На заре многоразовости, или Кто был раньше Илона Маска

15
9
На заре многоразовости, или Кто был раньше Илона Маска

На заре многоразовости, или Кто был раньше Илона Маска

Данный материал выкладывается на сайт из блога коллеги youroker-а на сайте warhead.su.

Содержание:

«Космический паром» фон Брауна. Так знаменитый конструктор видел ракеты будущего. Трёхступенчатая, полностью многоразовая ракета, каждая ступень имеет крыло и может садиться «по-самолётному» «Космический паром» фон Брауна. Так знаменитый конструктор видел ракеты будущего. Трёхступенчатая, полностью многоразовая ракета, каждая ступень имеет крыло и может садиться «по-самолётному»[/caption]
Авторы ранней научной фантастики делали ставку на вертикальную посадку, более универсальную. Хотя крылья они тоже сохраняли, для маневрирования в атмосфере. Такой образ ракеты надолго стал символом научной фантастики 50-х и начала 60-х

Авторы ранней научной фантастики делали ставку на вертикальную посадку, более универсальную. Хотя крылья они тоже сохраняли, для маневрирования в атмосфере. Такой образ ракеты надолго стал символом научной фантастики 50-х и начала 60-х

Но со стартом космической гонки между СССР и США всё больше денег стало уходить напрямую на освоение космоса. Теперь ракетчикам уже можно было не адаптировать МБР под полёты в космос, а делать специализированные ракеты — значит, пришло время подумать и о многоразовости.

Существовало несколько подходов к этому вопросу. Самый простой и быстрый — просто чуть-чуть доработать уже существующие проекты и каким-то образом научиться спасать их ступени. На первый взгляд тут ничего сложного: поставил на ступень побольше парашютов и раскрыл их после её отделения.

Проект спасения ступени S-IC при помощи системы парашютов

Проект спасения ступени S-IC при помощи системы парашютов

Однако есть несколько «но»: ступень (даже с израсходованным запасом топлива) — штука тяжёлая и при этом достаточно хрупкая. Умудриться её мягко посадить, используя только парашюты, — дело нетривиальное. Потому искали и альтернативные решения. Например, можно спасать только двигатель — самую дорогую часть ступени. Он прочный и особых проблем при его посадке быть не должно. Правда, всё равно жалко оставшиеся части ракеты.

Чуть более необычный вариант — установить не просто парашют, а гигантский винт. Используя авторотацию, можно посадить ступень более плавно.

Проект спасения первой ступени тяжёлого ракетоносителя при помощи роторного парашюта

Проект спасения первой ступени тяжёлого ракетоносителя при помощи роторного парашюта

Был предложен и необычный проект — подхватить спускающуюся на парашютах ступень при помощи специального огромного вертолёта

Был предложен и необычный проект — подхватить спускающуюся на парашютах ступень при помощи специального огромного вертолёта


Михаил Котов

К слову сказать, система подхвата парашюта пролетающим самолётом для спасения фотоплёнок с разведывательных спутников Keyhole была достаточно хорошо продумана и реализована. Но говорить об её эффективности сложно: слишком часто случались неудачи — с трудом полученные документы отправлялись «на корм рыбам».


После подхвата вертолёт мог спокойно и аккуратно доставить ступень на землю

После подхвата вертолёт мог спокойно и аккуратно доставить ступень на землю

Другое предложение — использовать дельтаплан для управляемой посадки. Но тогда надо ступени делать с шасси, что сильно усложняет конструкцию. В итоге схему с парашютами довели до ума только для достаточно прочных твердотопливных боковых ускорителей Space Shuttle.

Возврат ступени S-IC при помощи огромного дельтаплана

Возврат ступени S-IC при помощи огромного дельтаплана

Крыло для ракеты

Но всё же все вышеперечисленные варианты были слишком рискованными из-за неконтролируемой или почти неконтролируемой посадки, а сэкономить на возврате ракеты очень хотелось.

У инженеров осталось два вариант обеспечить возврат ступени. Первый — оснастить её крыльями: после отделения полезной нагрузки ступень чуть снижалась и переходила в горизонтальный полёт. С установкой нескольких турбореактивных двигателей такой «самолёт» мог спокойно добраться до подходящего для него аэродрома.

Второй вариант — садиться на своих собственных ракетных движках вертикально, как это делали ракеты в научной фантастике 50‑х.

Выбор казался очевидным — обычный полёт отлично исследовали за долгие годы существования авиации, и никаких проблем с ним не предвиделось. Кроме того, этот метод можно было применить к уже существующим ракетам — просто оснастив их крыльями и турбореактивными двигателями.

