Спасение первых ступеней парашютами - новые предложения
С ПОМОЩЬЮ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ НА ОРБИТУ ЗЕМЛИ И В МЕЖПЛАНЕТНОЕ ПРОСТРАНСТВО ВЫВОДЯТСЯ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ. РАКЕТОСТРОИТЕЛИ ДО ПОСЛЕДНЕГО ВРЕМЕНИ ПРОВОЖАЛИ СВОИ ДЕТИЩА, ОСОЗНАВАЯ, ЧТО ТЕ К НИМ НЕ ВЕРНУТСЯ. ПОСЛЕ НЕСКОЛЬКИХ МИНУТ ПОЛЕТА ТРУД ТЫСЯЧ РАБОЧИХ И ИНЖЕНЕРОВ ПРЕВРАЩАЛСЯ В МЕТАЛЛОЛОМ. МНОГИЕ ГОДЫ ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ ОСТАВАЛОСЬ ТОЛЬКО МЕЧТОЙ. НО НАСТУПИЛ XXI ВЕК - И ВСЕ СТАЛО МЕНЯТЬСЯ.
Спасение нижних ступеней с помощью реактивной системы посадки, практикуемое компанией SpaceX, задает сегодня главный тренд в области создания многоразовых космических средств выведения. Многие ракетостроители - от проектантов легкой ракеты New Line 1 в Китае до разработчиков тяжелого носителя New Glenn в Соединенных Штатах - рассматривают именно этот способ возвращения ступеней. Не стал исключением и Роскосмос: ведомство заключило контракт на разработку эскизного проекта частично-многоразового носителя «Союз-СПГ» («Амур») с самарским Ракетно-космическим центром (РКЦ) «Прогресс». Одно из основных преимуществ реактивной посадки: в отличие от парашютного или парашютно-реактивного способа, она имеет высочайшую точность приземления и малые тепловые и механические нагрузки на ракетный блок. Проигрывает в сравнении с реактивной и посадка «по-самолетному». Да, приземление «на крыле» было реализовано в таких системах, как Space Shuttle, «Буран» и Х-37, но это потребовало многих лет тщательнейшей дорогостоящей отработки и для систем размерностью в десятки и сотни тонн оказалось чересчур дорогим. Хотя не исключено, что при определенных условиях крылатый способ сможет применяться на ракетных блоках меньших размеров. Такие изыскания проводятся в рамках проекта «Крыло СВ», совместной работы Фонда перспективных исследований и Роскосмоса. Впрочем, у реактивной посадки есть недостаток, на который несколько лет назад указали специалисты Центрального научно-исследовательского института машиностроения (ЦНИИмаш). Поскольку расход топлива для торможения и посадки ступени может оказаться весьма значительным, ракета заметно теряет в массе выводимого полезного груза. В зависимости от места приземления ступени, потери в грузоподъемности могут достигать почти 40% относительно полностью одноразового носителя. При нечастом повторном применении и с учетом расходов на межполетное обслуживание, нужный результат - снижение удельной стоимости выведения груза на орбиту - может быть и не достигнут.
НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА СТАРЫЙ МЕТОД
Компания - резидент «Сколково» - ООО «Научновнедренческий центр (НВЦ) “Атмосфера“», возглавляемая ветеранами отечественной ракетно-космической отрасли В.Н.Чижухиным и Ю.Г.Мехоношиным, предложила для спасения первой ступени вернуться к концепции парашютного спуска, но с добавлением оригинальных идей. Необходимо отметить, что большинство возвращаемых космических аппаратов на заключительном этапе своего полета (на дозвуковой скорости) сегодня используют парашюты. А в 1962 г. ОКБ-1 С.П.Королёва проводило комплексную оценку возможности посадки боковых блоков первой ступени ракеты-носителя «Восток» с помощью парашютов. Испытания показали, что интенсивное вращение «боковушек» после отделения от центрального блока существенно осложняет решение задачи. В результате тема была закрыта. Парашютный способ спасения крупногабаритных ракетных блоков был реализован на твердотопливных ускорителях многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle в начале 1980-х годов и успешно применялся до завершения программы в 2011 г. Этот же способ прорабатывался и для возвращения боковых блоков «А» советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» в конце 1980-х, но до летных испытаний дело не дошло. Пристальное внимание парашютам уделял и Илон Маск: предприниматель экспериментировал с ними начиная с первого пуска легкой ракеты Falcon 1, но, «набив шишки» (ни одну ступень под куполом спасти так и не удалось), выбрал все же ракетодинамический (на двигателях) способ посадки. Многие специалисты считают, что парашюты компании SpaceX вступали в действие слишком поздно и на малой высоте. Ступень, выполнившая свою основную задачу, продолжала подниматься по баллистической траектории выше 100 км, а потом возвращалась в атмосферу, испытывая при этом сильные механические и тепловые нагрузки в стратосфере, которые ее повреждали. Отсюда у Маска и появилось желание начать тормозить спасаемый блок с помощью основного ракетного двигателя в верхних слоях стратосферы и при непосредственном приземлении. И это ему удалось.
