Разработка АКС и перспективы космонавтики

Джентльмены!

Некоторые из вас уже знают, что происходит попытка создать группу по разработке принципиальных основ эффективного аэрокосмического самолета и ближайшего шлейфа проблем и возможностей, связанных с таким носителем. В качестве одного из шагов на этом пути здесь выставлены 3 мои статьи по АКС, ранее опубликованные на бумажных носителях. Самой старой из них уже исполнилось 9 лет, и многое из описания ситуации в аэрокосмосе уже конечно изменилось, однако, как мне кажется, изложенные в этой статье основные идеи совершенно не устарели. Вторая статья в основном, в более сжатом, журнальном виде повторяет первую, а в третьей изложена попытка более общего взгляда на аэрокосмическую сцену середины 90-х годов XX в. В дальнейшем на этом сайте или на ином его воплощении появятся и новые работы, и не только мои. Я полагаю, что все то, что в последнее время интенсивно обсуждается на этом форуме без эффективных АКС или невозможно, или нецелесообразно. Так что знакомство с указанным сайтом кое для кого может оказаться небесполезным.

С наилучшими пожеланиями,
Ю. Лобановский

Streamflow> происходит попытка создать группу по разработке принципиальных основ эффективного аэрокосмического самолета
А поподробнее про группу можно? В России? На какие деньги?

Streamflow> Некоторые из вас уже знают, что происходит попытка создать группу по разработке принципиальных основ эффективного аэрокосмического самолета и ближайшего шлейфа проблем и возможностей, связанных с таким носителем. В качестве одного из шагов на этом пути здесь выставлены 3 мои статьи по АКС, ранее опубликованные на бумажных носителях. Самой старой из них уже исполнилось 9 лет, и многое из описания ситуации в аэрокосмосе уже конечно изменилось, однако, как мне кажется, изложенные в этой статье основные идеи совершенно не устарели. Вторая статья в основном, в более сжатом, журнальном виде повторяет первую, а в третьей изложена попытка более общего взгляда на аэрокосмическую сцену середины 90-х годов XX в. В дальнейшем на этом сайте или на ином его воплощении появятся и новые работы, и не только мои. Я полагаю, что все то, что в последнее время интенсивно обсуждается на этом форуме без эффективных АКС или невозможно, или нецелесообразно. Так что знакомство с указанным сайтом кое для кого может оказаться небесполезным.

То есть, если я правильно вас понял, вы фактически предлагаете воздушный старт на далеко гиперзвуковых скоростях и высотах более чем 50 километров?

Streamflow>> происходит попытка создать группу по разработке принципиальных основ эффективного аэрокосмического самолета.

Димитър> А поподробнее про группу можно? В России? На какие деньги?

Группа - интернациональная, но пока русскоязычная. Общение - через интернет и электронную почту. Если дело пойдет дальше, по крайней мере, основные результаты будут представлены и на английском языке. Группа сейчас работает без всякого финансирования, однако у меня есть довольно большой задел, разработанный частично и на деньги американского правительства Так что пока - голый энтузиазм, однако, на мой взгляд, все равно это занятие лучше, чем только продуцирование бесконечных постингов на всевозможных форумах Одна из целей работы - получить финансирование, однако по моей оценке, даже в случае благоприятного развития событий, дело до этого дойдет не очень скоро. Довольно много информации по поводу организации группы и основных идей, вокруг которых происходит объединение, можно получить на сайте журнала "Новости космонавтики" в топиках: Дистанционные исследования и разработки , Воздушно-реактивные двигатели для АКС , Многоразовые носители SLI .

[ 25-11-2002: Message edited by: Streamflow ]

muti>То есть, если я правильно вас понял, вы фактически предлагаете воздушный старт на далеко гиперзвуковых скоростях и высотах более чем 50 километров?

Я не предлагаю, это предложено давно, я выбираю старт ракетной ступени со ступени воздушно-реактивной на скорости около 4 км/с и на высоте около 40 км (скоростной напор от 50 до 75 КПа) как оптимальный.

