Что отваливается у ракеты при взлете
Почему ракеты взлетают
Любовь Карась
Один из популярных детских вопросов «Почему ракеты летают?» для многих остается без ответа. Изучение космонавтики требует глубоких знаний по физике, ракетостроению, астрономии и в других отраслях. Т&Р объясняют, как происходит одно из самых завораживающих научных событий, и рассказывают, благодаря чему ракеты сохраняют скорость, не переворачиваются и преодолевают силу притяжения.
Как устроен реактивный двигатель
Русский революционер и изобретатель Николай Кибальчич создал первый в мире проект аппарата с реактивным двигателем. Однако ученый был казнен. В начале XX века эту идею стал развивать К.Э. Циолковский. Ученый разработал саму схему реактивного двигателя, который работал на жидком топливе.
Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. В основе ее устройства лежит принцип, согласно которому всякое действие рождает противодействие. Ракета летит, выбрасывая определенное вещество из своей хвостовой части. Несмотря на всю эту простоту, ракеты разрабатывались и совершенствовались в течение более чем семисот лет.
Луис Блумфилд. «Как все работает. Законы физики в нашей жизни»
Движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил
Аналогично этому работает реактивный двигатель. Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру, смешиваются, сгорают в зоне горения, выделяя огромное количество тепла, которого достаточно для движения.
Траектория полета
Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.
Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол. Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.
Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты
Как обеспечивается устойчивость ракеты
Действие трех скоростей
Почему ракета белеет перед стартом
Спецкор “МК” проводил на орбиту корабль “Союз”
“Ой, мамочки! Я же такого никогда в жизни не видела!” — кричала стоявшая рядом со мной туристка из Санкт-Петербурга. Так, под многочисленные возгласы восхищения и бурные аплодисменты сотен зрителей, взмывал 8 июня в небо Байконура пилотируемый космический корабль “Союз ТМА-02М”. Как готовили к старту ракету и космонавтов — в репортаже корреспондента “МК”.
Корреспондент “МК” возле ракеты “Союз ТМА-02М”. Фото: Наталья Веденеева.
Зачем с космонавтов снимают слепки
К запуску пилотируемого космического корабля, словно к празднику, на Байконуре начинают готовиться чуть ли не за два месяца. Блоки ракеты-носителя (РН) прибывают в спецвагонах по железной дороге из Самары (там находится предприятие по производству РН — ЦСКБ “Прогресс”). Головная часть прилетает самолетом из Ракетно-космической корпорации “Энергия”, что в подмосковном Королёве.
И лишь за две недели до старта в пышущие жаром казахские степи подтягиваются космонавты. В этот раз честь отправиться к Международной космической станции выпала Сергею Волкову (сыну летчика-космонавта Александра Волкова), японцу Сатоси Фурукаве и американцу Майклу Фоссуму. Одно из первых запланированных мероприятий для них — знакомство с космическим кораблем в монтажно-испытательном комплексе (МИК) РКК “Энергия”. Здесь члены экипажа обязательно примеряют скафандры, проверяют их на герметичность. Своеобразной дополнительной примерки требуют и специальные кресла-ложементы, представляющие точные, индивидуальные слепки тел космонавтов. Они нужны для того, чтобы скелет не раздавило во время стремительного взлета со скоростью 7 км в секунду, ведь на организм в эти минуты действует сила, от полутора до трех раз превышающая силу земного притяжения.
Спаниель для ракеты — лучший защитник
За три дня до старта в 7.00 по местному времени (в 5.00 по московскому) ракета-носитель “Союз-ФГ”, состыкованная с головной частью “Союза ТМА-02 М”, выплыла лежа из МИКа ЦСКБ “Прогресс”… Еще со времен Королёва головная часть может устанавливаться на РН и следовать к месту старта в более удобном — горизонтальном положении. В отличие от многих европейских космических аппаратов она превосходно выдерживает любые боковые нагрузки.