Последовательность работы парашютной системы спасения блоков «А» ракеты «Энергия»
КУПОЛА, РАСКРЫВАЮЩИЕСЯ В МЕЗОСФЕРЕ
Российские ракетчики-энтузиасты из «Атмосферы» предлагают применить воздушно-космическую парашютную систему, которая вводится в действие сразу после того, как первая ступень прекращает работу и отделяется от второй ступени. Суть идеи заключается в том, что работа парашютов на протяжении всего полета до земли - от апогея до приземления - позволит «растянуть» участок торможения и тем самым уменьшить термодинамические нагрузки на ракетный блок. Баллистические расчеты показывают, что существует оптимальный диапазон высот, скоростей раскрытия и работы воздушно-космической парашютной системы. Он располагается в мезосфере на высоте 45-85 км, где плотность воздуха на три-пять порядков меньше, чем на уровне моря. Многокупольная многоступенчатая парашютная система раскрывается «на вылете», после разделения ступеней, когда двигатель ракетного блока выключился, но ступень продолжает по инерции подниматься по своей траектории к апогею до высоты 80 км и выше. При этом ракетный блок тормозится равномерно, без сильных рывков и перегрузок, причем значительная часть скорости (и кинетической энергии ступени) будет погашена на восходящем, а остаток - на нисходящем участке траектории. Вопреки распространенному мнению, парашюты применимы не только для спуска грузов (и людей), приземляющихся сверху вниз. Куполу все равно, в каком направлении тормозить - лишь бы был поток воздуха, чтобы раскрыться. Рассмотрим работу такой системы на примере спасения первой ступени двухступенчатой ракеты-носителя среднего класса с тандемным (последовательным) расположением ступеней. Как уже говорилось, воздушно-космическая парашютная система вводится в действие вскоре после отделения первой ступени, на высоте 45-62 км, при скорости 1700-2800 м/с. Раскрытые купола парашютов на восходящем участке траектории длительностью около 15 сек нагреваются до температур не выше 500°С, интенсивно тормозя ступень. Миновав апогей на высоте около 85 км, ступень возвращается в плотные слои атмосферы, где парашюты вновь ее тормозят. Перегрузки на нисходящем участке - длительностью около 20 сек - не слишком велики, и купола по-прежнему нагреваются до значений не выше 500°С. Через некоторое время ступень тормозится настолько, что переходит от наклонного спуска к вертикальному. На нижней границе мезосферы на высоте 40-45 км ее скорость снижения становится дозвуковой. В это время включаются радио- и световые маячки, облегчающие обнаружение ракетного блока. На конечном участке спуска возможны различные варианты приземления. Если масса возвращаемого ракетного блока не превышает 15-17 т, то разработчики считают возможным «подхватить» его вертолетом: самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26Т подлетает сверху купола, захватывает снижающуюся ступень с помощью специальных крюков и транспортирует ее в заданное место. Подлетное время вертолета в точку снижения ступени около 15-20 минут с ориентацией по радио- и световым маякам. Если масса ракетного блока превышает грузоподъемность Ми-26Т, то возможны, как минимум, два варианта спасения ступени на последнем этапе спуска.
Подхват вертолетом Ми-26Т2 первой ступени ракеты
Вариант 1.
Подхватывать в воздухе не весь блок, а только самую дорогостоящую его часть - двигательную установку (РД-171МВ, предусмотренный для первой ступени «Союза-5», в защитной оболочке-«коконе» с воздушно-космической парашютной системой имеет массу как раз не более 16-17 т).
Вариант 2.
