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

Миротворец-империалист Миротворец-империалист

Весь период правления Никита Сергеевич отчаянно боролся за мир

Дилетант
Как правильно выражать гнев: 4 этапа проживания негативных эмоций Как правильно выражать гнев: 4 этапа проживания негативных эмоций

Всегда ли стоит выражать свой гнев и как прожить его без вреда?

Psychologies
Отсчет последних времен Отсчет последних времен

Как человечество пытается предсказать конец света

Weekend
Что такое психогенное переедание, или binge eating Что такое психогенное переедание, или binge eating

Психогенное переедание: как его распознать и можно ли вылечить?

ТехИнсайдер
Что смотреть на выходных: «Арман», «Амадей», «Степной волк» и «Присяжный номер два» Что смотреть на выходных: «Арман», «Амадей», «Степной волк» и «Присяжный номер два»

В кинотеатрах можно посмотреть, кого Норвегия в этом году отправляет на «Оскар»

Правила жизни
«Пора признать, что стабильности больше нет»: Владелец транснациональной мебельной корпорации о том, как они ведут бизнес, не боясь кризисов «Пора признать, что стабильности больше нет»: Владелец транснациональной мебельной корпорации о том, как они ведут бизнес, не боясь кризисов

Почему иностранцы продолжают выбирать российский рынок?

СНОБ
Что такое движение «Ни-ни», и почему оно набирает обороты Что такое движение «Ни-ни», и почему оно набирает обороты

Почему каждый пятый зумер в мире не хочет работать?

Psychologies
Где живут люди-рыбы Где живут люди-рыбы

В Юго-Восточной Азии живут люди, не представляющие себя без моря и свободы

Зеркало Мира
Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона

Какую роль «Аватара» занял в истории кино и наших сердцах?

Правила жизни
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
Как подготовиться Новому году и не сойти с ума Как подготовиться Новому году и не сойти с ума

Как получить максимум удовольствия и минимум стресса в декабре

Grazia
Женское имя в науке – Софья Ковалевская Женское имя в науке – Софья Ковалевская

Как удалось хрупкой на вид Софье Ковалевской стать знаменитым ученым?

Знание – сила
Современное состояние ВТС России и Китая Современное состояние ВТС России и Китая

Сотрудничество Москвы и Пекина носит выраженный «антиамериканский» характер

Обозрение армии и флота
Стань богаче! Стань богаче!

Как составить личный финансовый план на 2025 год

Лиза
Николай, Карачун, Трескунец: правдивая история Деда Мороза Николай, Карачун, Трескунец: правдивая история Деда Мороза

Прежде чем стать дедушкой в красной шубе, Дед Мороз проделал долгий путь

Правила жизни
Повеяло Повеяло

Техника по-пионерски плюс комфорт по-буржуински

Автопилот
Владимир Мартынов: «Сейчас не время Эйнштейнов или Ньютонов» Владимир Мартынов: «Сейчас не время Эйнштейнов или Ньютонов»

Об актуализации генетической памяти и принципе пестрых овец Иакова

СНОБ
Почему мы верим в чудеса во время праздников? Эксперт дал интересное объяснение! Почему мы верим в чудеса во время праздников? Эксперт дал интересное объяснение!

Почему люди продолжают верить в чудеса, невзирая на все достижения науки?

ТехИнсайдер
Здравствуй, Дедушка Мороз! Здравствуй, Дедушка Мороз!

А нужно ли поддерживать в сыне или дочке веру в сказочного деда?

Лиза
В розовом свете В розовом свете

Хайп года! Jaguar совершил категорический ребрендинг

Автопилот
Травля на работе: как уцелеть в недружелюбном коллективе Травля на работе: как уцелеть в недружелюбном коллективе

Что такое моббинг и можно ли ему противостоять?

Psychologies
Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама

Что случилось с компанией Hybrid, которая неудачно зашла на вьетнамский рынок

Forbes
О происхождении реликтового излучения О происхождении реликтового излучения

Что собой представляет реликтовое излучение?

Зеркало Мира
Тройное открытие Тройное открытие

Что это – трикладушка? Гармошка? Складной планшет?

ТехИнсайдер
Целую, береги себя Целую, береги себя

Новый год в трогательных воспоминаниях

Новый очаг
Как соблюдать баланс между личной жизнью и работой, чтобы преуспеть и там, и там Как соблюдать баланс между личной жизнью и работой, чтобы преуспеть и там, и там

Как перестать быть заложником гонки за «успешным успехом» и найти баланс?

Inc.
Долорес Амбридж по-русски: как «синдром вахтера» превращает учителей в тиранов и почему это вредит детям Долорес Амбридж по-русски: как «синдром вахтера» превращает учителей в тиранов и почему это вредит детям

Что такое «синдром вахтера» и как он проявляется?

Psychologies
7 мифов про метаболизм: Разобьём новогодние мифы вместе! 7 мифов про метаболизм: Разобьём новогодние мифы вместе!

Сколько можно есть — новогодние мифы о метаболизме

Новый очаг
Толькo для взрослых Толькo для взрослых

5 новогодних секс-сценариев, которые добавят перчинку в праздничную ночь

Лиза
Февральская революция Февральская революция

Как русские ученые устроили шестую промышленную революцию в лаборатории

ТехИнсайдер
Открыть в приложении