Многоразовые транспортные космические системы сегодняшнего дня

Зеркало МираНаука

Спасти самое дорогое

Многоразовые транспортные космические системы сегодняшнего дня

Стас Борисов

Тема повторного использования ракетно-космической техники стала актуальной, если не сказать модной, благодаря успехам носителя Falcon 9 компании SpaceX. Но если экономическая целесообразность многократного применения уже слетавшего в космос «железа» – во многом непознанная «вещь в себе», то ее техническая проблематика осязаема.

В чем дело?

Основная техническая проблема в данном случае формулируется так: «как после первого использования вернуть самый дорогой элемент системы с минимальными издержками и в виде, пригодном для повторной эксплуатации». Во-первых, следует назначить этот элемент, во-вторых, определить способ его возвращения.

На сегодня самый дорогой элемент любого ракетно-космического комплекса – наземная инфраструктура (технические и стартовые сооружения). Она строится очень долго и – как правило – обходится, прямо сказать, не дешево. Но она изначально проектируется для многократного использования. Остаются ракеты и аппараты, улетающие в космос.

Современные ракеты-носители, как правило, многоступенчатые. Наиболее дорогой их элемент – первая ступень, самая сложная и трудоемкая как в проектировании, так и в производстве.

Космические аппараты обычно выполняются с учетом отправки в один конец, если речь не идет о пилотируемых кораблях. А если возвращение на Землю обязательно, то можно задуматься и о многократном запуске в будущем.

Крыло и вертикальные кили ракетоплана DynaSoar нагреваются до температуры красного каления. NASA

Главные факторы, осложняющие повторное использование при эксплуатации как ракет, так и кораблей, – высокие тепловые и механические нагрузки, возникающие при полете. Причем обычно при возвращении они в разы выше, чем при старте.

К примеру, максимальные температуры в критических точках типовой ракеты-носителя на этапе выведения редко достигают 600–800℃, а при спуске с орбиты превышают 1600–2000℃. В первом случае для защиты конструкции достаточно выполнить часть деталей локального применения из жаростойких материалов типа титановых сплавов или нанести на них тонкий слой теплозащиты. Во втором придется изготовить элементы из жаропрочных сплавов или покрыть мощной теплозащитой всю поверхность, подвергаемую нагреву.

В зависимости от способа входа в атмосферу можно снизить тепловые потоки либо суммарное количество тепла, подводимого к летательному аппарату. Например, спуск с использованием аэродинамического качества заметно снижает равновесные температуры на поверхности и допускает применение многоразовой керамической теплоизоляции.

Демонтаж углеродуглеродных панелей передней кромки крыла шаттла Atlantis для контроля коррозии и проверки целостности конструкционных элементов крыла. Фото NASA 2009 года. Из-за высоких затрат на межполетное обслуживание страдала экономическая эффективность системы Space Shuttle

Аналогичные рассуждения применимы и к механическим напряжениям, преимущественно от аэродинамических нагрузок, которые при спуске могут быть гораздо выше, чем при выведении. И тут также оптимальный способ возвращения аппарата способен снизить нагрузки, обеспечив благоприятные условия для повторного использования.

Способы входа в атмосферу и посадки аппарата оказывают большое (а часто и решающее) влияние на такие эксплуатационные характеристики комплекса, как затраты на поисково-спасательные операции или межполетное обслуживание. Чем точнее посадка, тем ниже затраты на поиск и эвакуацию.

Чем посадка мягче, тем ниже нагрузки и деформации на самом заключительном этапе спуска – при касании поверхности. А значит, тем меньше трудоемкость и стоимость межполетного ремонта и восстановления конструкции. Между тем последний фактор прямо влияет на экономический потенциал: во многом из-за чрезмерно высоких затрат на ремонт и восстановление оказалась экономически неэффективной многоразовая транспортная космическая система Space Shuttle. По словам Илона Маска, подготовка первого повторного полета космического корабля Dragon потребовала затрат, превышающих стоимость изготовления нового аппарата. И хотя затем эти затраты снизились, они все равно сильно влияли на экономические характеристики корабля.

Несмотря на то, что даже до начала Космической эры рассматривались варианты полностью многоразовых ракетно-космических комплексов, к настоящему времени актуальным осталось спасение и повторное использование первой ступени ракеты и самого космического корабля. Оставим последний в стороне и перейдем к первой.

Как уже говорилось выше, первая ступень – самый крупный, сложный и дорогой элемент носителя (ее доля в стоимости последнего может превышать 70%). Кроме того, она отделяется при сравнительно небольших скоростях, что упрощает задачу спасения.