Проект оснащения ступени S-IC собственным крылом для возврата на землю

Проект оснащения ступени S-IC собственным крылом для возврата на землю

А вот посадка «по-ракетному» было делом абсолютно новым. НАСА в этот же момент мучилась с лунным модулем — маленьким, простым и предназначенном для использования на Луне без атмосферы и с небольшой гравитацией. Повторить это с огромной ступени на Земле, на ракетных двигателях казалось слишком сложной задачей.


Михаил Котов

К слову, использование крыльев для возврата на Землю — это критикуемый, но постоянно возникающий вновь проект и в российской космонавтике. Основная причина, по которой ещё советские конструкторы думали об использовании крыла, а не посадки на собственный хвост, — расположение космодрома «Байконур». Если примерять запуски SpaceX, то в некоторых случаях ступень садилась бы где-нибудь в степи или в горах на Алтае, и что с ней потом делать там — решительно непонятно. Поэтому чаще всего конструкторы хотели заставить ступень «лететь домой»


Проект пилотируемой многоразовой ступени на основе конструкции S-IC. Разрабатывался на раннем этапе программы Space Shuttle

Проект пилотируемой многоразовой ступени на основе конструкции S-IC. Разрабатывался на раннем этапе программы Space Shuttle

Вскоре оказалось, что выбор был не совсем верный. Крылья, их защита от нагрева, дополнительные двигатели, органы управления — всё это сжирало полезную массу на ракете, да ещё и на взлёте создавало дополнительное сопротивление. В итоге вся выгода от многоразовости пропадала. Проблему можно было решить, но для этого первую ступень изначально нужно было строить как ракетоплан, а не превращать в переделку уже существующей ракеты.

Именно эту концепцию положили в основу будущего Space Shuttle.


Михаил Котов

Если отвлечься от точного соответствия, то система Big Falcon Rocket (в связке из возвращаемой ступени Super Heavy и второй ступени, совмещённой с космическим кораблём Starship) имеет в своей основе схожую идею. Первая ступень применяется для первоначального разгона, а затем используется вторично. В случае со Space Shuttle твердотопливные ускорители спасались при помощи парашютов, и часть из них даже использовалась повторно. Сам же космический корабль/вторая ступень довыводит себя на орбиту, после чего возвращается из космоса и садится целиком. Вот только способы посадки тут тоже разные.


вернуться к меню ↑

От фантастики к реальности

SASSTO (Saturn Application Single Stage to Orbit), проект многоразовой одноступенчатой ракеты на основе узлов ракеты Saturn V. Взлёт и посадка вертикальные

SASSTO (Saturn Application Single Stage to Orbit), проект многоразовой одноступенчатой ракеты на основе узлов ракеты Saturn V. Взлёт и посадка вертикальные

Но не все были согласны с тем, что будущее — за крылатыми машинами. Да, садиться вертикально сложно, но если научиться это делать, то полезная нагрузка значительно возрастёт.

В это же время набирала популярность идея многоразовых одноступенчатых ракет (Single stage to orbit, сокращённо SSTO). С эффективностью у них было чуть хуже, чем у многоступенчатых собратьев, но сделать их по-настоящему многоразовыми было куда проще.

Кроме того, чем больше была такая ракета, тем более эффективной она становилась. Некоторые проекты имели вес в десяток тысяч тонн, и использование крыла для них было просто невозможно. Оставалась лишь посадка «по-ракетному». Благо развивающиеся технологии делали её разработку уже не такой сложной задачей.

Пуск многоразовой одноступенчатой ракеты LEO со стартовой массой в 10305 тонн. Садиться эта ракета должна была вертикально — в специально подготовленное искусственное озеро диаметром в пять километров

Пуск многоразовой одноступенчатой ракеты LEO со стартовой массой в 10305 тонн. Садиться эта ракета должна была вертикально — в специально подготовленное искусственное озеро диаметром в пять километров

Работы над SSTO шли все 70-е и 80-е годы, но лишь в 90-х, на фоне потери интереса к Space Shuttle, у технологии появился реальный шанс.

В 1994 году NASA объявило о старте программы RLV (Reusable Launch Vehicle). Главную ставку сделали на многоразовый одноступенчатый космоплан Venture Star от Lockheed Martin с вертикальным взлётом и горизонтальной посадкой. Но в качестве запасного варианта финансирование получил и проект McDonnell Douglas Delta Clipper с вертикальной посадкой на ракетных двигателях.


