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

Деликатесы со всего мира Деликатесы со всего мира

Необычные деликатесы, которые вы есть не стали бы

Зеркало Мира
Виктор Логинов: «После премьеры «Счастливы вместе» многие говорили: это же я, это про меня, у меня жена такая же» Виктор Логинов: «После премьеры «Счастливы вместе» многие говорили: это же я, это про меня, у меня жена такая же»

В 90-х годах казалось, что российский кинематограф закончился

Коллекция. Караван историй
Лавка древностей Лавка древностей

Геоглифы Наски, древо тысячелетий и гробница Грааля

Знание – сила
Эмоции на работе: подавлять или проявлять? Эмоции на работе: подавлять или проявлять?

К чему может привести постоянное подавление чувств на работе?

Psychologies
Саша плюс Таша Саша плюс Таша

Брак Первого Поэта и Первой Красавицы начали обсуждать задолго до венчания

Дилетант
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
Что случилось с миром из-за Великой депрессии в США? Узнайте интересные факты о 1930-х Что случилось с миром из-за Великой депрессии в США? Узнайте интересные факты о 1930-х

Какие изменения в мире вызвала Великая депрессия?

ТехИнсайдер
Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии» Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии»

Глава из романа Дмитрия Лукьянова «Год в Чувашии»

СНОБ
Почему у одних самолетов крыло находится в нижней части фюзеляжа, а у других в верхней: 15 неочевидных причин Почему у одних самолетов крыло находится в нижней части фюзеляжа, а у других в верхней: 15 неочевидных причин

От чего зависит расположение крыльев у самолетов?

ТехИнсайдер
Они повсюду: 7 источников радиации, которые окружают нас в быту Они повсюду: 7 источников радиации, которые окружают нас в быту

Какие из домашних вещей могут быть настоящими источниками радиации?

ТехИнсайдер
Принцесса Диана обнимает взрослых сыновей: кто «воскрешает» знаменитостей и почему многих это пугает? Принцесса Диана обнимает взрослых сыновей: кто «воскрешает» знаменитостей и почему многих это пугает?

Мин Чой опубликовал несколько постов с ожившими звездами. Почему это страшно?

Psychologies
Клятва Гиппократа, миссия на Марс и ключ от шифров Клятва Гиппократа, миссия на Марс и ключ от шифров

Как ИИ и новые технологии меняют научные подходы и практики

РБК
Ольга Бычкова: «Российская наука застряла между глобальным Югом и Севером» Ольга Бычкова: «Российская наука застряла между глобальным Югом и Севером»

С какими вызовами столкнулась российская наука и как они влияют на работу ученых

РБК
Like, подписка, миллион: топ-10 YouTube-каналов для предпринимательского вдохновения и саморазвития Like, подписка, миллион: топ-10 YouTube-каналов для предпринимательского вдохновения и саморазвития

YouTube-каналы для тех, кто хочет начать путь в предпринимательстве

Inc.
Как подводить итоги года правильно: 5 пунктов, которые поднимут вашу самооценку и мотивируют на движение Как подводить итоги года правильно: 5 пунктов, которые поднимут вашу самооценку и мотивируют на движение

Итоги года: как сделать этот процесс наполняющим, а не разочаровывающим?

Psychologies
Правила съемок: метод Румянцева Правила съемок: метод Румянцева

Говорит и показывает Станислав Румянцев

Men Today
Мусульманское серебро Древней Руси Мусульманское серебро Древней Руси

Воздвиженский клад в Новгороде — настоящее сокровище

Наука
Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога

Смартфон для ребенка: польза и вред

Psychologies
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
После ёлки После ёлки

Подарок на кремлёвской ёлке выдавали не в каком-то там мешочке, а в шкатулке

Новый очаг
«Братский поцелуй» «Братский поцелуй»

Одна из самых известный фотографий сделана в ГДР, 7 октября 1979 года

Дилетант
Останетесь без волос: почему нельзя мыть голову горячей водой Останетесь без волос: почему нельзя мыть голову горячей водой

Горячий душ может навредить коже вашей головы

ТехИнсайдер
Привычка быть счастливой Привычка быть счастливой

Как Марина Александрова транслирует свою миссию «делать людей счастливыми»

OK!
Миллиардер Джек Ковин занял денег у 30 человек, чтобы построить империю бургеров Миллиардер Джек Ковин занял денег у 30 человек, чтобы построить империю бургеров

Как Джек Ковин основал бургерную империю Hungry Jack’s

Inc.
За стенами: 10 российских художников уличной волны, которых стоит знать За стенами: 10 российских художников уличной волны, которых стоит знать

Десять знаковых российских художников с уличным бэкграундом

Правила жизни
Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика

Гид по лимоновской прозе

РБК
Тихая охота биотехнологов Тихая охота биотехнологов

Почему грибы становятся кандидатом в «эликсиры долголетия и молодости»

Монокль
4 ситуации, когда передаривать подарки даже нужно, — и как правильно это делать 4 ситуации, когда передаривать подарки даже нужно, — и как правильно это делать

По этикету, вручить ненужные презенты другому человеку еще как можно

ТехИнсайдер
Мир после мира Мир после мира

Какой мир принесло завершение англо-бурской войны на юг Африки?

Знание – сила
Зачем волки воют, а люди – поют Зачем волки воют, а люди – поют

Зачем и как млекопитающие используют акустическую коммуникацию

Знание – сила
Открыть в приложении