Одноразовые vs многоразовые

Б.И.Губанов. Триумф и трагедия «Энергии» глава 39

     В начале 60-х годов в КБ А.И.Микояна начались исследования двух вариантов суборбитального самолета. В первом предусматривался самолет-разгонщик, во втором - ракета "Союз" с орбитальным самолетом. Двухступенчатая воздушно-космическая система, разрабатываемая под руководством Г.Е.Лозино-Лозинского, именовалась "Спираль" или проект "50/50".      Орбитальный корабль-ракетоплан стартовал со спины мощного сверхзвукового самолета-носителя на высоте 20-30 км. Ракетоплан "Спираль" на жидкостных ракетных двигателях достигал околоземной орбита, выполнив все запланированные работы на орбите, возвращался на Землю, планируя в атмосфере, и садился на аэродром. //  Дальше — www.buran.ru

 

Б.И.Губанов. Триумф и трагедия «Энергии» глава 41

     Тенденция выделения пилотируемых воздушно-космических транспортов в самостоятельное направление существует. Пилотируемые операции должны быть связаны только с доставкой на орбиту экипажа, с целью обеспечения специфичных работ в космосе - сборки, профилактики, инспектирования космических орбитальных аппаратов, управления развертыванием космических аппаратов на орбите, подготовки их к возврату на Землю, проведения научных и исследовательских работ, спасения космонавтов. То есть примерно так, как это осуществляется сейчас в композиции двух ракет-носителей "Союз" и "Протон". //  Дальше — www.buran.ru

 

Таким образом, третье исходное положение - многоступенчатая структура.
Ну, и одно из главных положений разработки - это оптимальные экономические характеристики системы. Общий вид системы ГК-175Нами предложена вертикально стартующая двухступенчатая, с жидкостными двигателями, полностью многоразовая космическая система с горизонтальной посадкой крылатых ступеней.

 

Первая ступень "Энергии" в составе четырех блоков имела в проекте парашютную систему спасения. Блок А, отработав программное время на траектории, в составе параблока отделяется от блока Ц. Через некоторое время параблоки делятся на самостоятельные блоки А и отходят друг от друга. При входе в атмосферу срабатывает сначала тормозной, а затем предварительный каскад и основные парашюты. С помощью систем обеспечения мягкой посадки блок приземляется на амортизирующие стойки. Блок приводится в состояние для транспортировки и перемещается с помощью передвижных средств из зоны посадки в зону профилактики и восстановления. Структура комплекса обеспечения возвращения блока А многодельная, поэтому эта система не была окончательной как средство многоразовости. Вот почему привлекал вариант планирующего спуска на крыльях и посадки на посадочную полосу "Бурана". В то же время рассматривался вариант блока А, выполненного с диаметром, равным диаметру блока Ц. Блок А в этом виде удачно заменял все четыре блока.

Создание спасаемого блока А, равного по размерам блоку Ц, является не столь сложной задачей, если решается проблема возврата с орбиты в планирующем полете блока второй ступени, так как возврат первой ступени существенна проще при выполнении блока по аналогичной крылатой схеме за счет того, что температурные режимы полета существенно ниже. Крылатый блок А в размерах блока Ц мог выполняться без тепловой защиты того вида, который предусматривался для второй ступени. План заманчивый, но его выполнение зависело от состояния работ по спасению блока Ц. Было принято направление сосредоточения исследований в области создания крупногабаритной крылатой второй ступени, разрабатываемой на базе центрального блока ракеты-носителя "Энергия" и орбитального корабля "Буран", как промежуточный этап повышения многоразовости.