Михаил Котов

Можно сказать, что Venture Star в какой-то мере опередил своё время. Для его вывода на орбиту предполагалось использовать клиновоздушные двигатели. Это такой тип жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с клиновидным соплом, который поддерживает аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот. Во многом именно сложности с их созданием и застопорили всю разработку.


Различные проекты SSTO, представленные в рамках программы RLV. Слева направо: Rockwell, McDonnell Douglas, Lockheed Martin

Различные проекты SSTO, представленные в рамках программы RLV. Слева направо: Rockwell, McDonnell Douglas, Lockheed Martin

Сравнение размеров Х-33, Venture Star и Space Shuttle

Сравнение размеров Х-33, Venture Star и Space Shuttle

Обе фирмы должны были построить уменьшенные версии своих космолётов для испытаний. Работы над Х-33 от LockheedMartin серьёзно затянулись, а вот DC-X/А от McDonnell Douglas построили быстро, и уже в 1995 году он вышел на испытания, а в 1996-м впервые совершил вертикальную посадку. Но в NASA считали такую схему тупиковой и верили, что будущее за крылатым SSTO.

Финансирование Delta Clipper прекратили, объяснив это повреждением прототипа при посадке и невозможностью безопасной вертикальной посадки в земных условиях. Надо ли говорить, что проект Venture Star тоже закончился ничем, и в 2001 году программу RLV закрыли.

Многоразовая одноступенчатая ракета с вертикальным взлётом и посадкой McDonnell Douglas Delta Clipper

Многоразовая одноступенчатая ракета с вертикальным взлётом и посадкой McDonnell Douglas Delta Clipper

Видео испытаний прототипа DC-X/А.

Но успех испытаний Delta Clipper доказал, что посадка «по-ракетному» — не такая уж и недостижимая задача. В следующее десятилетие многие фирмы и космические агентства сделали ставку на такую схему. А в наше время сразу двум «частникам» (что примечательно) удалось решить эту задачу на своих ракетах.

Если у Blue Origin пока летает только суборбитальная многоразовая ракета New Shepard, а полноценная New Glenn только разрабатывается, то у SpaceX посадка «по-ракетному» доведена до ума для орбитальной Falcon 9 и тяжёлой Falcon Heavy. Обе фирмы отказались от сложной задачи создать SSTO и пока способны возвращать только первые ступени, но в будущем планируется сделать многоразовой и вторую ступень на проектах BFR и New Armstrong.

Возможный внешний вид двухступенчатой, полностью многоразовой ракеты SpaceX BFR

Возможный внешний вид двухступенчатой, полностью многоразовой ракеты SpaceX BFR

Вот так посадка «по-ракетному» прошла путь от фантастической идеи к серийному использованию. Что будет дальше и кто всё же победит в противостоянии крыла и вертикальной посадки, покажет лишь время.

источник: https://warhead.su/2020/01/23/na-zare-mnogorazovosti-ili-kto-byl-ranshe-ilona-maska

3
Комментировать

Пожалуйста, авторизуйтесь чтобы добавить комментарий.
3 Цепочка комментария
0 Ответы по цепочке
0 Последователи
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
3 Авторы комментариев
Andriuha077Ansar02Wasa Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
новее старее большинство голосов
Уведомление о
Wasa

А не плохо.

Ansar02

Красиво. Хотя, ракеты с крыльями — ещё красивее.
ИМХО — пора бы учёным совершить какойнить прорыв — пока мы юзаем РД, космонавтика всё равно будет малоэффективной.

Andriuha077

Бармин встал, подошел к доске и крест на крест перечеркнул все строки с данными ракет-носителей семейства РЛА. Сверху он написал:
«Модернизация H1 + многоразовая»

