¿Qué es Tecnología de cohetes y misiles?

Varias tecnologías involucradas en el desarrollo de cohetes y misiles. La historia de la tecnología de cohetes se remonta a hace 1.000 años, pero los cohetes y misiles modernos no aparecieron hasta la última parte de la Segunda Guerra Mundial. La tecnología de cohetes y misiles ha progresado enormemente después de casi 40 años de desarrollo después de la guerra.

El V-2 en la década de 1940 pesaba alrededor de 13 toneladas, la ojiva pesaba 1 tonelada, el alcance máximo era de 320 kilómetros y la precisión del impacto era de 5 kilómetros en desviación circular (ver proyecto V-2). En la década de 1980, el misil Pershing 2, que era similar al V-2, pesaba solo 7,2 toneladas, con una ojiva de 1,36 toneladas, un alcance de 1800 kilómetros y una precisión de impacto de 25 metros, que era 200 veces mayor que el del V-2.

Los misiles intercontinentales modernos pueden disparar múltiples ojivas nucleares a diferentes objetivos a 100.000 kilómetros de distancia, con una precisión de varios cientos de metros. Se han desarrollado varios tipos de misiles contra objetivos terrestres, marítimos, aéreos y espaciales, y se ha mejorado significativamente el rendimiento táctico y técnico.

El peso del cohete ha aumentado cientos de veces y el peso del cohete más grande ha superado las 2.900 toneladas. La capacidad de carga del cohete ha aumentado miles de veces, y la capacidad de carga de la órbita terrestre baja ha aumentado de unos pocos kilogramos o decenas de kilogramos en los primeros días a más de 120 toneladas.

La relación de carga útil del cohete (la relación entre el peso de despegue del cohete y el peso de la carga útil) disminuyó de aproximadamente 1.000 en la década de 1950 a 30-40 en la década de 1970. La tecnología de cohetes y misiles utiliza de manera integral los logros científicos y tecnológicos avanzados contemporáneos, y su desarrollo ha promovido el avance de la ciencia y la tecnología.

La tecnología de propulsión de cohetes incluye dos aspectos, propulsor químico y tecnología de motor de cohete. El propulsor sólido ha evolucionado de un fármaco de base doble en la década de 1930 a un fármaco compuesto moderno de alta energía, aumentando el impulso específico del suelo de 170 segundos a 270 segundos.

Se han logrado avances importantes en el diseño de fármacos para motores de cohetes sólidos (ver Grano), las propiedades mecánicas y la adaptabilidad al entorno de trabajo. El material de la carcasa del motor ha evolucionado de acero a una estructura de fibra enrollada, lo que reduce aún más el peso.

El peso del propulsor del motor se ha incrementado de 0,85 a 0,95. El éxito de la tecnología de inyección secundaria, boquilla oscilante y boquilla flexible resolvió el problema del control vectorial de empuje de cohetes sólidos. La aplicación de toberas sumergibles y extensibles acorta la longitud del cohete y aumenta el impulso específico del motor. El éxito de la tecnología de terminación de empuje ha mejorado la precisión de apagado de los cohetes sólidos.

Estos avances tecnológicos en cohetes sólidos, junto con su bajo costo, tiempo de respuesta rápido y alta confiabilidad, han permitido que los cohetes sólidos reemplacen gradualmente a los cohetes líquidos en el campo de misiles desde la década de 1960. El éxito de la tecnología de fundición segmentada de propulsante ha resuelto el problema de la fabricación de grandes propulsores sólidos, lo que permite que el vehículo de lanzamiento aumente su capacidad de carga al agrupar grandes propulsores de cohetes.

El cohete propulsor sólido más grande de la década de 1980 alcanzó un diámetro de 3,7 metros, una longitud de 45,5 metros, un peso de unas 566 toneladas y un empuje de 12.000 kN (1225 toneladas de fuerza).

El principal problema de los motores de cohetes líquidos es seleccionar propelentes razonablemente, resolver los problemas de combustión inestable y encendido a gran altitud, mejorar la eficiencia de combustión y enfriamiento, reducir el peso estructural y mejorar la confiabilidad.

El propulsor utilizado en los misiles líquidos se ha sometido a un proceso de desarrollo de no almacenable a almacenable, desde oxígeno líquido, alcohol y oxígeno líquido, y queroseno hasta ácido nítrico, queroseno, tetróxido de dinitrógeno y dimetilhidrazina asimétrica (o hidracina mixta).