Под запретом металл и зажигалки
И вот ракета прибыла на ту самую площадку, с которой 50 лет назад взмыл в небо первый космонавт Земли. Только от осознания этого мурашки по коже бегут, несмотря на 35-градусную жару. Специальные подъемные механизмы устанавливают “Союз” в вертикальное положение, и тут сотрудники стартовых расчетов приступают к обслуживанию всех систем ракеты на новом месте — в ней постоянно должен поддерживаться особый температурно-влажностный режим. Специалисты поднимаются на лифтах до самого верха. И при этом не дай бог им иметь при себе хоть один металлический предмет, даже ключи от дома они вынуждены оставлять за пределами гагаринского старта. Такое правило установлено неспроста — случайно оброненный металлический предмет, ударившись о детали фермы, может высечь искру и вызвать возгорание. Поэтому все инструменты, даже молотки и гаечные ключи, у специалистов стартового расчета медные (этот металл не высекает искр) и вдобавок ко всему привязаны к рукавам рабочих комбинезонов. Естественно, под запретом на старте и сигареты с зажигалками.
Почему ракета меняет окраску
— Как выдумаете, почему головная часть ракеты всегда белая, а носитель белеет только перед стартом? — задал мне каверзный вопрос один из старожилов Байконура. Оказывается, это происходит за 2,5 часа до старта, когда в баки заливают топливо — керосин и жидкий кислород. Именно из-за низкой температуры последнего (-255°С) на стенках ракеты образуется 3-сантиметровый слой инея, придавая ступеням белый цвет. Лишь после заправки топливом в ракету заходят космонавты, и начинается предстартовый отсчет времени. За полчаса с площадки № 1 эвакуируют в специальные подземные бункеры всех сотрудников. Ближе всех к ракете располагается главный бункер управления, в котором в момент старта находится около 20 сотрудников. Из средств спасения у них только 3-метровое углубление, противогазы да белые бетонные столбики на поверхности, словно зубья расчески, воткнутые в землю. Оказывается, они очень эффективно рассеивают ударную волну во время старта. Можно себе представить, что творилось в бункере от этой волны, если на наблюдательной площадке в 1,5 км от взлетающей ракеты земля вибрировала под зрителями, словно при землетрясении.
Стартовавший экипаж должен отработать на МКС 161 день — до 16 ноября. За это время им надо принять последний американский шаттл, три российских грузовых корабля “Прогресс” и совершить два выхода в открытый космос.
А что, если раскрутить ракету и, как камень, метнуть в небо? Таким может быть будущее космонавтики
Что нового можно выдумать в ракетной отрасли? Заполняем несколько ступеней топливом, ставим на стартовый стол, поджигаем и надеемся, что все это не развалится в полете и доставит на орбиту целой и невредимой полезную нагрузку. Так человечество делает со времен запуска первого советского спутника. Американский стартап SpinLaunch предлагает метать ракеты с помощью высокотехнологичной пращи.
Этот космический стартап существует с 2014 года. В последние несколько лет завеса тайны над ним стала приподниматься, а нынешней осенью покров сорвали окончательно: в действии показали внутреннюю разработку — огромную вакуумную центрифугу, которая выплюнула в небо над американским штатом Нью-Мексико тестовую ракету.
В обычных ракетах бóльшая часть массы при взлете — это топливо. Очень много топлива, чтобы вывести совсем немного полезной нагрузки на орбиту. Подход SpinLaunch направлен на то, чтобы перевернуть «ракетное уравнение» с ног на голову. В итоге это драматично уменьшит размер ракеты, а также ее сложность и стоимость. Пока — в значительной степени лишь в теории, конечно же.
Забрасывать ракеты на орбиту собираются с помощью кинетической энергии вращения, которая в свою очередь генерируется благодаря электричеству, вырабатываемому ветром и солнцем.
Тут стоит сделать отступление и сказать, что те объемы топлива, которые сжигает ракета, чтобы оторваться от поверхности на первые десятки километров, это максимальное расточительство, с чем согласны буквально все. Есть разные идеи, как миновать этот этап, сделав запуск дешевле. Можно, например, доставлять ракету на высоту с помощью самолета-разгонщика, как это делает Virgin Galactic.
Тем не менее через несколько лет этот проект закрыли. Но идея с помощью кинетической энергии забрасывать ракеты на высоту не пропала.
Всю конструкцию величают суборбитальным ускорителем. Нынешняя версия — это всего лишь треть в диаметре от запланированной окончательной установки для коммерческих пусков. Но уже сейчас высота ускорителя, составляющая более 50 метров, внушает уважение. Авторы проекта говорят, что это тот размер, при котором компания может по-настоящему испытать свою технологию.
Внутри ускорителя в вакуумной камере находится вращающийся рычаг. На одном его конце закрепляют ракету с полезной нагрузкой, на другом — противовес, чтобы система не ушла в разбалансировку во время запуска. Все-таки раскручивать ракету приходится довольно долго, до очень высоких потенциальных скоростей. И если что-то в процессе раскрутки пойдет не так, и самой центрифуге, и близлежащим постройкам может грозить серьезная опасность.
