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

Судан: великое прошлое и трагическое настоящее Судан: великое прошлое и трагическое настоящее

Судан, наверное, самая нетуристическая страна Африки

Зеркало Мира
Что такое «изоляция успеха» и почему богатые люди одиноки Что такое «изоляция успеха» и почему богатые люди одиноки

Почему люди, добившиеся всего, часто испытывают одиночество?

Psychologies
Институт особого назначения Институт особого назначения

Какими исследованиями занимается Институт истории естествознания и техники?

Знание – сила
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
«Братский поцелуй» «Братский поцелуй»

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

Дилетант
Каким он парнем был Каким он парнем был

«Ученик»: экранизация первых шагов Дональда Трампа в бизнесе

Дилетант
Почему слепые люди защищены от шизофрении? Вас поразят эти факты и результаты исследований! Почему слепые люди защищены от шизофрении? Вас поразят эти факты и результаты исследований!

Почему рожденные слепыми люди никогда не сталкиваются с шизофренией

ТехИнсайдер
С легким паром! 7 правил, чтобы получить максимальный эффект от бани С легким паром! 7 правил, чтобы получить максимальный эффект от бани

Врачи предупреждают – париться можно не всем и отнюдь не до седьмого пота!

Лиза
С журналами не расставайтесь С журналами не расставайтесь

«Первый номер»: автопортрет глянцевой журналистики

Weekend
Каир: город святости, богатства и нищеты Каир: город святости, богатства и нищеты

Египет бывает разный! Послушаем бывалого путешественника

Зеркало Мира
Мамины помощники Мамины помощники

Как приучить детей выполнять элементарные обязанности по дому?

Лиза
Астрономы впервые отыскали двойную звезду вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути Астрономы впервые отыскали двойную звезду вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути

Астрономы обнаружили двойную звездную систему вблизи черной дыры Стрелец А*

N+1
«Персидский выбор» Александра Грибоедова «Персидский выбор» Александра Грибоедова

Дипломатическая служба и заслуги А. С. Грибоедова

Знание – сила
Популярно о почвах Популярно о почвах

Почему нельзя судить о почве по её верхнему слою?

Наука и техника
Кукольный бум Кукольный бум

Как культура осмысляла историю одной женщины, ушедшей из семьи

Weekend
Выдворение китайских студентов из СССР Выдворение китайских студентов из СССР

После смерти Сталина между СССР и Китаем стали нарастать противоречия

Дилетант
Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо

Что мы знаем о трех родоначальниках Возрождения: Данте, Петрарке, Боккаччо?

Знание – сила
Банковская идея Банковская идея

Как банки в рекламе ищут новые смыслы и старые ценности

Деньги
Спорт после перерыва Спорт после перерыва

Руководство по предотвращению травм для тех, кто делал паузу в тренировках

Лиза
Дом, который убивал своих жителей: радиационный инцидент в Краматорске 1980-х годов Дом, который убивал своих жителей: радиационный инцидент в Краматорске 1980-х годов

Как затерянный в стене квартиры цезий уносил жизни одну за другой

ТехИнсайдер
9 признаков того, что вы едите излишне много соли 9 признаков того, что вы едите излишне много соли

Что указывает на большое количество соли в организме, и как это исправить

ТехИнсайдер
Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить

Устаревшие представления о здоровье, в которые мы до сих пор верим

ТехИнсайдер
Границы ключ Границы ключ

Как далеко можно пускать к себе мужчину на разных этапах отношений?

VOICE
Робоголубь с настоящими перьями в крыльях и хвосте научился летать по-птичьи Робоголубь с настоящими перьями в крыльях и хвосте научился летать по-птичьи

Робоголубь управляет полетом за счет изменения формы крыльев и поворотов хвоста

N+1
Давление ниже плинтуса Давление ниже плинтуса

Простые и эффективные способы привести его в норму без таблеток

Лиза
7 самых смешных и глупых штрафов ПДД, о которых вы даже не догадывались 7 самых смешных и глупых штрафов ПДД, о которых вы даже не догадывались

Самые смешные автомобильные штрафы с дорожных камер фиксации ПДД

РБК
«Нейросети — это современная алхимия» «Нейросети — это современная алхимия»

Философ Михаил Куртов о связи нейросетевого искусства с сюрреализмом

Weekend
Парк лихой культуры и отдыха Парк лихой культуры и отдыха

«Дети перемен»: опять 1995

Weekend
Как отменяют Макгрегора: удалили из видеоигры, магазины изымают напитки с его именем Как отменяют Макгрегора: удалили из видеоигры, магазины изымают напитки с его именем

Все про процесс «отмены» Макгрегора

Forbes
Диана Милютина о главной роли в «Чистых», Театре Ленсовета и работе в кино Диана Милютина о главной роли в «Чистых», Театре Ленсовета и работе в кино

Вся школа жизни, все драки со старшим братом, мне это тоже закалило характер

Коллекция. Караван историй
Открыть в приложении