Оптимизация ракетных систем по стоимости

[RadioactiveRainbow]

Простейший пример - требуется оптимизировать по стоимости ракетный блок... пусть это будет ступень тандемной ракеты.
Фиксированный параметры - масса ПН и конечная скорость. В нулевом приближении сменяем конечную скорость на ХС.


Каким должен быть алгоритм расчета?

Можно было бы насчитать массив данных, сопоставляющих характеристики ключевой системы РБ (скажем, ДУ) и стоимость системы. Затем, на основе этих данных "построить" массив РБ (удовлетворяющих ПН и ХС), тоже посчитать стоимость, нарисовать графики и найти минимум стоимости...
Проблема в том, что с удельными характеристиками ДУ очень сильно поплывут массовые (и все вытекающие) характеристики РБ. Придется проводить несколько итераций, что, естественно, нежелательно.

Ибо тяжело, долго и скучно.

Но возможно.
Еще какие идеи есть?

[Bell]

Мысли такие, что стоимость кг РН в зависимости от многих объективных причин может колебаться на порядок. Даже примерно близкие стоимости вывода кг ПН близки во многом только по рыночным причинам, чтоб было "как у всех".

Расчитать сферокона в вакууме сложно и практически бессмысленно.

[RadioactiveRainbow]

Мысли такие, что стоимость кг РН в зависимости от многих объективных причин может колебаться на порядок. Даже примерно близкие стоимости вывода кг ПН близки во многом только по рыночным причинам, чтоб было "как у всех".

Какие, например, объективные причины?

[Bell]

Страна изготовления, тип и стоимость использованного двигателя, вид топлива, технология изготовления конструкций РН, частота запусков, т.е. серийность и т.д. и т.п.

[Дмитрий В.]

Хорошим приближением к оптимизации затрат считается минимизация сухой массы носитиля при заданной массе ПН, либо нахождение максимальной массы ПН при заданной тяге двигателей ступеней.

[RadioactiveRainbow]

Хорошим приближением к оптимизации затрат считается минимизация сухой массы носитиля при заданной массе ПН, либо нахождение максимальной массы ПН при заданной тяге двигателей ступеней.

А удельные характеристики двигателя существенно не влияют?

[Дмитрий В.]

Хорошим приближением к оптимизации затрат считается минимизация сухой массы носитиля при заданной массе ПН, либо нахождение максимальной массы ПН при заданной тяге двигателей ступеней.

А удельные характеристики двигателя существенно не влияют?

Второй критерий, как правило, применяется при проектировании под готовые двигатели, поэтому их характеристики уже по барабану :wink:  Можно, конечно сформулировать оптимизационную задачу, которая бы учитывала удельные хар-ки ЖРД (скажем, давление в КС, степень расширения и т.п.), конструкции (учет влияния на стоимость массового совершенства) и т.д. Однако размерность задачи получится чрезмерной, а результат ее решения, видимо будет представлять только академический интерес.

[RadioactiveRainbow]

Пожалуй.
Однако, результаты могли бы показать, какого уровня двигатели предпочтительнее для эксплуатации и разработки.

Ангара мне лично (конечно, может я и ошибаюсь) кажется неоправданно сложной в первую очередь по двигателям. Для меня неочевидно, что аналогичная РН с более простыми (читай - более дешевыми и с меньшим УИ) двигателями будет проигрывать по стоимости кг на НЗО.

Хотелось бы убедиться в своей правоте/неправоте с цифрами в руках.
Даже если конкретный расчет будет существенно ошибочным, готовая расчетная система может при некоторых равных (типа страны-изготовителя) облегчить выбор параметров для размышлений над новой РН.


P.S.
При экономической оценке новой РН хотя бы сопоставляют несколько вариантов ДУ? Или сказали типа делать РН под этот двигатель, и точка?

[fagot]

Ангара мне лично (конечно, может я и ошибаюсь) кажется неоправданно сложной в первую очередь по двигателям. Для меня неочевидно, что аналогичная РН с более простыми (читай - более дешевыми и с меньшим УИ) двигателями будет проигрывать по стоимости кг на НЗО.

На Ангаре хотя бы оптимизировать распределение ХС по ступеням, а потом уж браться за все остальное. :wink:

[Bell]

Короче, Радуга - чуствуете, что это задача со многими-многими неизвестными?

[RadioactiveRainbow]

Угу. Потому и начал сперва с одной степени думать.

В принципе, большое количество неизвестных не есть критическая проблема. Особенно если эти параметры меняются дискретно - просто просчитываются все комбинации...

Впрочем, если оптимизировать каждый узел и каждый элемент как часть единой системы - это никаких мощностей и времени не хватит.
Пожалуй, имеет смысл отдельно просчитать все основные системы, может быть как-то загнать результаты расчета в эмпирические зависимости и дальше уже оптимизировать систему комбинацией этих обобщенных по узлам зависимостей...

[hcube]

Дмитрий правильно сказал - в рамках одной технологии изготовления следует оптимизировать сухую массу. Т.е. с одними и теми же двигателями. Но сухая масса чем выше - тем бОльшую роль играет, т.е. если на первой ступени она непринципиальна (ухудшение ее в 1.5 раза даст падение ПН на пару процентов), то на РБ то же самое полуторакратное ухудшение даст уже 20-30% падение ПН.

Далее, двигатели, опять же - на первых ступенях можно применять низкоимпульсные движки - так, замена РД-108 на НК-33 на Ямале увеличивает ПН с 9 до 11 тонн, при росте стартовой массы с 350 до 385, т.е. практически не увеличивает вовсе.
А вот на верхней ступени применение водорода позволяет получить 50% выигрыш в ПН - с 11 до 16 тонн для того же Ямала.

