronaves).

Características de diseño:debido a sus propias características, el diseño del cohete no es completamente el mismo que el de otros diseños de aviones. Las características del diseño del cohete son: El cohete debe diseñarse para su sistema de control automático no tripulado, y todo el cohete está diseñado como un cuerpo elástico (ver prueba del cohete). El cohete funciona con un gran empuje y vuela en la atmósfera a velocidades extremadamente altas.

Su entorno de trabajo es peor que el de otras aeronaves (ver Entorno de trabajo del cohete). La capacidad de varios equipos y estructuras del cohete para resistir este entorno debe mejorarse en consecuencia. El diseño ambiental es una tarea muy difícil para el diseño de cohetes.

El cohete en sí no necesita vida humana ni sistema de soporte vital. El diseño de la mayoría de los cuerpos de cohetes solo considera las cargas de transporte, lanzamiento y vuelo, y no considera el regreso y el aterrizaje. La estructura puede diseñarse para ser más liviana para aumentar la carga efectiva. El diseño depende en gran medida de la preinvestigación científica y tecnológica avanzada.

La ojiva del misil vuela en la atmósfera a una velocidad mucho mayor que la de otros vehículos que regresan. La erosión del flujo de aire a alta velocidad y la alta temperatura de decenas de miles de grados hacen que el diseño de protección contra el calor de la ojiva se base en la investigación previa de avanzados materiales y tecnología.

Sin una investigación previa sobre componentes sensibles de alta precisión, instrumentos de medición y métodos de guía precisos, es imposible diseñar un misil intercontinental con una desviación de cálculo circular de casi 100 metros; diseñar un transbordador espacial, un motor cohete de alto rendimiento que se puede usar varias veces debe construirse con anticipación Resolver tecnologías complejas de aerodinámica, carga, control de actitud, retorno y recuperación.

El diseño del cohete está muy restringido por la tarea de transporte. La trayectoria, estructura, forma y control del cohete están especialmente diseñados de acuerdo con los requisitos especiales de la misión de entrega, especialmente para misiles. Por lo general, los requisitos de la misión de lanzamiento son la base del diseño del cohete.

Diseño generalEn el desarrollo del cohete, el diseño general integra el diseño de cada parte en un todo para garantizar el mejor rendimiento general, bajo costo y ciclo corto. El diseño del cohete generalmente se divide en cuatro etapas: demostración del índice, diseño del esquema, diseño preliminar y diseño técnico.

La demostración de los indicadores serealiza antes del diseño del plan, combinando las necesidades y posibilidades y formulando indicadores realistas. Los indicadores técnicos del vehículo de lanzamiento generalmente incluyen: la capacidad de carga de una órbita típica, la precisión de la órbita, la adaptabilidad y confiabilidad de cargas útiles de diferentes pesos.

Los misiles no solo tienen indicadores técnicos, sino también indicadores tácticos (denominados colectivamente indicadores técnicos tácticos). Incluye alcance, peso y potencia de la ojiva, precisión de impacto, capacidad de penetración, confiabilidad, método de lanzamiento y tiempo de preparación del lanzamiento, condiciones de transporte y condiciones ambientales de uso.

Diseño delesquema El diseño del esquema incluye la selección de parámetros generales, la determinación del esquema general y la propuesta de tareas iniciales de desarrollo de muestras para el subsistema.

Antes de seleccionar los parámetros generales, es necesario determinar el propulsor y el tipo de motor, el número de etapas, el modo de conexión, el tipo de mecanismo de control, el modo de separación, el tipo de estructura de cada segmento del cuerpo del cohete, la forma del cohete y la disposición de las piezas.

Selección del propulsor: el propulsor representa el 80-95% del peso de despegue del cohete, lo que afecta directamente la capacidad de carga del cohete, el tipo de motor, las características balísticas y el rendimiento. El propulsor líquido tiene un alto rendimiento y un cómodo control de empuje.

El propulsor sólido puede hacer que el cohete sea pequeño en tamaño, simple en el sistema, corto en el tiempo de preparación para el lanzamiento y rápido en la aceleración del despegue. La elección del propulsor es para obtener el mayor poder calorífico y densidad posibles.

Se requiere que el propulsor líquido tenga baja corrosividad y toxicidad y que el propulsor sólido tenga una alta resistencia mecánica. El propulsor utilizado en los misiles requiere propiedades físicas y químicas estables dentro del rango de temperatura de funcionamiento y almacenamiento a largo plazo.

Selección de la etapa: el uso de cohetes de etapas múltiples puede desechar estructuras de cohetes inútiles durante el vuelo, reduciendo así la pérdida de energía y mejorando la capacidad de carga. El empuje del motor, el tiempo de trabajo y la altura de separación de cada etapa se pueden ajustar de manera flexible. Demasiadas etapas complicarán la estructura y el control del cohete, reduciendo su confiabilidad y rendimiento.

El número óptimo de etapas del cohete debería ser normalmente menor que el número de etapas seleccionadas de acuerdo con el peso mínimo de despegue. Generalmente, se selecciona la segunda, tercera o cuarta etapa. Hay tres tipos de conexiones para cohetes multietapa: serie, paralelo o híbrido.