 

Исследования основных проектных параметров, применительно к изложенной баллистической схеме, показали, что при увеличении конечной массы второй ступени за счет установки аэродинамических элементов посадки, при сохранении в качестве первой ступени четырех блоков А "Энергии", оптимизация соотношения масс ступеней достигается при уменьшении заправляемого во второй ступени топлива на 220 т по сравнению с запасом топлива блока Ц "Энергия". Одновременно с этим требуется снижение суммарной тяги двигателей второй ступени; в связи с чем для крылатой ступени оставляется три двигателя вместо четырех. На второй ступени устанавливается вспомогательная двигательная установка для довыведения ее на опорную орбиту на участке выведения, последующего спуска с орбиты, управления и стабилизации на пассивных участках полета. Высвобожденный при уменьшении запаса топлива объем в 610 м3 используется для отсека полезного груза. У "Бурана" - 350 м3. Полностью собранная ступень с грузовым отсеком по габаритам эквивалентна блоку Ц "Энергии". Для использования производственно-технологической оснастки, экспериментальной базы и наземного комплекса, созданных для системы "Энергия"-"Буран", при разработке крылатой ступени ее диаметр сохраняется равным диаметру блока Ц. Для осуществления самолетной посадки ступени устанавливаются авиационные средства "Бурана": крыло, вертикальное оперение, балансировочный щиток, посадочное устройство, шасси, гидрокомплекс и аппаратура управления авиационными средствами посадки.

 

gk175-2.jpg @ www.buran.ru [кеш]

Таким образом, результаты исследований показали, что аэродинамические характеристики крылатой второй ступени ракеты-носителя "Энергия" с изменяемой длиной корпуса, с консолями крыла, вертикальным оперением и аэродинамическими органами управления, кроме щитка, заимствованные от "Бурана", отвечают требованиям формирования траектории, устойчивости и управляемости на всех участках спуска с орбиты, включая посадку. Анализ теплообмена и теплозащиты по такой схеме показал, что условие теплонагружения конструкции не хуже, а удельный вес теплозащиты несколько ниже, чем для "Бурана". Целесообразность работ по реализации такого проекта, где почти в полной мере используются освоенные промышленностью авиационные средства "Бурана", подтвердилась.
Одновременно результаты проектных разработок показали, что вес полезной нагрузки, выводимой на орбиту спутника для варианта носителя с крылатым блоком Ц, при стартовой массе 2300 т, примерно в 1,5 раза больше массы полезной нагрузки, выносимой с применением "Бурана" или "Спейс Шаттла". В отличие от схем "Бурана" и "Спейс Шаттла", где, в одном случае, вторая ступень с двигателями и уникальной системой управления целиком одноразовая, в другом топливный бак одноразовый, в рассматриваемом проекте с орбиты возвращается вся вторая ступень. Обтекатель не сбрасывается на орбите. На орбите ничего не остается, кроме космического аппарата.
Второй этап приближения "Энергии" к полностью многоразовой системе был связан с поиском более эффективного средства спасения ракетных блоков А.
В многоразовой космической системе "Энергия"-"Буран" принята, как говорилось ранее, реактивно-парашютная схема спасения блоков первой ступени. По сравнению со "Спейс Шаттлом", средства спасения первой ступени более сложные и трудоемкие, что связано с необходимостью посадки на сушу, а не в океан.
С появлением варианта "Энергии-М" у проектантов возникла идея разработки крылатого блока А. В этой связи было целесообразно в плане унификации разработать крылатый блок А, приемлемый для "Энергии" и "Энергии-М". Таким образом, спасаемый блок А предстал в виде одиночного блока существующей конструкции.

Были проведены исследования по определению возможности создания многоразового блока А с несущими поверхностями, обеспечивающими его полет в атмосфере "по самолетному" и посадку на аэродром стартового комплекса, рассмотрены различные типы несущих поверхностей: от решеток до крыльев большого и малого удлинения. В наибольшей мере поставленной задаче удовлетворяет модификация блока с поворотным крылом большого удлинения и поворотным оперением. Их конфигурация выбрана таким образом, чтобы, с одной стороны, не оказывать существенного влияния на характеристики блоков при их работе в "пакете" в составе носителя и, с другой, - обеспечить на дозвуковой скорости при полностью развернутом крыле очень высокий уровень аэродинамического качества (до 17-19) и высокую несущую способность конструкции при посадке без использования механизации крыла.

