Пользователь
201,5
рейтинг
15 сентября 2013 в 22:42

Системы обеспечения мягкой посадки первой ступени ракеты-носителя


Люди, интересующиеся техникой и космонавтикой, с большим интересом смотрят на испытания «Кузнечика» Маска, который, как нам обещают, вырастет в полноценную возвращаемую ступень. В этой статье я попытаюсь рассказать о том, какие ещё системы обеспечения мягкой посадки носителя придумывало человечество, а так же дать примерную оценку весового совершенства этих систем.


Введение. А зачем это придумывают?


Жидкое топливо — дешевая вещь по сравнению с ракетой-носителем. Поэтому идея спасения отработавшей ступени для её повторного использования витала в воздухе ещё на заре ракетостроения. Однако, несмотря на множество идей и проектов, единственной серийной многоразовой первой ступенью были только твердотопливные ускорители Спейс Шаттла. Это неудивительно, потому что любая система посадки требует дополнительного веса, который очень дорог в ракетостроении.

Reusable Falcon



Идеал системы — полная многоразовость, как в известном видео. Для обеспечения мягкой посадки выбраны маршевые двигатели, что, несмотря на некоторую необычность, имело место в истории. Садиться на двигателях должна была «Заря» Феоктистова, на Западе летал демонстратор технологии DC-X. Попробуем посчитать удельный вес системы посадки:
1. Необходимо рассчитать скорость первой ступени Falcon 9, находящейся в свободном падении, т.е. с какой начальной скорости необходимо тормозить? Вот расчет с помощью WolframAlpha.
Исходные данные:
Начальная высота — 50 км. Цифра примерная, взята из предположения в этой дискуссии.
Плотность воздуха — 1,2 кг/м^3, данные табличные из Википедии для температуры 20 градусов Цельсия.
Масса — 20 тонн. Предположительная масса первой ступени взята отсюда.
Коэффициент сопротивления формы — 0,82 для длинного цилиндра, табличный.
Площадь проекции — 42 м^2, получена по формуле площади от известного радиуса.
Результат: 260 м/с.
Примечание: реальная цифра будет несколько выше, потому что эта формула считает начальную скорость нулевой, и, вместо аппроксимации «сверху» для начальной нулевой скорости, в данном случае это аппроксимация «снизу» из-за того, что ракета будет тормозиться с бОльшей начальной скорости.
2. Посчитаем необходимый запас топлива для торможения с 260 м/с до нуля по формуле Циолковского. Расчет на WolframAlpha.
Исходные данные:
Удельный импульс: 2600 м/с, данные для Merlin 1C.
Результат: 2 тонны топлива надо потратить на торможение. Это нижняя идеальная оценка, потому что мы не учитываем гравитационные потери и потери на управление. Если мы возьмем оценочную долю гравитационных потерь отсюда, то запас топлива возрастет минимум до трех тонн, а, учитывая потери на управление, может превысить четыре тонны.
3. Добавим массу посадочных опор. В открытых источниках их масса указывается в 2 тонны.
Итог: минимум 6 тонн необходимо добавить к двадцатитонной ракете для её посадки по этому методу, что дает нам ориентировочно 30% долю средств обеспечения мягкой посадки к сухому весу ступени.
P.S. Информация о намерении осуществлять возврат на место старта на двигателях выглядит крайне странно, потому что тогда потребный запас топлива увеличится в несколько раз.

Парашюты



С развитием синтетических тканей парашюты становятся всё легче и потенциально привлекательней для возврата космической техники. Например, уже сейчас использующаяся в ВДВ система десантирования ПБС-950 имеет массу полезной нагрузки 13 тонн и долю средств десантирования 11,6%. То есть парашютная система с воздушными мешками для двадцатитонной ракеты уложится в 2-3 тонны! Самый заметный минус — система неуправляемая и для посадки потребуется выделение зоны отчуждения.

Крыло Рогалло


В 60-е годы НАСА проводило исследования раскладывающегося в полете крыла Рогалло для обеспечения управляемой посадки корабля «Джемини» и спасения первой ступени ракеты «Сатурн-I». Видео испытаний натурной модели 1:12 ступени:

Также можно посмотреть испытания крыла с жесткими элементами и испытания крыла без жестких элементов.
Единственные цифры, которые мне удалось найти здесь, говорят, что такое крыло занимало 20% веса модели ступени. Учитывая прогресс в материаловедении, который привел к расцвету парапланеризма, можно надеяться, что управляемое крыло без жестких элементов уложилось бы в 10-15% веса ступени.

