Общие принципы построения и обеспечения надежности технических систем (космических систем)

Оглавление 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
Е. А. Шангина, М. И. Толстопятов, А. А. Зуев 
 
 
ОБЩИЕ  ПРИНЦИПЫ  ПОСТРОЕНИЯ  
И  ОБЕСПЕЧЕНИЯ   
НАДЕЖНОСТИ  ТЕХНИЧЕСКИХ  СИСТЕМ  
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2022 

 

 

Общие принципы построения и обеспечения надежности технических систем (космических систем) 

2 

УДК 629.78.01-027.45(07) 
 
ББК 39.62-022-021я73 
        Ш200 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
В. Г. Бутов, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом математической физики Национального исследовательского Томского государственного университета; 
А. А. Пац, начальник группы проектирования и эксплуатации систем коррекции на базе электрореактивных двигателей, жидкостных и газовых двигателей ориентации АО «Информационные спутниковые системы 
имени академика М. Ф. Решетнёва» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Шангина, Е. А.  
Ш200         Общие принципы построения и обеспечения надежности технических систем : учеб. пособие / Е. А. Шангина, М. И. Толстопятов,            
А. А. Зуев. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2022. – 96 с. 
ISBN 978-5-7638-4671-3 
 
Изложены общие принципы построения и обеспечения надежности технических систем.  
Предназначено для студентов направлений 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», 11.05.01 «Радиоэлектронные 
системы и комплексы» и 27.04.03 «Системный анализ и управление», изучающих дисциплины «Общие принципы построения и функционирования космических систем» и «Надежность и техническая диагностика». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 629.78.01-027.45(07)  
ББК 39.62-022-021я73 
 
ISBN 978-5-7638-4671-3                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2022 

 

 

Оглавление 

3 

 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 
 
1. КОСМИЧЕСКИЕ  КОМПЛЕКСЫ   
И  КОСМИЧЕСКИЕ  АППАРАТЫ.  КЛАССИФИКАЦИЯ  
И  СТРУКТУРА.  НАДЕЖНОСТЬ  
И  ВИДЫ  ОТКАЗОВ  ДВИГАТЕЛЕЙ ......................................................... 6 
1.1. Определение надежности ....................................................................... 6 
1.2. Назначение и состав космических комплексов.  
Ракетно-космический комплекс ............................................................. 7 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 16 
 
2. РАСЧЕТ  ХАРАКТЕРИСТИК  РАКЕТЫ   
ДЛЯ  ВЫВЕДЕНИЯ  СПУТНИКА  НА  ОПОРНУЮ  ОРБИТУ ............. 17 
2.1. Классификация ракетных двигателей ................................................. 17 
2.2. Охлаждение камеры жидкостного ракетного двигателя ................... 20 
2.3. Факторы, влияющие на эффективность охлаждения   
камеры двигателя ................................................................................... 22 
2.4. Способы охлаждения камеры   
жидкостного ракетного двигателя ...................................................... 24 
2.5. Процесс конвективной теплоотдачи от газа к стенке ........................ 27 
2.6. Определение тепловых потоков   
в жидкостном ракетном двигателе ...................................................... 28 
2.7. Определение теплоотдачи от стенки к охладителю .......................... 32 
2.8. Охлаждающие тракты камер   
жидкостного ракетного двигателя ...................................................... 33 
2.9. Специальные случаи охлаждения   
жидкостного ракетного двигателя ...................................................... 35 
2.10. Теплозащита ракетных двигателей на твердом топливе ................. 36 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 40 
 
3. РАСЧЕТ  ОХЛАЖДЕНИЯ   
В  ЖИДКОСТНОМ  РАКЕТНОМ  ДВИГАТЕЛЕ ..................................... 41 
3.1. Исходные данные для расчета .............................................................. 41 
3.2. Геометрические параметры камеры двигателя .................................. 42 
3.3. Расчет оребрения тракта охлаждения .................................................. 45 

 

Общие принципы построения и обеспечения надежности технических систем (космических систем) 

4 

3.4. Определение параметров продуктов сгорания   
по длине камеры двигателя .................................................................. 49 
3.5. Определение основных параметров   
на расчетных участках камеры двигателя .......................................... 51 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 53 
 
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ТЕМПЕРАТУРНОГО  СОСТОЯНИЯ   
ОГНЕВОЙ  СТЕНКИ  КАМЕРЫ  ДВИГАТЕЛЯ ...................................... 54 
4.1. Расчет конвективных тепловых потоков ............................................ 54 
4.2. Расчет лучистых тепловых потоков .................................................... 55 
4.3. Определение температуры охладителя ............................................... 58 
4.4. Определение коэффициента теплоотдачи охладителя ...................... 60 
4.5. Расчет коэффициента эффективности  оребрения  
тракта охлаждения ................................................................................ 61 
4.6. Расчет температуры огневой стенки ................................................... 63 
4.7. Расчет гидравлических потерь в тракте охлаждения ........................ 65 
4.8. Вывод и заключение по результатам расчета .................................... 68 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 69 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 70 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК ............................................................ 71 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................. 72 
Приложение 1 ............................................................................................... 72 
Приложение 2 ............................................................................................... 89