 

gk175-5.jpg @ www.buran.ru [кеш]

gk175-1.jpg @ www.buran.ru [кеш]

Основным расчетным случаем нагружения для крыла является "полет в неспокойном воздухе", для оперения - "полет в гиперзвуковом режиме". Коэффициент безопасности для всех случаев нагружения автономного полета блока принят равным 1,3. ... Рассмотрены два основных типа конструкционных материалов крыла и оперения:
- панели, нервюры, лонжероны изготовлены из композиционного материала на основе углеволокна типа КМУ-8;
- основные элементы кессона изготовлены, главным образом, из алюминиево-литиевого сплава типа 01450.
Использование для оперения композиционного материала КМУ-8 снижает массу конструкции крыла на 16%.

Проблема возвращения блоков к месту старта является сложной технической задачей, поскольку после расцепки они совершают баллистический полет протяженностью до 300 км на высоте, превышающей 80 км. Управление траекторией полета блока возможно лишь после входа его в плотные слои атмосферы, на высотах менее 30 км. При этом углы наклона траектории составляют 25-30 град., что приводит к большим величинам скоростного напора. В этой связи на первом этапе входа в плотные слои атмосферы используются небольшие значения угла крена, чтобы сделать траекторию более пологой, а после прохождения пика скоростного напора начинается интенсивный разворот к месту старта, с большими углами крена и подъемной силы. На дозвуковых режимах полета для компенсации значительного удаления от места старта необходим полет с высоким аэродинамическим качеством.

 

gk175-4.jpg @ www.buran.ru [кеш]

Траектория возвращения состоит из трех основных частей:
- участок полета на больших высотах (более 50 км) при наличии малых аэродинамических сил - этот участок можно назвать баллистической фазой;
- участок разворота блока по направлению к месту посадки, при котором происходит резкое снижение скорости и высоты;
- участок планирования по направлению к месту посадки при скорости с числом М меньше единицы.
Продолжительность первого участка при скорости 1630 м/с, высоте 54 км составляет 170 с. За это время блок удаляется от старта (аэродрома посадки) на 270 км. Это удаление во второй фазе траектории возрастает, достигая 310 км. Его необходимо компенсировать на третьем участке дозвукового полета с высоким аэродинамическим качеством.
После выполнения разворота по курсу блок совершает полет в режиме стабилизации максимального аэродинамического качества на высоте 18 км при М=1,1, а с уменьшением числа М до 0,75 для облегчения раскрытия крыльев большого удлинения совершает маневр типа "горка" с выходом на малые углы атаки.
Траекторию возвращения при высоте 13 км можно представить состоящей из трех участков: квазистационарного планирования с высотой от 13 до 5 км, горизонтального полета на высоте 5 км (М=0,42) и планирования с этой высоты. Потребный расход топлива с учетом встречного ветра составляет 1200 кг.

 

Таким образом, проведенные исследования показали возможность реализации аэродинамической схемы блока А с выдвижным крылом большого удлинения, обеспечивающего очень высокий уровень аэродинамического качества (17-19) на режиме дозвукового полета и несущих свойств крыла на посадке без использования механизации.
Размещение средств возвращения на блоке А максимально увязано с существующей конструктивно-силовой схемой блока, а изготовление основных элементов средств возвращения крыла и оперения базируется на достигнутой к этому времени технологии.

 

Таким образом, две крайние позиции: одна - полная модернизация обоих двигателей - давала 40 т, другая - без модернизации, на существующих двигателях - 29 т. И еще на одну позицию, которая играла решающую роль в определении стоимости разработки крылатой системы, следует обратить внимание - сочетание двигателя первой ступени РД-170 без изменений и водородного двигателя второй ступени 14Д12 с полной модернизацией. Эта композиция позволяла иметь 37 т полезного груза на орбите.
Систему управления планировалось применить полностью с "Бурана", но с разработкой, естественно, нового математического обеспечения.
Таким образом, облик ракетно-космической транспортной системы, создаваемой на основе комплекса "Энергия"-"Буран", в результате проведенных исследований и проработок различных вариантов воздушно-космических систем - одноступенчатых и двухступенчатых, с вертикальным стартом и горизонтальным взлетом, с парашютно-реактивной системой возврата и спасения и самолетной посадкой - определился. Наибольшей массово-энергетической эффективностью обладают многоступенчатые структуры с вертикальным стартом и горизонтальной посадкой всех ступеней с возвращением на аэродром стартового комплекса. Такая система, в связи с тем, что она создается с учетом использования уже наработанного задела и на базе совершенствования ракетно-космической системы "Энергия"-"Буран", с применением существующих конструкционных материалов, бортовых систем управления и освоенных жидкостных ракетных двигателей, могла быть создана без существенных затрат ресурсов. Как показали проектные проработки, задача превращения центрального блока "Энергии" в крылатую вторую ступень, способную достичь орбиты с доставкой полезного груза, осуществить планирующий спуск в атмосфере и посадку на аэродром стартового комплекса, является вполне реальной и осуществимой в относительно короткие сроки, с минимальным техническим риском. При реализации этой схемы "инженерный пот" был бы затрачен, в основном, на создание центроплана крылатого блока Ц.