Утверждается, что во время первого суборбитального полета тестовая ракета использовала около 20% мощности ускорителя и достигла испытательной высоты «в десятки тысяч футов». Формулировка размытая. Это может быть диапазон высот от 3 до 27 км.
На первой испытательной ракете не было двигателя. Его, как и другие внутренние системы, добавят в более поздних версиях. Говорят даже, что ракеты можно будет использовать повторно. Первую, мол, нашли, и она вполне подходит для дальнейших полетов и испытаний. А их в ближайшие полгода запланировано более 30. Все на суборбитальных высотах.
В теории система сможет доставлять на орбиту около 200 кг полезной нагрузки — несколько небольших спутников. А когда (и если) проект докажет свою коммерческую целесообразность, где-нибудь на американском побережье вырастет целая артиллерийская батарея центрифуг, которые будут выполнять по несколько десятков пусков в день. Звучит максимально амбициозно, но первый контракт с подразделением оборонных инноваций Пентагона на экспериментальный запуск на орбиту уже подписан. Правда, случится это еще не скоро.
«Это радикально другой способ ускорения снарядов и ракет-носителей до гиперзвуковых скоростей с использованием наземной системы. Речь идет о создании компании и системы космических запусков, которые будут выходить на коммерческие рынки с наименьшими затратами в отрасли для запуска»
Один из самых важных вопросов, который встал перед разработчиками архитектуры SpinLaunch на самом раннем этапе, — защита полезной начинки ракет от перегрузок. Специалисты изучали существующие промышленные образцы датчиков и систем с высоким ускорением. Среди них — беспилотные летательные аппараты с артиллерийским запуском, оборудованные выдвигающимися крыльями, силовой установкой и оптикой.
Не обошлось без практики. На 12-метровом прототипе, который был способен развивать нагрузку в 20 000 g, оценивали различные комплекты оборудования на ускорении в 10 000 g. Именно такие перегрузки в теории будет испытывать начинка во время запуска. Авторы системы утверждают, что испытуемые показали впечатляющую способность справляться с центростремительной средой.
Естественно, стандартные спутниковые системы придется адаптировать к таким нагрузкам, но материалы и процессы, которые используются в их производстве, подходят для кинетических запусков. Механизмы, батареи, силовые установки и даже солнечные панели можно юзать.
В тестах пошли дальше. По утверждениям самой компании, проверить которые нет возможности, даже немодифицированные смартфоны, экшен-камеры и объективы телескопов сохранились в итоге без повреждений.
«Из-за относительно небольшой массы резисторов, конденсаторов и электронных микросхем многие существующие конструкции можно эксплуатировать без каких-либо существенных модификаций».«Из-за относительно небольшой массы резисторов, конденсаторов и электронных микросхем многие существующие конструкции можно эксплуатировать без каких-либо существенных модификаций».
«Хотя ракета не повреждается при входе в атмосферу, мы спроектировали ее таким образом, чтобы она могла выдержать временные высокие температуры. Верхушка конструкции действует как теплоотвод, поглощая любые аэротермические нагрузки, которые возникают во время полета. Тепловая нагрузка меньше, чем в других промышленных примерах высокоскоростного полета».
Если все так просто, почему запускать ракеты, раскручивая их в центрифугах, не додумались раньше? Ну во-первых, человека в такую все-таки лучше не сажать. А во-вторых, только на нынешнем этапе развития науки и техники появились углеродное волокно и миниатюрная электроника, подходящие для кинетических запусков.
Надеемся, что спустя полгода тестовых запусков SpinLaunch сможет поделиться более детальной информацией о результатах своих тестов, поведении ракеты, достигнутых высотах и стабильности работы центрифуги. Мы продолжаем следить за проектом.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Жители алтайского края могут наблюдать невероятную красоту каждый день — это и могущественные горные вершины, припорошенные снегом, и густые сосновые леса, и озера с водой такой чистой, что можно увидеть дно. Горы заселены не очень густо, от деревни до деревни иногда приходится ехать несколько часов. Но местные жители не скучают, их жизнь полна забот — пасти овец и коров, позаботиться об огородах и заодно собрать останки космических кораблей.