Оглавление 

5 

 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Уровень эксплуатационной надежности современных летательных 
аппаратов свидетельствует о наличии ряда ранее нерешенных или вновь 
возникших проблем обеспечения надежности. На этапе запуска к ним относятся неисправности средств выведения. На этапах летных испытаний 
и эксплуатации проявляются неисправности различной классификации, 
не выявленные на ранних этапах создания, при этом преобладают отказы 
и прогары элементов наиболее термически нагруженных агрегатов. 
Понятие обеспечения надежности комплексное. Под обеспечением 
надежности понимается совокупность координируемых действий, являющихся частью системы управления надежностью и ориентированных на 
достижение, поддержание и подтверждение требуемого уровня надежности. В пособии рассмотрены вопросы надежного проектирования такого 
агрегата, как камера двигательной установки. 

 

Общие принципы построения и обеспечения надежности технических систем (космических систем) 

6 

 
 

 
1. КОСМИЧЕСКИЕ  КОМПЛЕКСЫ  
И  КОСМИЧЕСКИЕ  АППАРАТЫ.  
КЛАССИФИКАЦИЯ  И  СТРУКТУРА.  
НАДЕЖНОСТЬ  И  ВИДЫ  ОТКАЗОВ  
ДВИГАТЕЛЕЙ 
 
 
1.1. Определение надежности 

 
Приведем определения надежности, которые изложены в стандарте 
«ГОСТ 27.002–89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины 
и определения».  
Надежность – свойство объекта (системы) сохранять во времени 
в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих 
способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.  
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости 
от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенное сочетание этих свойств.  
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.  
Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное          
состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.  
Ремонтопригодность – это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению отказов, повреждений 
и к восстановлению работоспособности путем технического обслуживания 
и ремонта. 
Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах 
значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и/или транспортирования. 

 
 

 

1. Космические комплексы и космические аппараты. Классификация и структура. Надежность и виды… 

7 

1.2. Назначение и состав космических комплексов.  
Ракетно-космический комплекс 
 
Космический аппарат создается как составная часть космического 
комплекса.  
Под космическим комплексом понимается совокупность составных 
частей и входящих в их состав систем, агрегатов, приборов, обеспечивающих функционирование и выполнение задач в соответствии с тактикотехническим (техническим) заданием на КК. 
Космический комплекс включает: космические аппараты; средства 
подготовки, выведения КА на орбиту, управления КА; сооружения и обеспечивающие средства. 
Надежность КК определяется надежностью элементов, входящих 
в его состав: ракетно-космических комплексов (РКК), средств наземного 
комплекса управления (НКУ), наземного специализированного комплекса 
(для КС), – а состав типового РКК как одного из основных элементов КК 
зависит от средств выведения (ракеты-носителя, разгонного блока), используемых для выведения КА в заданную область космического пространства (рис. 1). 
 

 
 
Рис. 1. Структурная схема РКК: ОГ КА – орбитальная 
группировка КА; РКК – ракетно-космический комплекс; НКУ – наземный комплекс управления 
 
Космический комплекс представляет собой совокупность элементов, 
которые призваны обеспечить успешный запуск, эксплуатацию и управление КА. 
Тип используемых средств выведения зависит от класса выводимых 
КА (назначения, массы, типа орбиты). 

Общие п

8 

К

ракеты

 

 

●
●

в части
привле

●

провер
земног
ния РН

●
●
●
●
●
●

старто

●
2
●
●
●

плекса

ринципы пос

Космичес
ы-носител

1) ракетн
● орбитал
● комплек
и РН и ко
екаемого 
● комплек
рочно-пус
го измери
Н; 
● головно
● переход
● стартов
● унифиц
● техниче
● унифиц
овом комп
● техниче
2) наземн
● центр у
● запасно
● техниче
а (функци

строения и об

ский ком
ля «Союз-2

о-космич
льную гру
кс ракеты
омплекса 
на участк
кс разгон
скового о
ительного

ой обтекат
дный отсе
вый компл
цированны
еский ком
цированны
плексе КА
еский ком
ный компл
управлени
ой пункт у
еские сре
ионально)

беспечения на

мплекс, ис

2» и разго

Рис. 2. Стр

ческий ком
уппировк
ы-носителя

средств и
ке выведе
нного блок
оборудова
о комплек

тель; 
ек; 
лекс; 
ый технич
мплекс ко
ый компл
А; 
мплекс ра
лекс упра
ия полетом
управлени
едства от
); 

адежности те

спользую
онного бл

руктурная 

мплекс: 
ку из n КА
я (РН) в с
измерений
ения РН;
ка (РБ) в 
ания РБ н
кса РБ, пр