 

gk175-3.jpg @ www.buran.ru [кеш]

Проектанты оценивали стоимость разработки крылатой системы первого этапа в 600-650 млн. руб. (в ценах 1987 г.), что составляло дополнительно 4-5 % к общим затратам на создание "Энергии" и "Бурана".

 

Центром было выдано заключение в июне 1989 г. Установлено, что стоимость создания многоразовой системы ГК-175 первого этапа, включая капитальные вложения, составляет 1,18-1,5 млрд. руб. Верхняя граница соответствует варианту возможной потери второй ступени в летных испытаниях и изготовление нового образца. Стоимость выведения единицы полезного груза - 572-782 рубля за килограмм, при суммарной интенсивности 6-20 пусков в год. При этом предполагалось, что работы по созданию многоразовых блоков первой ступени, модернизации двигателей второй ступени РД-0120, в том числе обеспечения его десятикратного применения, разработке разгонного блока "Смерч", финансируются в рамках программы совершенствования технических характеристик "Энергии"-"Бурана" и "Бурана-Т".

Министерство не сдавалось, и решением научно-технического совета в середине июля 1989 г. определило: работы проводить в рамках научно-исследовательских и экспериментальных программ до создания достаточного научно-технического задела и выделения необходимого финансирования. Финансирование не выделялось.
Величина потребных затрат на опытно-конструкторские работы по ГК-175, указанная в техническом предложении, была ниже определенной в этом заключении на 540-860 млн. руб. в основном за счет различий в оценке стоимости работ по авиационным системам (на 320 млн. руб.) и системе управления (на 140 млн. руб.). Вместе с тем представлялось, что стоимости работ по созданию авиационных средств, системы управления были завышены и должны быть дополнительно уточнены.
К этому времени экономический центр Минобщемаша "Агат", как придаток управленческого аппарата министерства, сформулировал новые цифры затрат на создание ГК-175. "Агат" утверждал, что затраты на создание такого рода системы составят не менее 4,6 млрд. руб. Столь существенное различие в оценках стоимости определяется, по объяснению организаций Минобщемаша, тем, что стоимость некоторых крупных работ по модернизации двигателей РД-170 и РД-0120 отнесена на программу "Энергия"-"Буран". К этому утверждению присоединился Центральный институт машиностроения Минобщемаша.
Вводилась резервная гвардия, борьба переместилась в область иллюзионно-экономических трюков. Упорно игнорируя материалы проекта, где показано, что модернизированные двигатели первой и второй ступеней необходимы при достижении максимальной грузоподъемности, до 40-50 т, а при использовании существующих двигателей без изменений грузоподъемность будет не ниже 30-35 т, в свои расчеты они закладывают стоимость модернизации как стоимость новой разработки двигателей, то есть ровно столько, сколько они "потянули" по затратам за десять лет разработки "Энергии". Логики нет - одна цель, а цель, видимо, оправдывает средства.
Стремление получить грузоподъемность выше 30 т было только потому, что ряд организаций авиационного направления утверждали, что ГК-175 не потянет и пяти тонн. Это не удивительно: в среде разработчиков крайние утверждения были с любой стороны. Эти высказывания использовали "вершители судеб" разработок как считали нужным.

 

МОСКВА, 25 июл — РИА Новости. Центр Хруничева завершил разработку предложения по созданию многоразовой ракеты и передал документы на оценку в головной научный институт Роскосмоса ЦНИИмаш, сообщили РИА Новости в дирекции по коммуникациям Космического центра Хруничева.