Жесткое крыло



При разработке РН «Энергия» появились проекты многоразовых первых ступеней с жесткими крыльями. Своей вершины эта идея достигла в проекте «Энергия-2» с многоразовым центральным блоком циклопического размера. А после распада СССР появился более легкий проект «Байкал». К сожалению, его невозможно напрямую сравнить с остальными системами, потому что это полноценный самолёт с двигателем и запасом топлива для обеспечения дальности возврата в 400 км и посадки на аэродром недалеко от места пуска. Теоретически система выгодна тем, что разгонные блоки можно запускать с любым наклонением, и они вернутся назад, что должно избавить от необходимости зон отчуждения. Но, боюсь, доля дополнительного веса для обеспечения многоразовости будет здесь наибольшей. Для сравнения, имеющий примерно ту же полную массу УРМ «Ангары» имеет в два раза меньшую пустую массу, а имеющая примерно ту же пустую массу первая ступень Falcon 9 имеет в два раза большую полную массу.

Вертолётный подхват



При снижении ступени на парашюте эту ступень можно не ронять на землю, затрачивая дополнительный вес на системы амортизации удара, а ловить вертолётом, который затем обеспечит гарантированно мягкую посадку в нужном месте. Также можно сэкономить вес, уменьшив площадь парашютов, потому что увеличение скорости снижения не затруднит амортизацию удара. То есть можно добиться доли веса систем посадки <10%! Наиболее грузоподъемный из серийных вертолёт Ми-26 может поднять 20 тонн, чего хватает впритык. Что любопытно, есть статья, в которой утверждается, что эксперименты по вертолётному подхвату проводились в 90-х годах и были успешны.

Заключение


Если мы отсортируем перечисленные системы по удельному весу систем обеспечения посадки, то на первом месте будут вертолётный подхват и парашюты, а посадка на ракетных двигателях окажется последней или предпоследней. Что привлекает ещё больше интереса к проекту Маска — что же там получится в итоге?

Для навигации: посты по тегу «Облегчение доступа в космос»
Филипп Терехов @lozga
карма
541,7
рейтинг 201,5
Пользователь
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (67)

  • +3
    Пока что заигрывания с многоразовостью для космической техники — стоили больших денег, снижения эффективности и надежности.
    Но опыт некоторый накоплен за долгие годы, может пришла пора и что-то получится лучше.
    • 0
      Да, есть такое, увы. Но килограмм на орбиту до сих пор стоит непозволительно дорого, а это один из путей снижения цены.
      • 0
        С другой стороны, если идея Маска «взлетит» ;-), то 5 многоразовых ракет по 1 тонне груза будет всеравно в разы выгоднее, чем 1 одноразовая с 5 тоннами груза. Конечно, иногда надо поднимать и тяжелые «моноблоки», тут пока без одноразовых тяжеловозов никак.
        • 0
          Меня смущает выбор технического решения. А так — да, всяческих Маску успехов.
    • 0
      Ну вообще когда Шатлл проектировали, то выходило что дешевле. При фактической эксплуатации получилось дороже чем одноразовые ракеты. Кстати говоря так называемые многоразовые ступени, фактически использовали один раз.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • 0
          Тестировать понятно придется, но что это зависит от того насколько спуск экстремальный. У шатлла никто никогда всю тепловую защиту не собирал по новой. Тестировали долго и упорно и заменяли битые пластины. Правда в итоге плохо на заменяли и Коламбия рассыпалась в воздухе.

          Опять же если сажать на парашюте грохнется или мягко приземлится зависит только от парашютов и тормозной системы.

          Еще в СССР была разработана авиадесантируемая платформа которая позволяла осуществлять довольно мягкую посадку.
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
            • 0
              И сколько лишней массы придется таскать?

              Выше уже писали 11 процентов.

              Если сажать жилой отсек (читай, шаттл) еще может быть экономически целесообразно, то топливный бак с двигателем — врядли.

              Тот же Маск говорил, что цена топлива от цены запуска составляет 4 процента. Так что если хотя бы раза четыре можно запустить ту же ракету в небо, то вполне целесообразно.
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • +1
            Правда в итоге плохо на заменяли и Коламбия рассыпалась в воздухе.