Спойлер

Устинов приезжает в НПО «Энергия» для решения судьбы Н1
13 августа 1974 года могло стать датой окончательной гибели H1. 12 августа 1974 года основных руководителей НПО «Энергия» обзвонил лично Валентин Глушко и в корректной форме попросил полностью освободить следующий день, 13 августа: «К нам приедет для серьезного разговора Дмитрий Федорович».
…Бармин, Пилюгин, Рязанский, Виктор Кузнецов. Приехали Афанасьев, его заместители Тюлин и Литвинов. ВПК представлял заместитель Смирнова Комиссаров. На стенах были развешены плакаты — картинки вновь предлагаемых новых ракет-носителей РЛА-120, РЛА-135 и РЛА-150. Над проектами этих ракет-носителей небольшая группа проектантов трудилась под личным неусыпным контролем Глушко последние два месяца.
— Ну, как, «старая гвардия?» — Держимся. — Надо не держаться, а идти вперед.
После перерыва совещание продолжилось с очень агрессивного выступления Бармина.
— Предложения Валентина Петровича, которые мы сегодня слушали, — это уже третий вариант за последние два месяца. Валентин Петрович все дальше уходит от реальностей нашего века и тянет нас в двадцать первый. Нет анализа наших прежних ошибок. Более того, ошибки повторяются. Надо начинать строить программы не с носителей, а с тех космических объектов и задач, которые нам нужны. Будем откровенны. Королев при всей его гениальности начал лунную программу не с лунных кораблей, а с носителя. Еще при жизни он разобрался, что энергетики для экспедиции на Луну не хватает. Начались доработки H1. Добавили на первую ступень шесть двигателей. Затем убедились, что и этого мало. Поняли, что надо менять проект экспедиции. Ошибку мы хотели исправить двухпусковой схемой Л3М. И совсем недавно все с этим согласились. Вместо этого нам сегодня предлагается семейство совсем новых носителей. Носитель на 250 тонн полезного груза никому не нужен. Американцы делают «Спейс шаттл» потому, что нужен только один носитель тяжелого класса, к тому же многоцелевой.
С нами сегодня работают 140 организаций над проектом лунной базы. Мы можем ее создать, если не будем распылять силы на проекты нереальных носителей. 12,5 миллиардов рублей, которые называет Глушко, это вдвое меньше того, что реально требуется для такой программы. Многоблочные схемы носителей невыгодны. Выбор, который нам предлагает Валентин Петрович, ошибочен. Королев после долгих исследований выбрал для H1 самую оптимальную схему. Он сознательно отказался от многоблочной ракеты. Для таких размеров это невыгодно. Нужно подвергнуть H1 серьезной модернизации, вместо того чтобы изобретать велосипед. Мы уже затратили 4 миллиарда рублей на H1. Мы обязаны их использовать. 🚀 Ставка на двигатели тягой 1000-1200 тонн заманчива, но совершенно не реальна по срокам. Поверьте, не только я, а все мы имеем большой опыт. Для вторых и третьих ступеней предлагается циклин. 🚀 Килограмм циклина стоит 50 рублей, а килограмм водорода — менее 30 рублей. Водород — это будущее нашей ракетной энергетики. Лунная программа Валентина Петровича упорно 🚀 игнорирует водород и мои предложения по строительству лунной базы. 🚀 Базу на Луне надо строить. 🚀 Для этого строительства необходима многоразовая космическая транспортная система на базе модернизированной H1.
НПО «Энергия» предлагаемую Глушко программу до конца века не одолеет. Надо создать систему, способную выводить к Луне 40 тонн действительно полезного груза и возвращать на Землю не менее 20 тонн. Бармин встал, подошел к доске и крест на крест перечеркнул все строки с данными ракет- носителей семейства РЛА. Сверху он написал: «Модернизация H1 + многоразовая».
Сербин задал вопрос Бармину:
— А ваша модернизация H1 еще сколько лет потребует?
— Я не хочу отвечать за разработчиков, которые здесь сидят и молчат. 🚀 Вероятно, Валентин Петрович запретил им защищать H1, но модернизированный носитель может через год полететь и для него надо срочно готовить полезную нагрузку. А то, что предлагает Валентин Петрович, отбросит нас по лунной программе еще на шесть-семь лет. Должен предупредить еще об одной опасности. Видные психотерапевты нам доказывают, что человеческая психика, оказавшись вне магнитного поля Земли, может иметь сдвиги. На Луне нет магнитного поля, поэтому пребывание там в течение многих месяцев чревато для человека психическими расстройствами.
Расценив слова Бармина по поводу нашего молчания как намек на нежелание выступать против своего нового шефа, Устинов, улыбаясь, обратился в нашу сторону:
— Я не сомневаюсь, что вы все хотите выбрать наилучший вариант решения важнейшей государственной задачи. Ваши высказывания должны быть смелыми, критическими, но хорошо обоснованными. Если не будет принципиального партийного отношения к делу, мы погубим любой проект. Надо, чтобы говорили смело, дельно и надежно.
https://google.com/search?q=Бармин+встал+подошел+к+доске+и+крест+на+крест+перечеркнул+все+строки+с+данными+ракет-носителей+семейства+РЛА&oq=Бармин+встал%2C+подошел+к+доске+и+крест+на+крест+перечеркнул+все+строки+с+данными+ракет-носителей+семейства+РЛА
🚀 http://www.famhist.ru/famhist/chertok/00315c54.htm
Черток Б.Е.- Ракеты и люди

×
Зарегистрировать новую учетную запись
Сбросить пароль
Compare items
  • Включить общее количество Поделиться (0)
Сравнить