На новом этапе развития многоразовой ракетно-космической техники

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
03 февраля 2022, 18:26
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены предпосылки активизации проектных исследований в области многоразовых систем в связи с новым этапом освоения Луны, строительства орбитальных станций и космического туризма, связанные с совершенствованием композиционных материалов и технологий. В ракетно-космической технике пришло время технических решений, открывающих повторное и многократное использование большей части конструкции, двигателей и бортового оборудования. Многоразовость исключена в боевых ракетах и созданных на их основе во второй половине ХХ в. ракетах-носителях, разгонных блоках и космических аппаратах различного назначения. Главное препятствие в создании многоразовой ракетно-космической техники — высокие тепловые, силовые и вибрационно-акустическое нагрузки, действующие на конструкции при движении с высокой скоростью в атмосфере. Концепции многоразовости, реализованные в проектах космических транспортных систем Space Shuttle и «Энергия — Буран», при всей революционности имеют ряд недостатков, оказывающих влияние на их экономическую эффективность.
Ключевые слова:
ракетно-космическая техника, многоразовое использование, анализ, прогноз, предпосылки, новый этап
Основной текст труда

Введение

Одноразовый транспорт — уникальное явление в технике. Однако долгие годы ракеты-носители, автоматические космические аппараты и пилотируемые космические корабли являются одноразовыми.

Первая причина такого положения обусловлена своего рода «наследственными признаками», вызванными переносом конструктивно- технологических решений, характерных для боевой ракетной техники, в ракетно-космическую технику (РКТ). Отличительные признаки боевой ракетной техники прежних лет: малые коэффициенты запаса силовых конструкций, ограниченный ресурс работы двигателей, жертвенный характер теплозащитных покрытий; преимущественно металлические материалы и сплавы умеренной стоимости, технологичные, но имеющие сравнительно низкую термостойкость, удельную прочность и жесткость; высокая доля механической обработки и сварки. Дело в том, что управляемая баллистическая ракета, как и любая другая, рассчитана на один полет к цели, отсюда выбор программы полета, материалов и технологий.

Другая причина — междисциплинарный характер и высокая сложность проблемы многоразового использования ракет и космической техники с учетом совокупности технических, производственных и эксплуатационно- экономических факторов. Создание многоразовой РКТ означает переход к новому качеству техники и предполагает одновременную интенсификацию исследований и разработок в тех областях науки, которые обеспечивают принципиальную новизну технических решений. В данном случае это — баллистика, аэродинамика, механика с разделами прочности, устойчивости, динамики, теплофизика, автоматическое управление, материаловедение, математика и информационные технологии.

Главными препятствиями в создании многоразовой РКТ являются высокие тепловые и силовые нагрузки, действующие на конструкции при движении с высокой скоростью в атмосфере. Отсюда необходимость особого внимания к выбору термостойких функционально стабильных материалов и соответствующих конструктивно-технологических решений.

Первые проекты многоразовых ракетно-космических систем

К числу первых проектов многоразовой ракетно-космической системы можно отнести проект суборбитального «антиподного» ракетоплана «Серебряная птица», разработанного E. Saenger и I. Bredd, в начале 1940-х гг. в Германии [1, 2]. Анализ специалистов США, проведенный в конце 1940-х гг., показал, что уровень температур корпуса «Серебряной птицы» был бы неприемлемо высоким для существовавших в то время марок сталей. Хотя уровень тепловых нагрузок был ниже, чем при баллистическом спуске в атмосфере, но длительность была намного выше, поэтому отвести накопленную теплоту, поступающую в конструкцию из-за конвективного нагрева, с помощью излучения было невозможно.

На новом уровне эту идею немецкие специалисты из Astrium Space Transportation пытались осуществить несколько раз в проектах многоразовых космических аппаратах (МКА) Saenger, Saenger-2, в том числе в проекте суборбитального МКА Hopper [3], но уже с применением композиционных материалов (КМ).