Алтайский регион находится прямо под траекторией полетов ракет с космодрома Байконур. Каждый раз, когда от ракеты отсоединяются топливные баки, пустые ракеты-носители и другие части, все это обрушивается на алтайский регион, пугая местных жителей, а иногда даже убивая местный скот и разрушая местные дома. Нередко правительству приходится возмещать деревенским жителям ущерб, если их имуществу нанесен серьезный ущерб.
Считается, что с момента открытия космодрома в 1955 года на землю упало более 2500 тонн различных частей ракет. Например, космонавт-испытатель С.В. Кричевский дал такие сведения: с 1986 по 2001 годы по программе станции «Мир» было запущено 102 ракеты-носителя, которые весили около 40 тысяч тонн. Но при этом полезный груз составлял только 2%, а остальное — это отходы, из которых 90% — это токсическое ракетное топливо, и 8% — это отработанные ступени носителей, падающие на землю.
Местных жителей предупреждают о новом запуске за сутки. Обычно такие отходы падают в более-менее предугадываемых областях, но бывают и исключения. В 2008 году, например, многотонный металлический блок от ракеты упал прямо в деревню в непосредственной близости от жилого дома. В 2011 году на землю упали баки с топливом, которые взорвались при соприкосновении с землей, и от взрыва у всех домов в радиусе 100 км выбило окна.
Во время СССР, правительство было крайне заинтересовано, чтобы такие падающие обломки не попали в чужие руки — опасаясь западной разведки, которая могла бы узнать засекреченные технологии, они старались найти такие падающие части ракет сразу же после их падения и эвакуировать их. Сейчас эту миссию неофициально возложили на себя местные жители — но с совершенно другой целью.
После каждого запуска ракеты, местные жители выходят с биноклями, пытаясь увидеть место приземления частей ракет. Они едут на джипах, на лошадях с телегами к месту падения и паяльными лампами вырезают все ценные материалы — медные провода, сплавы титана и алюминия. Все, что нельзя сдать как металлолом или продать, сельские жители используют для обустройства своих домов — из космических ракет делают крыши для сараев, стены для курятников, туалеты и даже санки для детей.
Такие «дары с небес» можно было бы считать отличным подспорьем в хозяйстве, если бы они не были такими опасными для здоровья. При запуске ракет используется токсичное топливо, в состав которого входит гептил и его производные, азотный тетраоксид, которые даже в самых минимальных дозах вызывают сильные патологии и у людей, и у животных. Например, местные активисты связывают именно с деятельностью Байконура то, что в мае-июне 2015 года в Казахстане массово погибли сайгаки. С этим же связывают повышение уровня заболевания иммунодефицитом и раком у местных жителей.
Местные жители мониторят небо в ожидании падающих обломков. Фото: Jonas Bendiksen.
Такая проблема актуальна не только для России — китайский космодром также находится внутри континента, и все отходы от запуска ракет также падают на населенные регионы. Считается, что вред от таких запусков можно (относительно) минимизировать, если запускать ракеты в непосредственной близости от океана. Другим способом решить проблему является разработка более безопасного топлива — над этим работают сейчас сразу несколько организаций, включая NASA и ESA. А пока проблемы остаются актуальными.
Многоразовость. Как ракете вернуться целой после полёта?
Не многие знают, что над вопросом создания многоразовых ракет у нас в стране всерьёз задумались достаточно давно. Как гласят предания, однажды, боковой блок ракеты-носителя типа «Союз» (может это была и «Молния», сути не меняет) очень удачно приземлился. Обычно блок падает двигателем вниз, а тут упал необычным образом — баком вниз, а двигателем вверх. Может дерево задел, может порыв ветра закрутил, не понятно. Но сам факт остаётся фактом и двигатель по внешним признакам был в прекрасном состоянии. Ради интереса его сняли с обломков ракетного блока, поставили на штатный испытательный стенд, и он нормально отработал. После этого по отрасли поползли мысли, что многоразовость ракет и двигателей это не фантастика, а реальность. Говорят, «ЦСКБ-Прогресс», возглавляемое Д.И.Козловым, активно продвигало идеи многоразовых ракетных блоков в рамках темы «Подъём», которую свернули в угоду программы «Энергия-Буран» и её производной — РН «Зенит», на базе которой В.Ф.Уткин планировали делать своё семейство ракет-носителей. Вот такая история. Вообще, по истории многоразовых ракет и теории принятия решений в этой области, можно написать хорошую книгу, которая при должном подходе потянет на художественный роман. Но моей целью является рассказать о том, какие схемы обеспечения многоразовости ракетных блоков есть, почему именно они применяются, чем отличаются друг от друга и какие в них нюансы.