На конечном участке спуска можно отстрелить парашюты и использовать ракетодинамическое приземление, для которого в данном случае потребуется совсем немного топлива. При таком способе, как и в вертолетном подхвате, полностью снимается одна из проблем парашютного спуска - низкая точность приземления. Не исключается и применение управляемого парашюта типа «крыло», но и без него воздушно-космическая парашютная система приземляется на 15-30% ближе к месту старта, нежели при свободном падении. А это уменьшает затраты на транспортировку ракетного блока с места посадки на космодром для подготовки к повторному использованию.
СНИЖАЕМ СКОРОСТЬ БЕЗ ПОТЕРЬ
«Основной смысл применения воздушно-космической парашютной системы состоит в том, что спасаемая ступень работает в привычном штатном режиме только на активном участке траектории, не расходуя на пассивном свой технический ресурс, - говорит Владимир Чижухин. - Все функции дальнейшего полета, торможения и посадки блока берет на себя автономная парашютная система - самый эффективный тормоз в условиях земной атмосферы, при нормальной реализации в минимальной степени снижающий массу полезного груза». «Расчеты, проведенные НВЦ «Атмосфера», показали, что увеличение массы конструкции спасаемого блока при использовании воздушно-космической парашютной системы не превышает 7-9%, - подчеркивает Юрий Мехоношин. - Это влечет за собой снижение грузоподъемности носителя всего на 1-2%, то есть в разы (а то и на порядок) менее, чем при чисто ракетной посадке «по-масковски». Иными словами, с учетом расходов на разработку такой системы многоразовость ракеты может быть обеспечена практически без потери массы выводимого полезного груза». Парашютная система с куполами, которые раскрываются на сверхзвуковых скоростях еще при подъеме в атмосфере, а не при спуске, только выглядит фантастикой. На самом деле ее прототипы применяются на практике уже полвека. Речь идет о парашютах головных частей метеоракет типа М-100. Систему создали к 1963 г. в организации, которая сейчас называется «Научно-исследовательский институт парашютостроения» (НИИ ПС). Данная система вводится еще «на вылете» практически в мезосфере и на сверхзвуковых скоростях (с относительно кратковременным сверхзвуковым участком снижения). Она показала свою эффективность во многих сотнях пусков. Разумеется, в случае ракеты-носителя ввод парашютной системы в действие будет происходить уже на гиперзвуковых скоростях, в 6-12 раз превышающих скорость звука. При этом существенно возрастет скоростной напор, что имеет двоякое значение. С одной стороны, это положительно повлияет на наполнение куполов, с другой - приведет к их существенному нагреву и потребует применения термопрочных материалов на основе кремнеземных и кварцевых волокон, позволяющих им работать при температурах до 1200°С. Такие материалы в России уже созданы, прошли испытания во Всероссийском институте авиационных материалов и выпускаются серийно.
Схемы полета одноразового и спасаемого вариантов ракеты-носителя
( ссылка )
Спасение нижних ступеней с помощью реактивной системы посадки, практикуемое компанией SpaceX, задает сегодня главный тренд в области создания многоразовых космических средств выведения. Многие ракетостроители - от проектантов легкой ракеты New Line 1 в Китае до разработчиков тяжелого носителя New Glenn в Соединенных Штатах - рассматривают именно этот способ возвращения ступеней. Не стал исключением и Роскосмос: ведомство заключило контракт на разработку эскизного проекта частично-многоразового носителя «Союз-СПГ» («Амур») с самарским Ракетно-космическим центром (РКЦ) «Прогресс». Одно из основных преимуществ реактивной посадки: в отличие от парашютного или парашютно-реактивного способа, она имеет высочайшую точность приземления и малые тепловые и механические нагрузки на ракетный блок. Проигрывает в сравнении с реактивной и посадка «по-самолетному». Да, приземление «на крыле» было реализовано в таких системах, как Space Shuttle, «Буран» и Х-37, но это потребовало многих лет тщательнейшей дорогостоящей отработки и для систем размерностью в десятки и сотни тонн оказалось чересчур дорогим. Хотя не исключено, что при определенных условиях крылатый способ сможет применяться на ракетных блоках меньших размеров. Такие изыскания проводятся в рамках проекта «Крыло СВ», совместной работы Фонда перспективных исследований и Роскосмоса. Впрочем, у реактивной посадки есть недостаток, на который несколько лет назад указали специалисты Центрального научно-исследовательского института машиностроения (ЦНИИмаш). Поскольку расход топлива для торможения и посадки ступени может оказаться весьма значительным, ракета заметно теряет в массе выводимого полезного груза. В зависимости от места приземления ступени, потери в грузоподъемности могут достигать почти 40% относительно полностью одноразового носителя. При нечастом повторном применении и с учетом расходов на межполетное обслуживание, нужный результат - снижение удельной стоимости выведения груза на орбиту - может быть и не достигнут.
НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА СТАРЫЙ МЕТОД
Компания - резидент «Сколково» - ООО «Научновнедренческий центр (НВЦ) “Атмосфера“», возглавляемая ветеранами отечественной ракетно-космической отрасли В.Н.Чижухиным и Ю.Г.Мехоношиным, предложила для спасения первой ступени вернуться к концепции парашютного спуска, но с добавлением оригинальных идей. Необходимо отметить, что большинство возвращаемых космических аппаратов на заключительном этапе своего полета (на дозвуковой скорости) сегодня используют парашюты. А в 1962 г. ОКБ-1 С.П.Королёва проводило комплексную оценку возможности посадки боковых блоков первой ступени ракеты-носителя «Восток» с помощью парашютов. Испытания показали, что интенсивное вращение «боковушек» после отделения от центрального блока существенно осложняет решение задачи. В результате тема была закрыта. Парашютный способ спасения крупногабаритных ракетных блоков был реализован на твердотопливных ускорителях многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle в начале 1980-х годов и успешно применялся до завершения программы в 2011 г. Этот же способ прорабатывался и для возвращения боковых блоков «А» советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» в конце 1980-х, но до летных испытаний дело не дошло. Пристальное внимание парашютам уделял и Илон Маск: предприниматель экспериментировал с ними начиная с первого пуска легкой ракеты Falcon 1, но, «набив шишки» (ни одну ступень под куполом спасти так и не удалось), выбрал все же ракетодинамический (на двигателях) способ посадки. Многие специалисты считают, что парашюты компании SpaceX вступали в действие слишком поздно и на малой высоте. Ступень, выполнившая свою основную задачу, продолжала подниматься по баллистической траектории выше 100 км, а потом возвращалась в атмосферу, испытывая при этом сильные механические и тепловые нагрузки в стратосфере, которые ее повреждали. Отсюда у Маска и появилось желание начать тормозить спасаемый блок с помощью основного ракетного двигателя в верхних слоях стратосферы и при непосредственном приземлении. И это ему удалось.
Последовательность работы парашютной системы спасения блоков «А» ракеты «Энергия»
КУПОЛА, РАСКРЫВАЮЩИЕСЯ В МЕЗОСФЕРЕ
Российские ракетчики-энтузиасты из «Атмосферы» предлагают применить воздушно-космическую парашютную систему, которая вводится в действие сразу после того, как первая ступень прекращает работу и отделяется от второй ступени. Суть идеи заключается в том, что работа парашютов на протяжении всего полета до земли - от апогея до приземления - позволит «растянуть» участок торможения и тем самым уменьшить термодинамические нагрузки на ракетный блок. Баллистические расчеты показывают, что существует оптимальный диапазон высот, скоростей раскрытия и работы воздушно-космической парашютной системы. Он располагается в мезосфере на высоте 45-85 км, где плотность воздуха на три-пять порядков меньше, чем на уровне моря. Многокупольная многоступенчатая парашютная система раскрывается «на вылете», после разделения ступеней, когда двигатель ракетного блока выключился, но ступень продолжает по инерции подниматься по своей траектории к апогею до высоты 80 км и выше. При этом ракетный блок тормозится равномерно, без сильных рывков и перегрузок, причем значительная часть скорости (и кинетической энергии ступени) будет погашена на восходящем, а остаток - на нисходящем участке траектории. Вопреки распространенному мнению, парашюты применимы не только для спуска грузов (и людей), приземляющихся сверху вниз. Куполу все равно, в каком направлении тормозить - лишь бы был поток воздуха, чтобы раскрыться. Рассмотрим работу такой системы на примере спасения первой ступени двухступенчатой ракеты-носителя среднего класса с тандемным (последовательным) расположением ступеней. Как уже говорилось, воздушно-космическая парашютная система вводится в действие вскоре после отделения первой ступени, на высоте 45-62 км, при скорости 1700-2800 м/с. Раскрытые купола парашютов на восходящем участке траектории длительностью около 15 сек нагреваются до температур не выше 500°С, интенсивно тормозя ступень. Миновав апогей на высоте около 85 км, ступень возвращается в плотные слои атмосферы, где парашюты вновь ее тормозят. Перегрузки на нисходящем участке - длительностью около 20 сек - не слишком велики, и купола по-прежнему нагреваются до значений не выше 500°С. Через некоторое время ступень тормозится настолько, что переходит от наклонного спуска к вертикальному. На нижней границе мезосферы на высоте 40-45 км ее скорость снижения становится дозвуковой. В это время включаются радио- и световые маячки, облегчающие обнаружение ракетного блока. На конечном участке спуска возможны различные варианты приземления. Если масса возвращаемого ракетного блока не превышает 15-17 т, то разработчики считают возможным «подхватить» его вертолетом: самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26Т подлетает сверху купола, захватывает снижающуюся ступень с помощью специальных крюков и транспортирует ее в заданное место. Подлетное время вертолета в точку снижения ступени около 15-20 минут с ориентацией по радио- и световым маякам. Если масса ракетного блока превышает грузоподъемность Ми-26Т, то возможны, как минимум, два варианта спасения ступени на последнем этапе спуска.