К настоящему времени проработаны, а иногда и экспериментально испытаны баллистический спуск и вертикальная посадка на парашютах, использование высокого аэродинамического качества (крыла) для возвращения и горизонтальной посадки на аэродром, а также вертикальная ракетодинамическая посадка. Все эти способы положительно оценивались еще на заре космонавтики, но лишь время присвоило им плюсы и минусы.

Под куполами

Парашютные системы предназначены для спасения и приземления аппаратов, снижающихся по баллистической траектории. Они привлекают скромной массой и компактностью, а также освоенностью и надежностью. Их первыми использовали в экспериментах по спасению ракет и первыми ввели на многоразовые изделия – стартовые твердотопливные ускорители SRB корабля Space Shuttle. По опыту, относительная масса парашютов составляет 4–6% спасаемой массы. Основные недостатки – сложность развертывания при тяжелых спасаемых блоках, неуправляемость (либо плохая управляемость) и невозможность посадки с нулевой скоростью.

Закончена поисково-спасательная операция, в которой участвовали транспортные вертолеты Ми-8, самолеты Ан-12 и Ан-26, поисково-эвакуационные машины-амфибии «Синяя птица», а также медики и специалисты поисково-спасательной службы. Спускаемый аппарат корабля «Союз МС-16» эвакуируется с места посадки. Министерство обороны РФ

Отсутствие управляемости ведет к тому, что из-за некомпенсируемого воздействия случайных ветров на разных высотах точность приземления невелика, из-за чего увеличиваются размеры эллипса рассеивания при посадке и растут расходы на подготовку посадочной площадки. Затраты на поисково-спасательные и эвакуационные работы зависят от характера места посадки.

Парашюты тормозят аппарат со сверхзвуковой или высокой дозвуковой скорости до равновесной скорости свободного падения – порядка 7–10 м/с. Вроде бы немного, но удар о твердую поверхность при этом не исключен, а значит, возможно повреждение конструкции. Проблема отчасти решается при посадке на воду, как это происходило с ускорителями шаттла: вода мягче грунта. Но, например, попытки спасения на парашютах жидкостных блоков ракет Falcon 1 и Falcon 9, которые предпринимал Илон Маск, успехом не увенчались – спасатели не нашли даже обломков. Сейчас парашютную систему спасения первых ступеней носителей Electron отрабатывает компания RocketLab. Также с посадкой на воду.

Картина обтекания парашюта при открытии на сверхзвуковой скорости. NASA

Еще один крупный недостаток парашютов – скорость ввода, которая обычно меньше или равна (для сложной многоступенчатой системы спасения) местной скорости звука. Несколько лет назад инновационная компания «Атмосфера», которую тогда возглавлял ветеран ракетно-космической отрасли В.Н. Чижухин, предложила оригинальный метод спасения ступеней на основе воздушно-космических парашютных систем (ВКПС). Суть сводится к использованию гиперзвуковых парашютов из термостойкой композитной ткани, которые вводятся еще на участке подъема ступени в крайне разреженной атмосфере.

Проектно-баллистические расчеты, выполненные «Атмосферой», показывают, что существует оптимальный диапазон высот и скоростей ввода в работу и функционирования ВКПС: он располагается в мезосфере на высоте 45–85 км, где плотность воздуха на два-пять порядков меньше, чем на уровне моря. Многокупольный многоступенчатый парашют, раскрывающийся «на вылете» – когда нижняя ступень окончила работу, отделилась от верхней и продолжает подниматься по баллистической траектории к апогею, остается в таком положении вплоть до высоты 80 км и выше. При этом ракетный блок тормозится примерно равными частями, как на восходящем, так и нисходящем участках траектории до высоты 50 км.

Грузоподъемность винтокрылой машины ограничивает массу спасаемого ракетного блока во время операции по вертолетному подхвату

Миновав пик траектории на высоте 85 км, ступень возвращается; атмосфера становится все более плотной, парашюты вновь интенсивно тормозят. Перегрузка на этом участке продолжительностью примерно 20 секунд не превышают 3,9 единицы, а купола парашютов нагреваются не выше 500°С. Торможение на протяжении большей части полета позволяет снизить динамические нагрузки на конструкцию ступени и резко уменьшить дальность точки ее посадки. Вскоре ступень тормозится настолько, что переходит к вертикальному спуску, а уже на высоте 40–45 км скорость падает до дозвуковой. Дальше все как для обычного купола.