La disposición general del cohete: también conocida como disposición de la posición (ver imagen). Organice razonablemente las posiciones de las diversas secciones y componentes del cohete para que el cohete tenga una estructura compacta, transmisión de fuerza razonable, buena forma aerodinámica y estabilidad de vuelo, lo que favorece la instalación de componentes sensibles, realización de control, reducción de desviación y separación entre etapas y uso de conveniencia.

Selección de parámetros de diseño: de acuerdo con los parámetros (o rango) del punto de órbita, la carga útil y el propulsor dados, seleccione un conjunto de parámetros de diseño generales óptimos y utilice este conjunto de parámetros para determinar el peso, el empuje y las dimensiones geométricas del cohete.

Los parámetros generales de diseño incluyen principalmente: relación de empuje de vacío del motor (la velocidad ideal del cohete es proporcional a ella), relación de masa del cohete (que refleja el nivel de reducción de peso de la estructura del cohete y el grado de llenado de propulsor), empuje a peso relación (la relación entre el empuje inicial y el peso de despegue), indica la aceleración del cohete), la relación de impulso específico (es decir, la relación entre el impulso específico de vacío y el impulso específico del suelo, que está relacionada con la relación de área de la boquilla del motor y se selecciona de acuerdo con el cambio de altitud de vuelo), la carga de despegue en la sección transversal de la unidad más grande del cohete (refleja el espesor del cohete), la relación de masa de despegue entre las etapas de los cohetes de múltiples etapas (afecta el tamaño y la capacidad de carga del cohete).

Para seleccionar los parámetros generales de diseño, se requieren análisis gravimétrico y análisis de trayectoria (balístico).

El análisis de peso consiste en utilizar datos estadísticos y métodos de cálculo analítico para encontrar la relación interna entre el peso de cada parte del cohete y los parámetros de diseño, estableciendo así la relación entre el peso de despegue del cohete y los parámetros de diseño. El análisis orbital (balístico) consiste en estudiar la relación entre la velocidad terminal (o rango) de la fase activa del cohete y los principales parámetros de diseño.

Como estimación preliminar, la velocidad de punto final de la sección activa se calcula usando la fórmula de Tsiolkovsky, y la pérdida de velocidad causada por varios factores se usa para corregirla y se toma en cuenta la influencia de la rotación de la tierra. Las diferentes tareas de transporte tienen diferentes requisitos para la velocidad final y la forma de la órbita.

En general, hay tres formas de poner una nave espacial en órbita (ver Lanzamiento balístico y órbita). Cuando se lanzan satélites de órbita baja, normalmente el punto final se selecciona en el perigeo de la órbita y la velocidad es horizontal. El diseño de misiles balísticos a menudo determina el tamaño y la dirección de la velocidad de alto el fuego de acuerdo con el alcance y las condiciones de reentrada de la ojiva requeridas.

En el cálculo preciso, las ecuaciones de movimiento del cohete y las ecuaciones de control se establecen mediante análisis, y la combinación de diferentes parámetros de diseño se calcula por computadora. Generalmente, se selecciona un conjunto de parámetros de diseño que minimizan el peso de despegue del cohete.

Asignación de parámetros: De acuerdo con los indicadores técnicos del cohete seleccionados, el plan general y los parámetros de diseño, los parámetros del diseño del subsistema se proponen a través del diseño y análisis. Este trabajo incluye: cálculo de los parámetros iniciales, determinación del tamaño, volumen, peso, centro de gravedad, momento de inercia y diversas desviaciones del cohete, características aerodinámicas del cohete, calentamiento aerodinámico, procedimientos de trayectoria de vuelo, órbitas y desviaciones estándar, y Características dinámicas del cuerpo del cohete Realice cálculos y análisis exhaustivos sobre las características de salpicaduras de líquidos, cargas, presurización del sistema de transporte, estabilidad de vuelo, precisión y confiabilidad de la guía, etc.

Diseño preliminar El diseñopreliminar es otra ronda de diseño general basado en la prueba preliminar del producto, que proporciona una base para el diseño técnico del subsistema. El diseño preliminar es similar al diseño del esquema, excepto que las fórmulas de cálculo y los métodos de cálculo son más detallados y precisos, y el libro de tareas de diseño técnico del subsistema se redacta sobre la base de la experimentación y la coordinación repetida.

Diseño técnicosobre la base del diseño preliminar, para la elaboración de planos de ingeniería y documentos técnicos utilizados para orientar la producción, prueba y aceptación del producto. El diseño general coordina el diseño de cada subsistema para cumplir con los requisitos generales. Al mismo tiempo, se compilan los documentos técnicos para la prueba en tierra a gran escala y la prueba de vuelo de todo el cohete.

El diseño del subsistema se basa en los requisitos y parámetros de diseño del diseño general, y se lleva a cabo de manera similar al diseño general, y la relación entre este y el sistema subyacente y el (componente) independiente se maneja en consecuencia.

En cada etapa de desarrollo, la información de diseño, producción y pruebas se retroalimenta continuamente en el diseño general. Después de repetidas coordinaciones, pruebas y modificaciones de diseño en varias etapas de diseño, finalmente se completa el diseño del cohete.