"Материалы по многоразовой тематике переданы в ЦНИИмаш. Там должны их изучить и дать свое экспертное заключение", — сказали в дирекции.

Ранее сообщалось, что Центр Хруничева выполняет проектно-поисковые исследования по ракетам-носителям с многоразовыми первыми ступенями. Рассматриваются различные схемы, включая вертикальную посадку, парашютно-реактивную систему спасения и крылатую схему возвращаемой ступени.

Это не первый проект в области многоразовых ракет, разрабатываемый в России. Ранее сообщалось, что Фондом перспективных исследований совместно с Роскосмосом и Объединенной авиастроительной корпорацией завершено аванпроектирование легкой многоразовой ракеты. Разработчики опираются на исследования, проведенные в Центре Хруничева в начале 2000-х и в 2011–2013 годах по созданию многоразового крылатого блока для ракет "Ангара". Тогда создание крылатой ракеты признали экономически нецелесообразным шагом.

О возможности создания своей многоразовой версии ракеты среднего класса "Союз-5SL" заявила групп S7, владеющая проектом "Морской старт". Проект многоразовой ракеты "Корона" разрабатывают также в Государственном космическом центре имени Макеева.
В настоящее время возвращаемые ступени в своих ракетах используют только американские компании Blue Origin и SpaceX. Они возвращаются на Землю и совершают посадку на своих ракетных двигателях.

В апреле, находясь на должности вице-премьера правительства, Дмитрий Рогозин заявил, что из-за географических причин Россия не может создать ракеты, как у Илона Маска, а должна использовать крылатую схему. По его словам, SpaceX запускает ракеты с Мыса Канаверал и "ловит" ступени на морскую платформу, а в российских географических условиях такой платформы быть не может.

РИА Новости Центр Хруничева завершил разработку концепции многоразовой ракеты - РИА Новости, 25.07.2018

 

Сверхтяжелая ракета SpaceX получила сертификат ВВС США

Falcon Heavy прошла сертификацию //  techno.bigmir.net

 

Успешное завершение сертификации, проводимой ВВС США для всех новых РН, означает, что такие носители признаются полностью подходящими для запуска в космос различных военных спутников. Стоит отметить, что процедура проведения сертификации длится достаточно долго, так как специалисты ведомства тщательно анализируют все имеющиеся данные о новой РН. Причём обычно для успешного прохождения сертификации требуется как минимум несколько запусков. Но в случае с Falcon Heavy ситуация оказалась иной: военным, видимо, хватило данных, которые предоставила им SpaceX после первого испытательного запуска ракеты в начале февраля 2018 года. Можно предположить, что на такое быстрое решение по ракете повлияло использование в ней очень многих технических решений из Falcon 9. Последняя уже использовалась для запусков военных спутников.

Источник: Сверхтяжелая ракета SpaceX получила сертификат ВВС США - ТЕХНО bigmir)net
© Techno.bigmir.net

 

Определен облик перспективной многоразовой ракетно-космической системы | Фонд перспективных исследований

Регистрация / Восстановить В рамках совместного проекта Фонда перспективных исследований (ФПИ), корпорации «Роскосмос» и Объединенной авиастроительной корпорации завершен аванпроект возвращаемого ракетного блока многоразовой ракетно-космической системы сверхлегкого класса. Система предназначена для вывода на солнечно-синхронную орбиту полезной нагрузки массой до 600 килограммов. При проектировании использован технологический задел проекта многоразового ускорителя «Байкал». Схема работы системы предусматривает отделение первой ступени ракеты-носителя на высоте 59-66 километров и ее возвращение в район старта с посадкой на обычную взлетно-посадочную полосу. //  Дальше — fpi.gov.ru

 

В "Ил" рассказали о дороговизне создания возвращаемой ракеты

"Роскосмос" рассматривает предложения по созданию возвращаемой ракеты-носителя, которая будет приземляться как самолет, сообщил генеральный директор ПАО "Ил" Алексей Рогозин. //  www.interfax.ru

 

Он сообщил, что в компании провели все расчеты, подготовили несколько вариантов использования таких систем. Рогозин отметил сложность проекта, так как объект будет лететь на гиперзвуке, а садиться как самолет на дозвуковой скорости.
"Создать это как объект практически невозможно, просто взять и начать проектировать такую систему - это как создать новый "Буран", вся страна сейчас должна начать этим заниматься, это очень дорого и не та степень актуальности",- отметил глава "Ил".