Т.е. сначала надо выбрать схему ракеты. Затем - подобрать под нее двигатели (их столько напроектировали, что обязательно найдется что-то подходящее). И уже имея двигатели - оптимизировать схему конструкции - на первой ступени сделать подешевле и попрочнее, на второй-третьей подороже и полегче.

Кроме того, надо учитывать смежные сложности - вопросы трансопртировки ракеты, вопросы ее заправки компонентами топлива, совместимость со стартовым комплексом. Использование существующих полей падения ступеней. 'Семейственность'.

[Bell]

При, например, фиксированной ПН задача сводится к оценке различных комбинаций 2-х и 3-х ступенчатых схем с конечным числом доступных двигателей (> топливных пар), с ограниченным числом доступных технологий изготовления ступеней, с конкретных СК.
А для всего диапазона обозримых ПН задача вероятно не имеет практического общего решения.

[RadioactiveRainbow]

Ых, с оптимизацией по ступеням и двигателем все и так ясно.
Меня же в первую очередь интересует оптимизация каждого элемента и системы в масштабах ракетного блока по стоимости именно с точки зрения технологий/оборудования/материало и трудозатрат.

[hcube]

Так для каждого блока весА критериев разные. Хотя наверное да, можно было бы намутить некий двухуровневый оптимизатор - первый уровень определяет весА критериев отбора для каждой ступени, а второй на основе этих критериев подбирает конструкцию ступени.

[Дмитрий В.]

Ых, с оптимизацией по ступеням и двигателем все и так ясно.
Меня же в первую очередь интересует оптимизация каждого элемента и системы в масштабах ракетного блока по стоимости именно с точки зрения технологий/оборудования/материало и трудозатрат.

В технике есть хороший принцип интерференции, который можно сформулировать следующим образом: "В общем случае, система, состоящая из оптимальных элементов, неоптимальна". На практике это означает, что оптимизацию проектных параметров составных частей системы (например, ракетных блоков РН) надо проводить по единому критерию для системы в целом (например, для РН или комплекса).

[Андрей Суворов]

Оптимальная в одном система обязательно будет неоптимальна в другом.

Давайте ужесточим ваше, Дмитрий, высказывание, чтобы исследовать его применимость к нашему случаю.
Ракета, оптимизированная по стоимости разными способами для разных ступеней, будет неоптимальна по стоимости.
И сразу увидим, что оно противоречит практике.
Вспомним историю. Например, Н1-Л3.
Видимо, у соседних ступеней РН недостаточная разница в потраченной ХС, чтобы стала наглядной разница в оптимизации.

[mescalito]

оптимальной по стоимости летающей РН нет пока. Есть попытки Falcon`ы там разные. Кистлеры. Есть оптимальный по стоимости разработки и изготовления двигатель первой ступени - RS-68. амеры так про него и пишут - cost efficiency (прошу прощения за мой английский:))

А что касается оптимизации по стоимости то в принципе делается просто. Берутся зависимости сухой массы ДУ, СУ и ПГСП от основных проектных параметров. (например тяга, давление в камере, степень расширения, диаметр бака и др.) Таких зависимостей куча, но проблема в точности. Для массы ДУ максимальная точность 5%. Для ПГСП 7%. В каждом КБ такие зависимости свои.
Далее имея эти зависимости берем стоимостные зависимости (зависимость стоимости производства и разработки от сухой массы) для сухой массы, стоимости КРТ и прочие. И получаем зависимость стоимости от основных проектных параметров. И теперь можно смотреть какая тяга или какое Км выгоднее. Только Стоимость производства плохой критерий эффективности. Гораздо лучше брать удельную стоимость - отношение суммарных затрат на выполнение программы к суммарному грузопотоку.
Как уже отмечалось ранее эта задача очень очень не простая. И является междисциплинарной.  Все эти стоимости - функции многих переменных. Да и точность не велика таких оценок.
Массовые характеристики - 7 % в лучшем случае.
Зависимости стоимости по массе - 10-15% и это считается очень хорошей точностью.
В общем читайте Дитриха Колле. Он с 60 годов этим занимается для ESA и NASA.

[RadioactiveRainbow]

Зависимости стоимости по массе - 10-15% и это считается очень хорошей точностью.

С этим я готов согласиться, но только для двигателей одного уровня.
В бредовой теме я посчитал на бумажку первую ступень...
15 тонн сухой массы с 1хРД-180 против 23 тонн сухой массы с 5хРД-107.
Ну или 165 против 253 заправленной массы.

С учетом стоимости двигателей, зависимость по сухой массе для меня совершенно неочевидна (


Спасибо за наводку, поищу чего-нибудь...

[Дмитрий В.]

Оптимальная в одном система обязательно будет неоптимальна в другом.

Давайте ужесточим ваше, Дмитрий, высказывание, чтобы исследовать его применимость к нашему случаю.
Ракета, оптимизированная по стоимости разными способами для разных ступеней, будет неоптимальна по стоимости.
И сразу увидим, что оно противоречит практике.
Вспомним историю. Например, Н1-Л3.
Видимо, у соседних ступеней РН недостаточная разница в потраченной ХС, чтобы стала наглядной разница в оптимизации.

Андрей извините. не совсем понял Вас. Я имел ввиду следующее. Если, к примеру, в качестве критерия оптимизации РН принята "удельная стоимость выведения", то и все составные части носителя (блоки, агрегаты, системы) должны оптимизироваться именно по этому критерию.