El vehículo de lanzamiento requiere alta energía en la etapa superior, y el propulsor de la etapa superior también se convertirá en oxígeno líquido, dimetilhidrazina asimétrica y oxígeno líquido e hidrógeno líquido de mayor energía. La cámara de empuje adopta una partición de fase líquida, un diseño y una disposición razonables de los inyectores y la tecnología de cavidad acústica, que resuelve el problema de la combustión inestable de alta frecuencia del motor. El éxito de la tecnología de postcombustión a alta presión ha mejorado aún más la eficiencia de la combustión.

Estas mejoras y mejoras han aumentado el impulso específico de vacío del motor de 280 segundos en la década de 1950 a 457 segundos en la década de 1980. Para mejorar la eficiencia de enfriamiento y reducir el peso de la estructura, se han desarrollado sucesivamente la estructura del haz de tubos, la estructura general ranurada y la estructura general de electroformado.

El uso de propulsores de baja temperatura como el oxígeno líquido y el hidrógeno líquido provocará problemas de aislamiento térmico y sellado de válvulas y tuberías, así como problemas de diseño y proceso de las bombas de hidrógeno líquido. Con la reducción del peso del motor, el peso del motor requerido por cada 10 kN (aproximadamente 1 tonelada de fuerza) de empuje se ha reducido de 30 kg en la década de 1940 a 10 kg en la década de 1970.

La confiabilidad y la vida útil del motor se han mejorado significativamente. La confiabilidad de los motores modernos de cohetes líquidos ha alcanzado 0,992. Se requiere que el motor principal del transbordador espacial pueda funcionar 100 veces repetidamente, con un tiempo de trabajo acumulado de 7 horas.

Tecnología de estructura de cohete:el objetivo de la tecnología de estructura de cohete es reducir el peso. El V-2 utiliza una estructura de acero, que representa el 23% del peso total del cohete (sin incluir la ojiva).

Las principales medidas técnicas para reducir el peso de la estructura son: El uso de aleación de aluminio, aleación de titanio, aleación de berilio (para algunos componentes) y materiales no metálicos. Tecnología mejorada: adopción de formas estructurales más nuevas, como la estructura de malla con fresado químico y fresado mecánico, estructura de panal de metal y no metálica y estructura de material compuesto.

Diseño de optimización: el desarrollo de la mecánica computacional, especialmente el método de elementos finitos, ha creado condiciones para el diseño de peso mínimo y la mejora de la eficiencia estructural. La adopción de tales medidas puede reducir el peso estructural de los cohetes modernos del 6% al 10% del peso total del cohete.

Tecnología de guía y control

El objetivo de la tecnología de guía y control es mejorar la precisión, reducir el peso y el tamaño. Las principales medidas técnicas son: mejorar la precisión de medición de los instrumentos de medición inercial (giroscopio, acelerómetro), principalmente para mejorar la precisión del procesamiento, mejorar la calidad del ensamblaje, garantizar el equilibrio del rotor, controlar el entorno de vuelo del instrumento para reducir los cambios de temperatura, Errores (de baja frecuencia) causados por vibraciones y otros factores; utilice el método de guía de perturbación y el método de guía de circuito cerrado para mejorar la ecuación de guía para reducir los errores del método; mejorar el modelo matemático del campo gravitacional de la Tierra, reducir el error entre el modelo matemático y el campo gravitacional real; adoptar tecnología de separación de errores, desarrollar tecnología de guía y guía de terminal para reducir los errores de reentrada; adoptar aleación de berilio y componentes y dispositivos electrónicos pequeños y miniaturizados para reducir el peso y el tamaño del sistema.

Tecnología deojivas La tecnología de ojivas incluye principalmente tecnología de control y guía de ojivas, tecnología de protección contra el calor, tecnología de penetración, refuerzo nuclear y tecnología de miniaturización. El objetivo es la miniaturización, alta potencia específica, precisión de reentrada y capacidad de penetración (ver ojiva de misiles).

Tecnología de diseño general

El cohete grande es un sistema muy complejo. El propio cohete forma un sistema más grande con equipo terrestre. El diseño general del cohete debe considerar los diversos requisitos contradictorios presentados por los principales sistemas y subsistemas, y utilizar la teoría y los métodos de la ingeniería de sistemas para realizar un análisis integral para llegar a un plan óptimo, realista y factible tanto como sea posible.

La tecnología de diseño general incluye principalmente la viabilidad y análisis económico de varios esquemas, y la selección del esquema óptimo; coordinación de parámetros e interfaces de cada subsistema; control de calidad de la producción de hardware; participación en pruebas a gran escala y pruebas de vuelo para resolver pruebas a gran escala y los problemas técnicos que se produjeron en la prueba de vuelo.