Думаю, всех, кто говорит о многоразовых ракетах в первую очередь вдохновляют самолёты. Эти крылатые машины активно летают, очень надёжны и обладают колоссальным ресурсом. И на них в отличии от ракет можно легко купить билет и полететь куда угодно. Поэтому многие фантасты, кинематографисты и инженеры-конструкторы рисуют в качестве многоразовой ракеты самолёт или ракету с крылом, где как минимум первая ступень садится на космодром по самолётному. Это классический подход, где все стараются по максимуму отталкиваться от достигнутого. Давайте постараемся разобраться, что же нужно ракетам, чтобы вернуться в целости и сохранности.
Вход в атмосферу
Для того, чтобы ракета-носитель вывела спутник на орбиту, спутнику (и последней ступени) надо сообщить скорость в районе 7800 м/с. Для понимания тут нужен порядок цифр, а не точные значения. При этом первая ступень в зависимости от конфигурации ракеты-носителя развивает скорость в районе 1600-3800 м/с. Так вот, при возвращении на Землю ракетный блок входит в атмосферу практически с той-же скоростью, с которой он отделился. Это можно сказать наши начальные условия. При входе в атмосферу ракетный блок испытывает сопротивление атмосферы, которое вызывает механические нагрузки и нагрев. Механические нагрузки (скоростной напор) пропорциональны квадрату скорости, а нагрев (тепловой поток) кубу скорости. При этом и скоростной напор, и тепловой поток прямо пропорциональны плотности атмосферы. Это самые важные соотношения, которые определяют способ вхождения в атмосферу и полёта в ней. И если для компенсации возрастающих нагрузок применяется простой подход — увеличение массы конструкции, то возрастающие тепловые потоки так не скомпенсировать. Тепловые потоки, которые может воспринять конструкция в единицу времени, однозначно определяются применяемым материалом конструкции или её внешней поверхности. При больших скоростях обычные конструкционные материалы просто плавятся. Но из этой ситуации нашли выход. Например, для спускаемых и возвращаемых космических аппаратов активно применяется абляционная теплозащита.
Спускаемый аппарат космического корабля типа «Союз» после приземления
Командный модуль космического корабля «Аполлон» после приземления
На картинках видно, что теплозащита обгорает и уносится. Это её основные свойства — аккумулировать энергию и уноситься прочь. Очень похоже на воду, которая за счёт кипения и испарения сохраняет строго определённую температуру. Но это совсем не многоразовая технология. Такие теплозащитные материалы очень дороги, весят достаточно много и после каждого полёта их надо восстанавливать или менять. На ВА ТКС даже отработали технологию восстановления абляционной теплозащиты после её «выпаривания». Но данная технология оказалась достаточно дорогой и по ряду причин дальше не пошли.
В США для Space Shuttle, а позже в СССР для корабля «Буран» были разработаны углерод-углеродные и кремниевые теплозащитные материалы, которые должны были обеспечивать малый вес и многоразовость.
Теплозащитное покрытие космического корабля «Буран»
Это стало возможно с применением для аппаратов формы планера. Благодаря большой площади поверхности, приходящей на единицу веса, аппарат гасил часть скорости в разреженных слоях атмосферы и входил в плотные слои уже с меньшими скоростями. А используя аэродинамическое качество при входе в атмосферу, аппарат преобразовывал вертикальную скорость в горизонтальную и за счёт этого достаточно плавно снижал свою высоту. Благодаря этим двум факторам удалось снизить тепловые потоки, приходящие на единицу поверхности, что вкупе с радиационным излучением тепла в окружающее пространство, позволило применить данные материалы. В дополнении к этому, планирующий спуск позволил снизить механические нагрузки и перегрузки, которые испытывал планер. В лабораториях углерод-углеродные и кварцевые плитки показывали превосходные результаты. Они эффективно сдерживали потребные тепловые потоки и активно излучали тепло обратно. За счёт низкого коэффициента теплопроводности конструкция космического аппарата не нагревалась выше допустимых пределов и сохраняла свои прочностные свойства. Но в реальности применяемые материалы были очень требовательны к соблюдению технологических процессов их изготовления и нанесения (приклеивания). Самой главной проблемой стала хрупкость материалов, которая никак не оценивалась в математических моделях при проектировании. Например, кварцевые плитки легко продавливались пальцем. Углерод-углеродные плитки с лёгкостью получали сколы на краях. Также кварцевые плитки при полёте в плотных слоях атмосферы от частиц пыли получали значительное эрозионное воздействие, которое требовало последующего восстановления. Часть же плиток просто отваливались в ходе эксплуатации. Всё это привело к тому, что данное теплозащитное покрытие в эксплуатации стало значительно дороже абляционных типов теплозащит. Ну и все наверно помнят катастрофу Шаттла «Колумбия», которая произошла 1 февраля 2003 года из-за повреждения теплозащиты. У корабля «Буран» тоже после первого (или последнего) полёта был серьёзный прогар теплозащитного покрытия, который к счастью был не столь критичным.