Ю.Л. Примем, что радиус полета R0 рассматриваемых аэрокосмических самолетов составляет 0.4 от номинальной дистанции полета S0. В работе показано, как при пространственном выведении на орбиту полезных нагрузок построить траектории, удовлетворяющие этому условию. Тогда, при номинальном радиусе полета аэрокосмического самолета Sänger R0 = 3000 км [7], номинальная дистанция полета составит S0 = 7500 км. Отсюда легко получить оценку неизвестного автору максимального аэродинамического качества аэрокосмического самолета Sänger на крейсерском режиме вместе со второй ступенью (KS = 4.6), которое используется в соотношении (6) для расчета летных данных аппаратов альтернативной схемы.

S.I. А Вы учитываете минимальный радиус виража первой ступени Star Liner (по допустимой перегрузке) при возвращении, ведь он пропорционален квадрату скорости?
Например, сверхзвуковой бомбардировщик "Валькирия" B-70 с взлетной массой 244т, на скорости 3М имел радиус разворота 160км. На 6М аппарат равной прочности будет иметь радиус разворота уже 640км, а на 12М – более 2500км или длину дуги разворота на 180 градусов в 7600км! Последнее значение никак не позволит получить радиус полета R0=3000км при номинальной дистанции полета S0 =7500км на скорости 10-12М.

[ 28-11-2002: Message edited by: Serg Ivanov ]

Здесь лежат материалы по работе Штуттгартского университета над примерно таким же АКС. Работы по нему идут уже 12 лет и закончится в следующем году. Только далеко не летным экземпляром.
Работала приличная куча людей (человек 300 в общей сложности), потратила приличную сумму (работали не только теоретики, но и экспериментаторы. Одна плазменная аэродинамическая труба с МПД в качестве источник потрябляет около 1 МВт). Хорошо отписались куда пошли деньги.
Проблема 1. Нет приличного прямоточного гиперзвукового движка. Как его делать непонятно.
Проблема 2. Денег нужно на N-порядков больше.

А идея сама по себе замачива.

S.I.>А Вы учитываете минимальный радиус виража первой ступени Star Liner (по допустимой перегрузке) при возвращении, ведь он пропорционален квадрату скорости?
S.I.>Например, сверхзвуковой бомбардировщик "Валькирия" B-70 с взлетной массой 244 т, на скорости 3М имел радиус разворота 160 км. На 6М аппарат равной прочности будет иметь радиус разворота уже 640 км, а на 12М – более 2500 км или длину дуги разворота на 180 градусов в 7600 км! Последнее значение никак не позволит получить радиус полета R0 = 3000к м при номинальной дистанции полета S0 = 7500 км на скорости 10-12М.


Вы же читали статью? Перегрузки оценивались, траектории нарисованы. Максимальная перегрузка при развороте первой ступени носителя после разделения ступеней принималась равной примерно 2.5.

Перегрузка Валькирии в указанном Вами случае будет всего около 1.2. Очевидно, что это ее значение определялось не прочностью конструкции самолета, а требованием, чтобы этот разворот был установившимся, то есть происходил без потери скорости, что 40 лет назад при M = 3 было, естественно, непростой задачей. В случае АКС это совсем не так, разворот – неустановившийся, а уменьшение скорости полета во время этого маневра полезно для выхода на оптимальную траекторию возвращения. Так что все сходится.

Кроме того, отмечу, что на сайте пока выложены только начальные, ранее опубликованные результаты. Подводная часть айсберга, как известно, намного превышает его надводную часть По поводу траектории могу сказать, что потом она считалась профессионалами в этой области, и результаты более точных расчетов с оптимизацией траектории неплохо согласуются с представленными оценками. При этом не было выявлено никаких запредельных перегрузок. Правда, при оптимизации средний радиус виража при возвращении был, насколько я помню, все же несколько увеличен.