 

По его мнению, решения Илона Маска по вертикальной посадке ракеты на двигатель - "абсолютно прорывные".

"У нас на морскую платформу садиться некуда. "Роскосмос" совместно с Фондом перспективных исследований поставил задачу, как сделать так, чтобы посадка была самолетного типа", - отметил Рогозин.

 

Александр Железняков, академик российской академии космонавтики недоумевает, почему разработку возвращаемой системы «Роскосмос» доверил именно фирме Ильюшина, которую Алексей Рогозин возглавил в апреле 2017 года. «В свое время такими системами занимался и Туполев, и Мясищев и Микоян. Почему доверили ильюшинцам – непонятно».

Эксперт напомнил, что дороговизна и сложность реализации предложенной системы была понятна специалистам еще в 80-е годы, когда первые проработки этой темы были сделаны в рамках программы «Буран». Тогда для возвращения боковых ускорителей также помимо парашютного рассматривался способ их посадки по-самолетному.

По словам эксперта, популяризатора космоса, Виталия Егорова, в СССР и России все подобные проекты делались не ради экономической эффективности, а для набора опыта, и ради самой «многоразовости». «То, что мы сейчас слышим – это попытка предприятий использовать Маска для лоббирования своих проектов. А у «Ильюшина» сейчас есть более эффективный инструмент для лоббирования своего крылатого проекта, поэтому мы сейчас о нем и слышим — сын Рогозина теперь может лоббировать свой интерес активнее конкурентов, того же Хруничева или Мясищева, — считает эксперт.

– Ведь если бы «Роскосмос» действительно хотел конкурировать с Маском, он бы двигал «Протоны», самые дешевые ракеты, для которых не нужны миллиардные инвестиции, в отличие от возвращаемой ступени».

Поэтому, считает он, если какие-то работы по возвращаемым системам и будут вестись в России, то только с пропагандистскими целями, чтобы показать – «мы сами можем, сами с усами».
...
По мнению Егорова, вариант Маска с вертикальным возвращением ракет на «ноги» оптимален по сравнению с парашютными и «самолетными» системами. «Ноги требуют минимальной массы и доработки, чем остальные варианты. Посадить по-самолетному можно. Сэкономить на этом – нельзя», — считает он. – Ни один из подрядчиков «Роскосмоса» не заинтересован в том, чтобы сделать свою продукцию дешевле.

Ведь платит государство, и чем больше оно платит, тем исполнителю лучше».

«Кроме слов про удешевление пусков я пока реальных дел не видел. Тут надо не только декларировать и предлагать технические решения, но в первую очередь менять организацию производства, — рассуждает Железняков. – Чем берет Маск? Тем, что его изделия делает гораздо меньше людей с гораздо меньшими накладными расходами. Мы пока по этому пути не идем – оставляем накладные расходы прежними, и пытаемся уменьшить стоимость труда разработчиков и конструкторов».

Однако Железняков уверен, что, несмотря на сложности, за многоразовыми системами – будущее мировой космонавтики.

Отсутствие моря для посадки ступени на платформу в России в качестве причины отказа от вертикальной посадки Егоров называет «сказкой», ведь Маск успешно сажает свои ступени и на землю.

«Отсутствие моря для посадки – просто отговорка. У нас для посадки есть прекрасная казахская пустыня – бетонируй площадку и сажай ракету. Вообще никаких проблем нет, — это выдумка, чтобы обосновать крылатую схему, которую ильюшинцам делать интереснее. Причем экономическая эффективность этого никакая», — добавил он.

По его мнению, перспективы возвращаемых систем есть в России только у частных компаний. «S7 наверное – единственные, у кого есть реальный мотив сделать ракету, конкурирующую с Falcon 9», — предполагает Егоров.