Для обнуления скорости вертикальной парашютной посадки применяются дополнительные меры. Можно использовать ракетные двигатели мягкой посадки (ДМП), как на спускаемом аппарате кораблей «Союз» или «Шэньчжоу». Однако для многоразовых вариантов боковых «Блоков А» сверхтяжелого носителя «Энергия» введение ДМП вкупе с посадочными опорами (жидкостные блоки требуют при приземлении строго определенной ориентации) привело к тому, что совокупная масса парашютно-реактивной системы посадки превысила 22% посадочной массы самого «Блока А»! В результате весовое совершенство жидкостной ступени оказалось хуже, чем у твердотопливного SRB.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Гигант с крутым нравом Гигант с крутым нравом

Бегемот — животное дружелюбное на вид, но обладающее крайне скверным нравом

Зеркало Мира
Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz

Неожиданные повороты в истории соуса Mr. Yoshida's

Forbes
БИНТИ БИНТИ

Древние термитники, умный ремень безопасности и секрет меха белого медведя

Наука и жизнь
Предательство: как снова доверять людям после измены? Предательство: как снова доверять людям после измены?

Измена: как выбраться из этого травматичного опыта и извлечь из него пользу?

Psychologies
Государственный приём в Букингемском дворце Государственный приём в Букингемском дворце

Американский президент, как бы его ни звали, всегда на виду

Дилетант
Выводим домашний маникюр на новый уровень: что такое ремувер для кутикулы и почему он тебе нужен Выводим домашний маникюр на новый уровень: что такое ремувер для кутикулы и почему он тебе нужен

Дорого выглядящие ногти на 80% состоят из тщательной обработки кутикулы

VOICE
Дядя Коля выходит на контакт Дядя Коля выходит на контакт

Сева, скажи, ты же не видишь рядом с собой этого… как его… из НЛО?

СНОБ
Как Октавия Хилл в XIX веке управляла недвижимостью и помогала бедным людям Как Октавия Хилл в XIX веке управляла недвижимостью и помогала бедным людям

Как Октавия Хилл в XIX веке приводила в порядок лондонские трущобы?

Forbes
Сестры милосердия Сестры милосердия

«Малышки 18:22»: розовое как прием

Weekend
Превратности распада Превратности распада

После смерти царя Ирода Великого в Иудее вспыхнули нескончаемые беспорядки

Знание – сила
Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории

Лучшие вечеринки XX века: кто их организовывал, а кто был на них гостями?

ТехИнсайдер
Укрощение рубля Укрощение рубля

Как Россия в очередной раз справилась с американскими санкциями

Деньги
Ближайшее окружение Ближайшее окружение

Всегда ли удается разместить произведения современного искусства в квартире

СНОБ
Слова и блюда Слова и блюда

Откуда берутся названия того, что мы едим

Наука
Жить в поиске Жить в поиске

Художница Любовь Попова: новатор в живописи, сценографии, промышленном дизайне

Дилетант
К духам воды К духам воды

Шаманизм — важная составляющая жизни бурят. Каждый обряд проходит по-разному

Seasons of life
Люди острова Люди острова

Люди Ольхона: что тянет сюда людей, заставляет их остаться?

Seasons of life
О науках естественных и не очень О науках естественных и не очень

Как выбраться из болота экономической неопределенности

Деньги
Целую, береги себя Целую, береги себя

Новый год в трогательных воспоминаниях

Новый очаг
«Махнул пером – отдал сыграть...» «Махнул пером – отдал сыграть...»

Отнести ранние драматургические опыты Грибоедова к «комедийкам» будет неверно

Знание – сила
Государь всея Руси Государь всея Руси

Когда Иван III пришел к власти, он стал правителем карликового государства...

Знание – сила
Эмоциональное техно Эмоциональное техно

Как можно описать стиль эмоциональной архитектуры?

ТехИнсайдер
Софт для жизни Софт для жизни

Небольшая евродвушка в монолитной новостройке подмосковного Красногорска

Идеи Вашего Дома
Институт особого назначения Институт особого назначения

Какими исследованиями занимается Институт истории естествознания и техники?

Знание – сила
Константин Фурсов: «Вдруг оказалось, что наука в России есть» Константин Фурсов: «Вдруг оказалось, что наука в России есть»

Почему не на все вопросы ученые могут дать ответы

РБК
Зачем чипу родина Зачем чипу родина

Возврат к собственным разработкам возможен только через кризис

Монокль
Анастасия Вертинская: «Главное, что я выстояла» Анастасия Вертинская: «Главное, что я выстояла»

Когда ты встаешь на какую-то определенную дорогу, нельзя быть трусом

Коллекция. Караван историй
Февральская революция Февральская революция

Как русские ученые устроили шестую промышленную революцию в лаборатории

ТехИнсайдер
Поэт Императорской гвардии Поэт Императорской гвардии

Поэты-эмигранты возвращались в Россию стихами. Но иным и того не довелось

Дилетант
Пока не кончилось Пока не кончилось

Каково это — увидеть финал того, что длилось много серий

Weekend
Открыть в приложении