[ 29-11-2002: Message edited by: Streamflow ]

Ruba>Здесь лежат материалы по работе Штуттгартского университета над примерно таким же АКС. Работы по нему идут уже 12 лет и закончится в следующем году. Только далеко не летным экземпляром.
Ruba>Работала приличная куча людей (человек 300 в общей сложности), потратила приличную сумму (работали не только теоретики, но и экспериментаторы. Одна плазменная аэродинамическая труба с МПД в качестве источника потребляет около 1 МВт). Хорошо отписались, куда пошли деньги.

Спасибо, материалы постепенно внимательно посмотрю, только, на мой взгляд, все эти 300 человек, как водится, изучали то, что может иметь, а может и не иметь отношение к разработке эффективного аэрокосмического носителя. Философию этого вопроса, как я ее понимаю, если будет интерес, могу описать в дальнейшем. Смысл ее состоит в том, что сначала производится широкий поиск и предварительный выбор принципиальных решений, наиболее эффективных с целевой (в данном случае, экономической) точки зрения и касающихся всей рассматриваемой технической системы. А затем, параллельно, отрабатываются ее ключевые подсистемы с одновременным уточнением параметров всей системы. То есть, чем дальше, тем в более узких областях и тем более глубоко проводятся вполне конкретные исследования со вполне определенными целевыми задачами, а не просто любые исследования на любые темы. Такой подход сильно сокращает необходимые для разработки носителя ресурсы, и, до сих пор обеспечивал достижение поставленных технических целей.

Ruba>Проблема 1. Нет приличного прямоточного гиперзвукового движка. Как его делать непонятно.

Пока нет. Как делать, понятно: адекватные математические модели, испытания в аэродинамических установках, летный эксперимент. Полномасштабные исследования такого типа, разумеется, дело довольно затратное. Американцы вступили на этот путь, вон даже и австралийцы занялись этим. Надеюсь, что усилия австралийцев подстегнут нашу главную надежду в этой области Кроме того, часть значительных ассигнований по программе SLI после ревизии должно пойти на разработку скрэма.

Ruba>Проблема 2. Денег нужно на N-порядков больше.

Чем на что?

Ruba>А идея сама по себе заманчива.

Достаточно длительные исследования позволяют мне присоединиться к этой точке зрения

OK

Ruba>>Проблема 2. Денег нужно на N-порядков больше.
Streamflow>Чем на что?
Чем потрачено. А потрачено примернно 300*12 человеко-лет + стоимость экспериментов (только в университете Штуттгарта ).

Дополнительно еще студенты трудились на дипломных и студенческих работах.
Вот этот бы опыт перенять. Считать не стандартные проекты по методичкам, а новые под руководством людей, которые этим занимаются на зарплату.

Кстати, на той же странице Object not found! внизу ссылка на дополниетельные программы по теме АКС в Аахене и Мюнхене.

Интересно было бы сравнить по эффективности Спираль "Спираль". Описание конструкции. ТТХ
с Star Liner.
У Спирали разделение с гиперзвуковым самолетом предусматривалось на 6М. Затем полезный груз выводился одноразовым двухступенчатым ракетным ускорителем на орбиту. Масса полезной нагрузки составляла до 12,5% от стартовой массы системы (115т). Доля топлива, включая одноразовый ускоритель – 54%. При этом повторно использовалось 85% конструкции. Т.е. система была так сказать многоразовой на 85%. Возможно, как раз разумное сочетание одноразовых и многоразовых элементов позволят снизить стоимость запуска.

S.I.>Интересно было бы сравнить по эффективности Спираль "Спираль". Описание конструкции. ТТХ
со Star Liner.

Конечно, можно сравнить, но, на мой взгляд, незачем. "Сочетание одноразовых и многоразовых элементов" означает невозможность использовать преимущества обоих подходов, при этом объединяются только их недостатки. Все попытки такого рода в течение последних 50 лет приводили к экономическим провалам, однозначно. Далее, от Флайера братьев Райт до Спирали прошло около 60 лет, а от Спирали до Стар Лайнера (SL) пройдет не менее 50 . Так может лучше SL сразу с Флайером сравнить? Ну, а если без шуток, то сравнение с проектами полностью многоразовых носителей с разделением ступеней при M = 6 - 7 рассматривалось в последней статье на указанном сайте .

