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

Изгои небес Изгои небес

Об аппаратах легче воздуха – дирижаблях

Зеркало Мира
Око за око, или секреты человеческого глаза Око за око, или секреты человеческого глаза

Хорошо ли мы знаем, как работает наше зрение?

Зеркало Мира
Наука и жизнь сто лет назад Наука и жизнь сто лет назад

Сто лет назад журналы писали о кроссвордах, партактиве и лечебных консервах

Наука и жизнь
Как развивают градостроительный потенциал в регионах России Как развивают градостроительный потенциал в регионах России

Как на самом деле обстоят дела с развитием инфраструктуры в регионах

ФедералПресс
Сохранить и приумножить Сохранить и приумножить

Как музеи с гражданами спасали ее культурное наследие во время войны

Вокруг света
Вот так спорт, или назло рекордам Вот так спорт, или назло рекордам

Спортивные соревнования, которые и спортом-то не назовешь

Зеркало Мира
Уолт-Стрит Уолт-Стрит

Может ли сказка быть бизнесом, а бизнес – сказкой? Взлет корпорации Disney

Правила жизни
Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса

Что такое self-skills и зачем они нужны в работе?

Forbes
«Нет такого вопроса, на который у звезд не было бы правильного ответа» «Нет такого вопроса, на который у звезд не было бы правильного ответа»

Что нужно сделать, чтобы в 2025 году вам сопутствовала удача в делах

Добрые советы
«Мам, я уже не ребенок»: что делать, если родители вас контролируют «Мам, я уже не ребенок»: что делать, если родители вас контролируют

Что делать, если вам уже давно за 30, а вас все еще пытаются контролировать?

Psychologies
Правила волшебства Правила волшебства

Вы когда-нибудь замечали, как волшебные сказки похожи друг на друга?

СНОБ
Австралийская овчарка — умная и активная Австралийская овчарка — умная и активная

Австралийская овчарка, или аусси, — пастушья порода собак

Наука и жизнь
Англия накануне нормандского завоевания. Основные игроки Англия накануне нормандского завоевания. Основные игроки

Нормандское завоевание Англии – одно из переломных моментов английской истории

Наука и техника
Почему вы переживаете стресс хуже, чем ваша подруга: 6 причин Почему вы переживаете стресс хуже, чем ваша подруга: 6 причин

Почему вас из колеи выбивает даже сущая ерунда?

Psychologies
Гравитационные волны в атмосферах планет Гравитационные волны в атмосферах планет

Гравитационные волны и волны пространства-времени: в чем разница

Наука и жизнь
Михаил Державин: «Мечтаю никому не мешать» Михаил Державин: «Мечтаю никому не мешать»

Эх, вернуть бы еще молодость, которая так быстро пронеслась

Караван историй
Уголовница, изменщица, спецагент Уголовница, изменщица, спецагент

Версий «Мурки» существует бессчётное множество, и это делает ее такой загадочной

Дилетант
Сексизм, киднеппинг и гусеница-наркоманка — за что критикуют вселенную Диснея Сексизм, киднеппинг и гусеница-наркоманка — за что критикуют вселенную Диснея

Какие картины студии Disney вызывали недовольство публики?

СНОБ
Что бы такого ре-анимирировать Что бы такого ре-анимирировать

Герои отечественных мультфильмов, не нуждающихся в оживлении

Weekend
Бесчеловечные хищники морских глубин Бесчеловечные хищники морских глубин

Автономные необитаемые подводные аппараты ВМС США

Обозрение армии и флота
«Доверие Александра Македонского к врачу Филиппу» «Доверие Александра Македонского к врачу Филиппу»

Во время похода в Персию Александр Ма­кедонский тяжело заболел

Дилетант
Большая история маленького самолета. Часть 1 Большая история маленького самолета. Часть 1

Через призму суперджета смотрим на российский авиапром в новейшем времени

Наука и техника
Какие риски несет использование искусственного интеллекта в бизнесе Какие риски несет использование искусственного интеллекта в бизнесе

Сможет ли бизнес пользоваться ИИ, не создавая серьезных проблем?

Монокль
Полный привод Torque Vectoring и кабина истребителя: мы «полетали» на обновленном кроссовере JAECOO J7 Полный привод Torque Vectoring и кабина истребителя: мы «полетали» на обновленном кроссовере JAECOO J7

Чем примечателен «крутой охотник» JAECOO J7?

Maxim
Как пережить предновогодний марафон и сохранить здравый рассудок Как пережить предновогодний марафон и сохранить здравый рассудок

Как не утонуть в предновогоднем хаосе и встретить праздник с улыбкой

VOICE
Рассеянный склероз: какое лечение доступно в России Рассеянный склероз: какое лечение доступно в России

Почему возникает рассеянный склероз и как современная терапия помогает людям?

СНОБ
Вдова Вадима Спиридонова: «Думаю, он опередил свое время. Сейчас бы нашел применение своим задумкам» Вдова Вадима Спиридонова: «Думаю, он опередил свое время. Сейчас бы нашел применение своим задумкам»

Вдова актера Вадима Спиридонова — о том, каким он был в жизни

Коллекция. Караван историй
Искусственный интеллект освоил 3D-печать Искусственный интеллект освоил 3D-печать

Аддитивные технологии включаются в производство высокотехнологичных изделий

Монокль
Позаботьтесь о своем пушистом товарище: как правильно чистить игрушки для собак и зачем вообще это нужно Позаботьтесь о своем пушистом товарище: как правильно чистить игрушки для собак и зачем вообще это нужно

Как мыть игрушки из разных материалов — плюша, пластика, каната или резины.

ТехИнсайдер
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
Открыть в приложении