В 1954 г. фирма North American при поддержке NACA приступила к разработке экспериментального суборбитального ракетоплана X-15 [2, 4]. Корпус X-15 был изготовлен из сплава Inconel X с рабочей температурой около 650 °C (1200 °F). Этот материал был пригоден для кратковременных полетов со скоростью до 6 М, а для полетов при М > 6 потребовалось нанесение абляционного синтактного покрытия на ряд участков корпуса, включая носовую часть. Сплав Inconel X оказался недостаточно стойким для использования в проекте пилотируемого космического корабля, своего рода орбитальном аналоге X-15, когда температура могла превысить 1090 °C (2000 °F). Конкурс выиграл капсульный вариант корабля с абляционной тепловой защитой из полимерного КМ на полусферическом днище, получавший имя Mercury.

В полной мере идея многоразовости впервые была реализована в конструкции МКА Space Shuttle за счет использования комбинированной системы тепловой защиты. Эта система включала плиточную и гибкую тепловую защиту, а носовой обтекатель и передние кромки крыла были изготовлены из углерод-углеродного КМ с термостойким покрытием. Аналогичным образом была построена система тепловой защиты МКА Буран.

Слабыми местами проекта Space Shuttle оказалось систематическое отсутствие полной загрузки и весьма дорогое послеполетное обслуживание. Трудозатраты на осмотр и ремонт плиточной тепловой защиты оценивались на уровне 40 000 человеко-часов. Подготовка к полету занимала около 100 дней, а стоимость одного полета к моменту закрытия программы составляла около 775 млн долларов США.

В конце 1990-х гг. было признано целесообразным для перспективных МКА использовать съемные панели из КМ, заполненные легкой и термостойкой третьй теплоизоляцией с плотностью менее 100 кг/м3.

Интенсификация исследований и разработок

Исторический опыт свидетельствует, что заметная интенсификация исследований и разработок в тех или областях науки, происходит при реализации национальных программ. При открытии таких программ политическая воля национального руководства подкрепляется финансовыми ресурсами. Примером может служить Постановление Совета Министров СССР от 13 мая 1946 г. № 1017-419сс, давшее старт программе работ по управляемым ракетам дальнего действия. При выполнении этой программы. острое соперничество развернулось между коллективами ОКБ-1 С.П. Королева с его межконтинентальной ракетой Р-7 (8К-71) и фирмой Convair, создававшей ракету Atlas под руководством К.Боссарта (Karel Bossart) [4]. Обеими странами в 1957–1962 гг. ежемесячно проводились испытательные пуски этих баллистических ракет с систематическими отказами техники. Запуск в СССР первого искусственного спутника Земли стал мощным стимулом к дальнейшей интенсификации работ в области ракетно-космической техники.

Запуски искусственных спутников Земли и пилотируемые полеты в космос не только в СССР и США, но и в других странах также имели уровень национальных программ. Заметной вехой в освоении космоса стали работы по программам пилотируемых полетов к Луне “Saturn-Apollo” и «Н-1-7К-Л3», открытые в начале 1960-х гг. [5, 6].

Одним из элементов «Стратегической оборонной инициативы» президента США Д. Рейгана стал МКА Space Shuttle, варианты которого начали разрабатывать в конце 1960-х гг. В ответ в СССР в 1976 г. принято решение о создании аналогичной системы «Энергия — Буран» с универсальной ракетой-носителем, пригодной для вывода в космос не только крылатых МКА, но и тяжелых спутниковых платформ с мощными боевыми лазерами и трансформируемыми антенными рефлекторами для глобальной космической связи [7].

Современная растущая активность в освоении космоса связана с формированием многотысячных группировок малых космических аппаратах на околоземной орбите, созданием национальных и международных космических станций на орбите Земли и Луны, развитием массового космического туризма. Транспортные средства для каждого из перечисленных направлений предполагаются частично или полностью многоразовыми. Новые технические решения, разработанные компанией SpaceX, подтверждают возможность достижения высокого конструктивного и экономического совершенства многоразовой ракетно-космической техники.