Streamflow>сравнение с проектами полностью многоразовых носителей с разделением ступеней при M = 6 - 7 рассматривалось в последней статье на указанном сайте.
Понятно, что если осуществлять разделение первой и второй ступени аэрокосмического носителя при скоростях М=12.5, то можно вывести большую полезную нагрузку при одинаковой стартовой массе, чем, если бы такое разделение было при М=7. Но более высокие скорости первой ступени означает однозначное использование криогенного топлива. А это делает сомнительным возможность применения первой ступени в других областях авиации. Ведь понятно, что основная проблема, требующая наибольших затрат, это создание первой ступени аэрокосмического носителя. Может быть, несмотря на ухудшение характеристик аэрокосмического носителя, возможность альтернативного использования первой ступени оказалось бы более значащим фактором?

А кто сказал, что на керосине можно достичь числа Маха 7?

Streamflow>А кто сказал, что на керосине можно достичь числа Маха 7?
Вам лучше знать какое максимальное значение можно достичь используя керосин. Вопрос остается в силе: не окажется ли более эффективный носитель в проигыше альтернативному применению первой ступени?

Streamflow>>А кто сказал, что на керосине можно достичь числа Маха 7?

RD>Вам лучше знать какое максимальное значение можно достичь используя керосин. Вопрос остается в силе: не окажется ли более эффективный носитель в проигрыше альтернативному применению первой ступени?

Собственно керосин можно применять примерно до M = 3.5. По поводу носителей с таким числом Маха разделения предлагаю посмотреть третью из предложенных статей. Так что, например, Saenger с разделением ступеней при M = 6.8 - это чисто водородный аппарат. А по поводу альтернативного применения первой ступени аэрокосмического носителя - ясно, что специализированный крейсерский сверхзвуковой самолет (других применений не видно) просто будет просто несопоставим по характеристкам с переделанным разгонщиком. А вот для гиперзвуковой первой ступени на M = 12.5 ситуация совсем другая, она уже не является чистым разгонщиком, и может быть основой для крейсерского гиперзвукового самолета. Но об этом уже написано в первой из предложенных статей. Читайте.

>Собственно керосин можно применять примерно до M = 3.5. По поводу носителей с таким числом Маха разделения предлагаю посмотреть третью из предложенных статей. Так что, например, Saenger с разделением ступеней при M = 6.8 - это чисто водородный аппарат.
Понял.

>А по поводу альтернативного применения первой ступени аэрокосмического носителя - ясно, что специализированный крейсерский сверхзвуковой самолет (других применений не видно) просто будет просто несопоставим по характеристикам с переделанным разгонщиком.
Скорее всего, в таком случае должна быть не переделка разгонщика в специализированный самолет, а наоборот. Например, межконтинентальный бомбардировщик адаптировать под применение в качестве первой ступени. Ту-160, вряд ли удастся. Может быть, модификация Т-4МС подошла бы? Хотя, скорее всего это должен быть какой-нибудь перспективный аппарат, ведь не вечно будут стоять на вооружении имеющиеся сейчас самолеты. Я предполагаю, что это иллюзии, но самостоятельно с ними расстаться не могу.

>А вот для гиперзвуковой первой ступени на M = 12.5 ситуация совсем другая, она уже не является чистым разгонщиком, и может быть основой для крейсерского гиперзвукового самолета.
Хотелось бы несколько поподробнее, чем в статье. А то такого типа несколько маловато: "При этом первая ступень АКС предлагаемой концепции, в отличие от одноступенчатого аэрокосмического самолета, может стать основой для целой гаммы гиперзвуковых аппаратов, совершающих крейсерский полет в атмосфере при числах Маха от 5 до 10". Вопрос возник давно, но не хотелось, чтобы это звучало как придирка.
То же самое насчет заправки в полете водородом. Не слишком ли это взрывоопасно, ведь, скорее всего не обойтись без утечек? Да и обледенение наверняка должно присутствовать. Может проще арендовать за границей ВПП для "подскока" или территории для их постройки?