            Нормально заменяли. Повреждение было нанесено при запуске, тут уже ничего помочь не могло.
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • 0
    Вроде как Энергия-Буран изначально разрабатывалась с расчетом на полную многоразовость. То есть конструктивно это должно было быть заложено уже в первые образцы, пускай на первые испытательные пуски такая задача даже не озвучивалась. Но какой-то конструктивный задел уже был наверняка.
  • 0
    Вы посчитали коэффициент сопротивления для «голой» цилиндрической формы, а если, к примеру, он разложит «ноги» на высоте и использует их для аэродинамического торможения, это ведь может дополнительно снизить скорость?
    • 0
      Увеличится эффективная площадь, несильно, потому что ноги не сплошные. Численно сказать будет сложно — ноги не сплошные, какие они потери дадут без аэродинамической трубы и не скажешь. Так, навскидку, увеличение площади с запасом, на треть, до 60 м^2, дает скорость 220 м/с и результат 1,8 тонны идеального топлива. Боюсь, ноги не помогут. Как бы даже они хуже не сделали — не повысили неустойчивость при падении и не привели бы к повышению расхода топлива на управление.
      • 0
        Ну, если они на начальной траектории будут сзади, что логично, учитывая ориентацию при полете, они смогут выступить в роли стабилизаторов и ступень какое-то время сможет лететь по принципу воланчика. Правда это приведет к необходимости переворота перед посадкой. В любом случае следующий запуск обещает быть очень интересным.
        • +1
          Разворачиваться надо будет сразу после разделения, пока атмосферы минимум. Чем плотнее атмосфера, тем такие фортели сложнее и опаснее.
          • 0
            А были ли какие-нибудь опытные образцы, использующие эффект авторотации? Вроде, лет 30 назад в журналах такое обсуждали, но про попытки реализации не слышал. Мне кажется, сегодня при наличии довольно прочных и лёгких композитных материалов, такой «вертолётик» может быть интересен.
            • 0
              Хм, сам нашёл, причём — свежак, за прошлый год.

              compulenta.computerra.ru/universe/explore/10001998/
              • 0
                Да, эта идея ещё для «Союзов» и «Аполлонов» выдвигалась. Теоретически для ракетной ступени лопасть можно разместить вдоль, но сколько это будет весить (будет там автомат перекоса? если нет, то как управляться?) я не нашёл, поэтому добавлять в статью не стал. Показалось слишком фантастичным.
                • 0
                  Вообще, если бы я работал над этой темой, я бы смотрел в сторону сверхпрочных мягких лопастей с «грузиками» на концах. И, желательно, в соосной компоновке с поэтапным раскрытием: на первом этапе, при максимальной скорости, лопасти вытягиваются вверх небольшим парашютом, одновременно придаётся правильная ориентация спускаемому объекту, затем постепенно лопасти начинают раскручиваться — грузики на концах под действием центробежных сил разводят лопасти в стороны до максимума, скорость спуска объекта постепенно снижается за счёт авторотации, затем вытягивается верхний комплект лопастей, раскручивающихся уже в другую сторону.
                  • 0
                    Соосная схема в авторотации выигрыша не даст (автожиры ведь летают без вертолетного рулевого винта), а вот конструкцию дополнительно усложнят.
                    • 0
                      Да, возможно. Я таким образом «решил проблему» вращения объекта :)
  • 0
    «Ноги» и система стабилизации не нужны, если приводняться на парашюте в океан.
    Отработавшая первая ступень обычно состоит из пустых баков и пары форсунок, поэтому вполне может иметь хорошую плавучесть. Ну а если в баке дыра — то пусть лучше сразу тонет:)
    • +4
      Не «пары форсунок», а «камеры сгорания, турбонасосного агрегата, трубопроводов, сопла с охлаждением компонентами топлива», и всё это, боюсь, не любит морской воды. Так что с морем не так всё просто. Хотя приводняться в чем-то легче, это да.
  • 0
    Даже с системами повторного использования ступеней вряд ли сам принцип многоступенчатости будет жизнеспособным через 10-20 лет.
    • 0
      Альтернатив многоступенчатым ракетам пока нет, увы.
      • 0
        Да, согласен. Я к тому, что пока современные ракеты напоминает IBM System 360 из 60-х — их в конечном счете ждет новый прорыв.
        • –1
          Да, согласен. Я к тому, что пока современные ракеты напоминает IBM System 360 из 60-х — их в конечном счете ждет новый прорыв.