Заключение

Многоразовость не является самоцелью. Можно сформулировать несколько направлений и выделить инструменты реализации многоразового использования объектов ракетно-космической техники:

  1. Тщательный технико-экономический анализ при выборе проектных решений с учетом вероятной полезной нагрузки на ожидаемый период эксплуатации. Рациональная кратность использования объектов ракетно-космической техники зависит от массы и объема полезной нагрузки, что прямо связано с планами космической деятельности. В этом смысле история с неполной загрузкой Space Shuttle весьма поучительна. Проектные решения должны учитывать ресурсные характеристики не только силовых конструкций, но и двигательных установок и бортового оборудования.
  2. Совершенствование методов и сокращение сроков проектирования. Наряду с использованием апробированных материалов заметный прогресс может быть связан с применением КМ, в ходе которого проектирование, производство и материаловедение неразрывно связаны между собой. Для повышения качества проектных решений целесообразно расширять применение методов параметрической и топологической оптимизации, многомасштабного структурного подхода. Сокращению сроков создания конструкций будет способствовать внедрение цифровых двойников на стадии разработки конструкторской и технологической документации.

  3. Разработка и применение новых материалов и технологий производства, повышающих стойкость конструкций к эксплуатационным нагрузкам и одновременно имеющих умеренную стоимость, лучшие функциональные характеристики. Актуально расширение работ в части применения термопластичных связующих при производстве конструкций из полимерных КМ, разработка конструкций из керамоматричных композитов, в том числе с градиентной структурой, интеллектуальных материалов, гибридных композитов, термостабильных аэрогелей. Активизации производства интегральных композитных конструкций может способствовать применение аддитивных технологий мультиматричной 3D-печати, роботизированных технологий выкладки и формирования сетчатых конструкций методами намотки, использование микроволнового излучения для отверждения термореактивных связующих в конструкциях из полимерных КМ.

  4. Освоение новых средств диагностики на всех этапах жизненного цикла, контролирующих текущее состояние конструкций и дающих прогноз на заданную длительность эксплуатации. Здесь речь идет о встроенных датчиках и элементах структуры КМ, которые в рамках идеи об интеллектуальных материалах, могли бы служить средствами диагностики.

  5. Совершенствование методов и средств наземных и летно-конструкторских испытаний. В настоящее время методы и средства испытаний (испытательные стенды и установки, летающие модели) позволяют не только проверить достоверность проектных решений, но и проводить оценку стойкости к действию природных, техногенных и антропогенных факторов, учитывать, деградацию материалов и покрытий, усталость, ползучесть, факторы внешней среды в условиях, воспроизводящих эксплуатационные. Для повышения информационной отдачи всех видов испытаний целесообразно шире использовать методы решения обратных задач для обработки экспериментальных данных, использовать инструменты искусственного интеллекта.

Литература
  1. Sänger E., Bredt I. The Silverbird story: a Memoir // Proceedings of the Third Through Sixth History Symposia of the Int. Academy of Astronautics “Essays of the History of Rocketry and Astronautics”. Washington, DC: NASA, 1977. Vol. 1. Pp. 195–288.
  2. Лукашевич В., Афанасьев И. Космические крылья. М.: ЛенТа Странствий, 2009. 496 с.
  3. Gockel W., Kyr P., Janovsky R., Roenneke A. Reusable RLV demonstrator vehicles — Phoenix flight-test results and perspectives // Proceedings of the 55th Int. Astronautical Congress. 2005. Vol. 25. Iss. 1. DOI: 10.2514/6.IAC- 04-V.6.04
  4. Launius R.D., Jenkins D.R. Coming home: reentry and recovery from space. Washington, DC.: NASA, 2011. 339 p.
  5. Гэтленд К. Космонавтика ближайших лет. М.: Воениздат, 1964. 416 с.
  6. The illustrated encyclopedia of space technology. A comprehensive history of space exploration. Ed. by K.Gatland. New York: Crown Publishers, 1981. 290 p.
  7. Кузнецов А.Н., Нестеров В.Е., Омелько В.А., Самусенко С.Г., Чернявский В.Ф. Многоразовая космическая система «Энергия — Буран». М.: ОмВ – Луч, 2004. 356 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.