>>А по поводу альтернативного применения первой ступени аэрокосмического носителя - ясно, что специализированный крейсерский сверхзвуковой самолет (других применений не видно) просто будет просто несопоставим по характеристикам с переделанным разгонщиком.

RD> Скорее всего, в таком случае должна быть не переделка разгонщика в специализированный самолет, а наоборот.

Единственно разумное решение в этом случае - создавать два конструктивно независимых аппарата.

>>А вот для гиперзвуковой первой ступени на M = 12.5 ситуация совсем другая, она уже не является чистым разгонщиком, и может быть основой для крейсерского гиперзвукового самолета.

RD> Хотелось бы несколько поподробнее, чем в статье. А то такого типа несколько маловато: "При этом первая ступень АКС предлагаемой концепции, в отличие от одноступенчатого аэрокосмического самолета, может стать основой для целой гаммы гиперзвуковых аппаратов, совершающих крейсерский полет в атмосфере при числах Маха от 5 до 10". Вопрос возник давно, но не хотелось, чтобы это звучало как придирка.

Где-то в другом месте статьи говорится о том, что дальность такого крейсерского гиперзвукового аппарата достигнет 17500 км. Но чтобы более детально его разрабатывать, надо убедиться в необходимости этого.

RD> То же самое насчет заправки в полете водородом. Не слишком ли это взрывоопасно, ведь, скорее всего не обойтись без утечек? Да и обледенение наверняка должно присутствовать. Может проще арендовать за границей ВПП для "подскока" или территории для их постройки?

Ну это все, я думаю, просто игра ума. Рассмотрена принципиальная возможность, не более того. Скорее всего, это делать не нужно. Но для того, чтобы создать взрывоопасную ситуацию, много придется водорода пролить в набегающий воздушный поток.

>>> Скорее всего, в таком случае должна быть не переделка разгонщика в специализированный самолет, а наоборот.
>Единственно разумное решение в этом случае - создавать два конструктивно независимых аппарата.
Это если средств достаточно для обоих проектов. А если нет?


>Где-то в другом месте статьи говорится о том, что дальность такого крейсерского гиперзвукового аппарата достигнет 17500 км.
Помню. Но где здесь "гамма"? Я в лучшем случае кроме нескольких трансконтинентальных маршрутов для применения таких ЛА ничего не вижу. Хотя, может и ошибаюсь.

А на какой скорости Вы предполагаете включение прямоточного двигателя для первой ступени? И чем Вы до этой скорости собираетесь ее разгонять?

Tico>А на какой скорости Вы предполагаете включение прямоточного двигателя для первой ступени? И чем Вы до этой скорости собираетесь ее разгонять?

Предварительный вариант решения этих вопросов имеется в статьях на сайте, указанном в заглавном постинге топика. Дальнейшее исследование этого вопроса вылилось в крупнейшую часть всей разработки. На данный момент решение таково: использовать двигатель, называемый синергетическим, и переходить с него на однорежимный скрэмджет при числе Маха около 5.5. Некоторые подробности об этом можно найти здесь .

>>Единственно разумное решение в этом случае - создавать два конструктивно независимых аппарата.
RD> Это если средств достаточно для обоих проектов. А если нет?

Если нет - не делать .

>>Где-то в другом месте статьи говорится о том, что дальность такого крейсерского гиперзвукового аппарата достигнет 17500 км.
RD> Помню. Но где здесь "гамма"? Я в лучшем случае кроме нескольких трансконтинентальных маршрутов для применения таких ЛА ничего не вижу. Хотя, может и ошибаюсь.