ческий ко
осмическо
лект про

кеты-нос
авления:
м; 
ия; 
тдельного

ехнических си

ющий сред
лока «Фре

схема РКК

А-ретранс
составе Р
й, сбора и

составе Р
на систем
ривлекаем

омплекс К
ой головн
верочног

ителя; 

о командн

истем (космич

дства вы
гат», вклю

К 

сляторов; 
РН, старто
и обработк

РБ, компл
ме коррек
мого на у

КА; 
ной части;
го оборуд

но-измери

ческих систем

ведения 
ючает (ри

 

ового ком
ки инфор

лекта назе
кции (СК
участке в

; 
дования К

ительного

м) 

в виде 
с. 2): 

мплекса 
мации, 

емного 
) и наыведе
КА на 

о ком

1. Космические комплексы и космические аппараты. Классификация и структура. Надежность и виды… 

9 

● средства автоматизированной системы информационно-телеметрического обмена (функционально); 
● системы и средства связи и передачи данных (функционально); 
● мобильные средства НКУ; 
● программно-методическое обеспечение средств НКУ; 
● баллистические центры. 
Ракета космического назначения является основным средством доставки грузов на орбиту, от надежности которой зависит успешность запуска и правильная работы всех ее подсистем. 
В табл. 1 представлены отказы РН, связанные с отказом двигательных установок (ДУ). Преобладают при этом отказы и прогары элементов 
наиболее термически нагруженных агрегатов. Необходимо отметить, что 
прогар камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) наиболее часто 
встречается и характерен при экспериментальной отработке изделия. 
 
Таблица 1 

Отказы двигательных установок ракета-носителей 

Год запуска Страна 
Ракета 
Что произошло 
Причина

03/05/1958 
США 
Jupiter C 
Не сработало зажигание двигателя    
4-й ступени 
Отказ 
двигателя

08/24/1958 
США 
Jupiter C 

Не выключился двигатель 1-й ступени. Первая ступень ударила верхние 
ступени, 2-я ступень полетела в неправильном направлении 

Отказ двигателя – 
не выключился 

08/26/1958 
США 
Project Pilot 
Не включился двигатель ступени, 
ракета упала в Тихий океан 

Отказ двигателя – 
не включился 

08/28/1958 
США 
Project Pilot 
Один из двигателей 1-й ступени      
не включился, вызывал структурный 
отказ 

Отказ двигателя – 
не включился 

09/26/1958 
США 
Vanguard 
Недостаточная тяга 2-й ступени – 
причина неизвестна 
Отказ 
двигателя

11/08/1958 
США 
Thor Able I 
Безуспешное включение двигателя    
3-й ступени 

Отказ двигателя – 
не включился 

12/04/1958 
СССР 
Vostok-L 8K72
Выключение маршевых двигателей на 
245-й секунде. Причина – недостаток 
смазки в насосе пероксида водорода 

Отказ двигателя – 
преждевременное 
выключение 

 

Общие принципы построения и обеспечения надежности технических систем (космических систем) 

10 

Продолжение табл. 1 
 
Год запуска Страна 
Ракета 
Что произошло 
Причина

06/22/1959 
США 
Vanguard 
Неисправность двигательной установки 2-й ступени 
Отказ 
двигателя

06/25/1959 
США 
Thor Agena A 
Вторая ступень набрала недостаточную скорость 
Отказ 
двигателя

08/15/1959 
США 
Juno II 
Первая ступень выключилась слишком рано 

Отказ двигателя – 
преждевременное 
выключение 

04/15/1960 
СССР 
Vostok-L 8K72
Неисправность двигателя 3-й ступени. 
Или не вышел на полный режим тяги, 
или выключился слишком рано 

Отказ 
двигателя

04/16/1960 
СССР 
Vostok-L 8K72
Боковой ускоритель вышел только на 
75 % тяги. Отвалился от основного 
пакета. Невыведение аппарата 

Отказ 
двигателя

07/28/1960 
СССР 
Vostok 8K72 

Двигатель бокового ускорителя прожег камеру сгорания. Боковушка отделилась от пакета на 17-й секунде 
полета. Ракета взорвалась на 28,5 секунде 

Отказ дви-
гателя – 
прогар 

12/22/1960 
СССР 
Vostok 8K72K
Отказал двигатель 3-й ступени, сразу 
после включения на 425-й секунде 
полета 

Отказ 
двигателя

02/25/1961 
США 
Juno II 
Не включился двигатель 3-й ступени 

Отказ двигателя – 
не включился 

05/24/1961 
США 
Juno II 
Не включился двигатель 2-й ступени 

Отказ двигателя – 
не включился 

06/30/1961 
США 
Scout X-1 
Не включился двигатель 3-й ступени, 
ракета была уничтожена 

Отказ двигателя – 
не включился 

12/11/1961 
СССР 
Vostok 8K72K

Преждевременное выключение двигателя блока Е. Сработала система самоликвидации. Отколки приземлились в 100 км севернее Вилюйска 

Отказ двигателя – 
преждевременное 
выключение