El diseño asistido por computadora y la tecnología de fabricación desarrollada en la década de 1970 se ha convertido en un medio avanzado de diseño general. Esta tecnología se basa en tecnologías como la mecánica computacional, la tecnología de gráficos por computadora, la gestión de bases de datos informáticas y el diseño de optimización.

Utiliza la base de datos para almacenar una gran cantidad de subprogramas de aerodinámica, mecánica estructural, dibujo geométrico y diseño de optimización en la computadora, de modo que los diseñadores de sistemas pueden elegir una gran cantidad de información de ingeniería y esquemas en análisis técnico y diseño.

La computadora puede ayudar en el diseño general, el trabajo de diseño técnico y dibujar los dibujos de diseño de las piezas, controlar directamente la producción de las piezas e inspeccionar los diversos procesos a través del método de control numérico. El diseño asistido por computadora y la tecnología de fabricación pueden ahorrar la cantidad de dibujos, reducir errores y mejorar la calidad del producto, lo que puede mejorar en gran medida la eficiencia.

Tecnología de gestión de programas:un programa de cohetes a gran escala a menudo cuesta mucho dinero, requiere la participación de cientos de empresas industriales y unidades de investigación científica, y el ciclo de desarrollo lleva varios años.

Los pros y los contras de la gestión del plan a menudo se convierten en un factor importante para determinar si el plan se puede realizar. Los tres elementos de la gestión de proyectos de cohetes son la financiación, el progreso y los indicadores del plan. El gerente debe asegurarse de que los objetivos planificados se completen dentro del presupuesto y el cronograma predeterminados.

Un método más exitoso es administrar en etapas, tomar decisiones basadas en puntos clave y aceptar la aceptación basada en puntos de control. En las cinco etapas de análisis preliminar, determinación del plan, diseño de ingeniería, prueba en tierra y prueba en vuelo, el punto de decisión está entre cada etapa.

Hay cinco puntos de control durante la ejecución del plan, a saber, la revisión del diseño del plan, la revisión del proyecto clave después del diseño técnico, la primera prueba de aceptación del prototipo, la revisión de la calificación del diseño y la revisión de la preparación para la prueba de vuelo.

El desarrollo y la producción de cohetes y misiles también requiere una cierta cantidad de fuerza técnica de reserva para abordar los problemas cuando se encuentran dificultades técnicas para garantizar que el progreso se complete a tiempo.

Tecnología de confiabilidad y control de calidad Los cohetes y misiles son aviones de un solo uso, y el lote de producción es pequeño y, a menudo, se requiere para minimizar el número de pruebas de vuelo. Los cohetes y misiles también son sistemas complejos, y la falla de un solo componente o componente puede provocar fallas en el vuelo. Por lo tanto, la confiabilidad y el control de calidad del producto son particularmente importantes.

En el plan de diseño, se propone el índice de diseño de confiabilidad para cada subsistema, y el subsistema principal debe diseñarse de acuerdo con los requisitos de confiabilidad. Algunos circuitos electrónicos deben utilizar circuitos dobles y triples. El transbordador espacial utiliza cinco computadoras idénticas y adopta un método de "voto y mayoría" para garantizar la confiabilidad del vuelo.

Todos los subsistemas y componentes deben probarse en un entorno de vuelo calificado y deben realizarse evaluaciones de confiabilidad. Es necesario fortalecer la supervisión de la calidad del proceso de producción, acumular todos los registros de inspección desde la producción, prueba hasta el lanzamiento, para rastrear cuando hay una falla.

Tecnología de prueba:el desarrollo de cohetes es inseparable de las pruebas, y el éxito o el fracaso del desarrollo depende en gran medida de si las pruebas se realizan de manera suficiente y realista.

La prueba se ejecuta a través de todo el proceso de desarrollo del cohete, desde la prueba de componentes, la prueba completa de la máquina, la prueba del subsistema hasta la prueba completa del sistema. Una vez completada la prueba en tierra, se puede iniciar la prueba de vuelo.

Durante las últimas décadas, la tecnología de prueba se ha desarrollado rápidamente. La tecnología de telemetría, la tecnología de medición de seguimiento terrestre, la tecnología de pruebas en tierra, la tecnología de simulación, la tecnología de teledetección, etc., que sirven para la prueba también se han desarrollado en consecuencia (ver prueba de cohetes).