          1)на основании чего сделан такой вывод (о прорыве)?
          2)в каком направлении по вашему будет прорыв?
            • 0
              Я бы не сказал, что речь идет о прорыве- это пока мечты, далекие от реалий :)
              Ну а современные ракеты…
              Да, «семерка» летает (с немного другой начинкой), но по сути это та же ракета. Ну и слава Богу. Она надежна, по крайней мере.
              А если по большому счету — достигнут предел, что касается энергетики химических топлив.
              А реальных альтернатив нет.
              Так что, полагаю, будут те же ракеты. На тех же видах топлив. Без всяких прорывов.
              И «семерка» еще будет летать неизвестно сколько.

  • 0
    А почему вы считали по Merlin 1С, а не Merlin 1D?
    • 0
      Потому что 1D пока ещё не летал. Если посчитать с 2730 м/с 1D, сэкономим 100 кг топлива, это нам не поможет.
  • 0
    Прочел на одном дыхании. Спасибо!
  • 0
    А вроде ж был проект запуска не с космодромов, а с самолетов? Который свернули в угоду «Бурану»? Не было бы это тем самым решением?
    • 0
      Сильно сомневаюсь. Воздушный старт — штука плохо масштабируемая, потому что совсем циклопические самолёты-носители понадобятся. Боюсь, 500 кг для «Пегаса» — это максимально достижимый порядок веса ПН на нынешних технологиях. МАКСу уже специальную модификацию «Мрии» нужно, а она не построена, и дальше проблемы идут снежным комом.
      • 0
        Так космодромы еще менее масштабируемы, нет? Да еще и уязвимы: не секрет же, что все космичечкие технологии — военные в своей основе.
        • 0
          Наоборот. Наземный комплекс для 300-тонной ракеты (привычный «Союз» среднего класса) сделать гораздо проще, чем такой же, только ещё и летающий.
          И в гражданской космонавтике вопрос уязвимости вообще не стоит.
        • 0
          Mорскую платформу на частные деньги построили.

          Куру вроде тоже не для военных.
    • 0
      И «гиперзвуковой самолёт-разгонник» даже сейчас на грани фантастики. Небольшие демонстраторы (X-43, X-51) летают через два раза на третий.
  • 0
    Вот мне не понятно, как они удерживают ракету высотой 60 метров и весом больше 10 тонн строго в вертикальном положении только за счет маршевых двигателей?
    • 0
      Взлетающая ракета-носитель, за исключением специально спроектированных типа Н-1, требует поддержания такого же неустойчивого равновесия с компенсацией возмущений.
    • 0
      В некоторых роликах видно отклонение огненной струи. Т.е. к основному толкающему факелу добавляются другие, под углом.
      • 0
        Хм, не обращал на это внимание. Спасибо.
        • +1
          Если вы спрашивали про техническую реализацию — двигатель может отклоняться, меняя направление тяги и производя управляющее воздействие. В общем случае ещё могут ставить дополнительные рулевые двигатели (у Кузнечика нет) или маленькие сопла двигателей ориентации (у Кузнечика должны быть).
    • +1
      Фактически, там применяется «отклоняемый вектор тяги»: сопла двигателей отклоняются нужным образом. При необходимости задействуются также малые двигатели управления, расположенные по бокам в средней и верхней части ракеты.
  • 0
    [..] Примечание: реальная цифра будет несколько выше, потому что эта формула считает начальную скорость нулевой [..]

    [..] Итог: минимум 6 тонн необходимо добавить к двадцатитонной ракете для её посадки по этому методу, что дает нам ориентировочно 30% долю средств обеспечения мягкой посадки к сухому весу ступени [..]

    А в реальности — первая ступень дает весьма ощутимую скорость, точно не скажу, но где-то 1-3км/сек!!! — это и зарубает идею возврата на-парашютах.