Навскидку еще две ноты гаммы: носитель со второй ступенью, летающей на глобальную дальность по баллистической траектории, крейсерский самолет на число Маха 4 - 5 без скрэма (только с соответствующей версией синерджета). Всего уже получается четыре. Правда, сейчас я думаю, что все они кроме аэрокосмического носителя - просто игра ума. Сегодня я не обязан защищать все свои тезисы девятилетней давности .

S.I.>>Интересно было бы сравнить по эффективности Спираль "Спираль". Описание конструкции. ТТХ
Streamflow>со Star Liner.

Streamflow>Конечно, можно сравнить, но, на мой взгляд, незачем. "Сочетание одноразовых и многоразовых элементов" означает невозможность использовать преимущества обоих подходов, при этом объединяются только их недостатки.

Ну, недостатки зачастую - это продолжение достоинств. Если объединяются одни, почему бы другие ни объединить?
Во всяком случае, единственная действующая система с воздушным стартом использует в качестве первой ступени бомбардировщик B-52, а в качестве второй – одноразовый твердотопливный "Пегас" (в свою очередь состоящий из 3-х ступеней).
Такая ли уж это аксиома, что многоразовые системы всегда выгоднее?
Скажем, спички – типичная одноразовая система добывания огня. Зажигалка – многоразовая система, к тому же гораздо удобнее (можно пользоваться одной рукой), но требует периодического обслуживания (заправка, замена кремня). И вот появляются одноразовые зажигалки – кто мог представить себе это 30 лет назад?
Мне кажется, что если в одноразовых элементах не гнаться за сверхвысокими параметрами двигателей в пользу надежности и дешевизны, то они вполне конкурентоспособны с многоразовыми носителями. Посмотрите на старушку Р-7 – "Союз".
У "Спирали" был еще один вариант – консервативный или промежуточный как его называли. Самолет-разгонщик с ТРДФ на керосине, разгонял ракетный 2-х ступенчатый ускоритель на топливе керосин + жидкий кислород с полезным грузом, до М=4(1200м/сек), на высоте 22-24км происходило разделение. При стартовой массе системы в 129500кг на низкую орбиту выводился полезный груз в 5000кг.
Почти 4%, и никакого водорода! Заправляй в воздухе сколько угодно от существующих заправщиков.
Сухая масса ускорителя при этом составляла 12484 кг – меньше чем у водородного варианта.
Увеличьте стартовую массу в 1,5-2 раза и получиться неплохая замена РН "Союз". А заводы ее выпускающие тоже без работы не останутся – будут делать ускорители "как сосиски".
Вообще, ИМХО сначала бы неплохо определиться, а какой одноразовый носитель мы хотим заменить? "Союз" или "Протон", а может "Зенит"? И что будут делать те, кто их производит?

S.I.>Ну, недостатки зачастую - это продолжение достоинств.

Ну, положим, диалектику изучали .

S.I.>Если объединяются одни, почему бы другие ни объединить?

Так в чем же дело, объединяйте. Только помните, что никому за последние 50 лет это сделать не удалось.

S.I.>Во всяком случае, единственная действующая система с воздушным стартом использует в качестве первой ступени бомбардировщик B-52, а в качестве второй – одноразовый твердотопливный "Пегас" (в свою очередь состоящий из 3-х ступеней).

Ну, и что? А сколько стоит выведение этой системой?

S.I.>Такая ли уж это аксиома, что многоразовые системы всегда выгоднее?

Приведите мою цитату, где бы я это бы утверждал. Конечно не всегда. При малых и очень малых грузопотоках выгоднее одноразовые носители. Если Вы желаете консервацию современного состояния мировой космонавтики в среднесрочной перспективе и ее деградацию в более отдаленной, летайте на одноразовых носителях. Только отмечу, что в российской космонавтике, судя по всему, деградация уже идет быстрыми темпами.

S.I.>Вообще, ИМХО сначала бы неплохо определиться...
Определяйтесь. Все остальное - не ко мне.