Подхват вертолетом Ми-26Т2 первой ступени ракеты
Вариант 1.
Подхватывать в воздухе не весь блок, а только самую дорогостоящую его часть - двигательную установку (РД-171МВ, предусмотренный для первой ступени «Союза-5», в защитной оболочке-«коконе» с воздушно-космической парашютной системой имеет массу как раз не более 16-17 т).
Вариант 2.
На конечном участке спуска можно отстрелить парашюты и использовать ракетодинамическое приземление, для которого в данном случае потребуется совсем немного топлива. При таком способе, как и в вертолетном подхвате, полностью снимается одна из проблем парашютного спуска - низкая точность приземления. Не исключается и применение управляемого парашюта типа «крыло», но и без него воздушно-космическая парашютная система приземляется на 15-30% ближе к месту старта, нежели при свободном падении. А это уменьшает затраты на транспортировку ракетного блока с места посадки на космодром для подготовки к повторному использованию.
СНИЖАЕМ СКОРОСТЬ БЕЗ ПОТЕРЬ
«Основной смысл применения воздушно-космической парашютной системы состоит в том, что спасаемая ступень работает в привычном штатном режиме только на активном участке траектории, не расходуя на пассивном свой технический ресурс, - говорит Владимир Чижухин. - Все функции дальнейшего полета, торможения и посадки блока берет на себя автономная парашютная система - самый эффективный тормоз в условиях земной атмосферы, при нормальной реализации в минимальной степени снижающий массу полезного груза». «Расчеты, проведенные НВЦ «Атмосфера», показали, что увеличение массы конструкции спасаемого блока при использовании воздушно-космической парашютной системы не превышает 7-9%, - подчеркивает Юрий Мехоношин. - Это влечет за собой снижение грузоподъемности носителя всего на 1-2%, то есть в разы (а то и на порядок) менее, чем при чисто ракетной посадке «по-масковски». Иными словами, с учетом расходов на разработку такой системы многоразовость ракеты может быть обеспечена практически без потери массы выводимого полезного груза». Парашютная система с куполами, которые раскрываются на сверхзвуковых скоростях еще при подъеме в атмосфере, а не при спуске, только выглядит фантастикой. На самом деле ее прототипы применяются на практике уже полвека. Речь идет о парашютах головных частей метеоракет типа М-100. Систему создали к 1963 г. в организации, которая сейчас называется «Научно-исследовательский институт парашютостроения» (НИИ ПС). Данная система вводится еще «на вылете» практически в мезосфере и на сверхзвуковых скоростях (с относительно кратковременным сверхзвуковым участком снижения). Она показала свою эффективность во многих сотнях пусков. Разумеется, в случае ракеты-носителя ввод парашютной системы в действие будет происходить уже на гиперзвуковых скоростях, в 6-12 раз превышающих скорость звука. При этом существенно возрастет скоростной напор, что имеет двоякое значение. С одной стороны, это положительно повлияет на наполнение куполов, с другой - приведет к их существенному нагреву и потребует применения термопрочных материалов на основе кремнеземных и кварцевых волокон, позволяющих им работать при температурах до 1200°С. Такие материалы в России уже созданы, прошли испытания во Всероссийском институте авиационных материалов и выпускаются серийно.
Схемы полета одноразового и спасаемого вариантов ракеты-носителя
( ссылка )