    Кроме того на таких скоростях, у бесконтрольно падающего в атмосфере протяженного тела и деформации могут появиться… то, что приземлится легко может оказаться unusable.
    • 0
      Вы про атмосферу забыли, об неё очень удобно тормозить. ТТУ Шаттла успешно приводнялись после отделения на высоте 45 км и скорости ~1,5 км/с
    • +1
      А в реальности — первая ступень дает весьма ощутимую скорость, точно не скажу, но где-то 1-3км/сек!!! — это и зарубает идею возврата на-парашютах.

      Непонятен смысл фразы. Первая ступень имеет слишком большую скорость, чтобы опуститься на парашютах? Можно использовать специальные тормозные парашюты, которые снизят скорость до приемлемой для обычных. Плюс и стабилизацию осуществят. Да и открывать парашюты можно не в момент отделения ступени, а когда она выйдет на пик баллистической траектории и будет иметь нулевую вертикальную скорость. Вернее чуть позже, когда есть небольшая отрицательная вертикальная скорость, чтобы купола развернулись.
      • 0
        Отделение первой ступени РН Протон: 42 км, 1724 м/сек — причем уже практически в горизонтальном положении.

        Без стабилизации — ее просто перекрутит и порвет всречным напором воздуха… даже просто бережно затормозить с такой скорости — уже проблема… а потом парашюты — рывки всякие, удар о землю…
        • 0
          Удар о землю решается пиропатронами всякими, как у той же десантируемой техники. А вот что почти в горизонтальном положении не знал или не обращал внимания, думал где-то под 45 градусов :( С другой стороны как раз тормозной парашют должен хорошо работать — гасит горизонтальную скорость и потихоньку «нос» направляется к земле без всяких резких маневров.
  • +1
    То, что Байкал не полетит — уже по-очертаниям было понятно… ;-))
    • 0
      Подробнее с этого места.
    • 0
      На последнем МАКС'е были модели многоразовых разгонных блоков для Ангары, выглядящие точь в точь, как Байкал (модель на фото сзади). Так что над идеей работают и возможно в будущем мы увидим потомков Байкала на нашей новой ракете.
  • 0
    Добавлю немного «ракетостроения для чайников» www.chtoes.li/page/orbital-speed (или what-if.xkcd.com/58/ на языке оригинала). Если кратко, то основная проблема завязана на экспоненциальном росте массы топлива — для разгона до 8 км/с нужно в 1.4^8 больше топлива чем начальный вес ракеты. И для торможения до нуля вес придется еще увеличить в 1.4^8 за счет топлива.
    • 0
      У нас есть атмосфера, об неё очень хорошо тормозится. Поэтому для набора скорости нужно гораздо больше топлива, чем для торможения.
  • 0
    Мне кажется, в условиях нашей планеты спасать ступени ракет носителей — это бесперспективняк. Ведь для топлива торможения или парашутных систем нужно жертвовать массой, упрочнять конструкцию (раз расчет на многоразовую эксплуатацию). Как по мне лучший вариан ориентироватся на освоении ближнего космоса Авиацией. Нужно дерзать создать самолет способный взлететь на орбиту и вернутся назад, а еще отказатся от химической енергии — она давно себя исчерпала.
  • 0
    Собственно, главный вопрос на сколько нужно жертвовать массой. То что в 1960-х было заведомо не перспективно, в 2020-х может оказаться вполне реально и, главное, выгодно. Новые материалы, технологии, способы неразрушающего контроля и т. п.
    • 0
      А при горении типлива выделяется все тоже количесво калорий, в любой ракете подавляющее большинство массы составляет топливо, поднимать енергетику ракеты за счет изысканя веса из конструкции это не самый перспектывный способ, ну сколько вы еще будете облегчать бак для все тогоже керосина чтоб хватило места для спасательного парашута/резерва керосина для посадки?
  • 0
    А где-нибудь обсуждалась идея воздушной платформы? Водородом правда нельзя, а гелием дорого.

    А так с высоты 30 км вполне выгодно может быть запустить
    • +1
      Смотрите «Искушение воздушного старта». Коротко говоря, невыгодно.
      • 0
        вообще-то я имел ввиду поднятие платформы дирижаблями. Американцы это делали, просто у них постоянно отказывала аппаратура
        www.astronaut.ru/bookcase/books/afanasiev3/text/09.htm
        • +1
          Я понял, что вы имели в виду. Летающий космодром — это то же самое, что и наземный, только гораздо сложнее и дороже. А выгода при старте с 30 км мизерная.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.