Как-же тогда обойти проблему теплового нагрева? А тут опять надо вспомнить, что тепловые потоки пропорциональны скорости в кубе. Как я писал выше, скорость первой ступени может быть раза в три меньше, чем у последней ступени. А значит ракетный блок ускорителя первой ступени при входе в атмосферу может нагреваться в 27 раз менее интенсивно, чем блок, спускаемый с орбитальной скоростью. То есть нам надо понизить скорость объекта, который входит в атмосферу. К сожалению, за счёт аэродинамической формы или аэродинамических эффектов так радикально снизить скорость не получится. Надо либо тормозить, либо просто не набирать такую большую скорость, как это делает первая ступень. Расчёты показали, что если планирующий аппарат развивает скорость до 2500 м/с, то он не испытывает того значительного нагрева, который требует применения специальных теплозащитных материалов. При этом в зализах крыла, на кромках и во всех теплонапряжённых местах необходимо применять титановые сплавы.
Последующие продувки проработанных аппаратов рекомендовали снизить скорость ещё значительней или подобрать аэродинамическую форму, снижающую теплонапряжённость кромок, зализов и подобных им мест. Для классических ракетных блоков значение такой скорости ещё ниже, так как он очень интенсивно погружается в плотные слои атмосферы. По результатам расчётов и реальных полётов оказалось, что ракетный блок не требует особой защиты при скоростях входа в районе 1200 м/с. При скоростях в районе 1400 м/с требуется местное применение специальных тугоплавких материалов или теплозащит. Тут мы видим, что потребное снижение скорости классических ракетных блоков очень значительное и отделять ракетные блоки при такой скорости полёта крайне неэффективно. Так какой выход? А очень простой — затормозить двигателями перед входом в атмосферу, чтобы обеспечить скорость входа в районе 1200-1400 м/с. Весь вопрос в разнице скоростей отделения и входа в атмосферу. Потребность в топливе на такое торможение можно достаточно точно оценить по формуле Циолковского, приплюсовав гравитационные потери на время торможения.
Мягкое приземление
Вот мы кратенько рассмотрели проблему входа в атмосферу для многоразовых ракетных блоков. А теперь кратенько про вопросы мягкого приземления, которое сохранит уже не перегретую конструкцию в целости и сохранности. Опять начнём с крылатой конструкции. Тут наверно сильно объяснять не надо. Все наверно видели, как садятся самолёты. Вот тут аналогичная схема, но с одной оговоркой. Так как такие аппараты не являются самолётами, то горизонтальная скорость их посадки достаточно высокая, что требует длинных посадочных полос высокого качества. На обычной полосе, как в Шереметьево, такой аппарат с большой долей вероятности потерпит крушение. С крылатыми аппаратами думаю разобрались.
А что делать с классическими ракетными блоками? Необходимо сделать так, чтобы при посадке конструкция не получила повреждений. Можно мягко спустить ракетный блок в воду, либо при помощи парашютов, либо за счёт торможения двигателями.
Плавающий ускоритель первой ступени Falcon-9
Такой вариант посадки в воду вроде всем хорош. Но есть пару проблем и практически нерешаемых задач. Не у всех ракет-носителей трассы полёта в зонах падения блоков проходят над водой. Например, при запусках с космодрома «Байконур» такую штуку вообще не сделать, с космодрома «Восточный» крайне проблематично. При контакте с морской водой многие сплавы и материалы начинают достаточно быстро разрушаться. Сама по себе вода может нарушить работоспособность многих механических и электронных систем. Существует проблема сушки блока и очистки от солевых отложений. При контакте с водой горячие элементы конструкции подвержены растрескиванию и получают эффект перезакалки. И в конце концов, качка добавляет нерасчётных нагрузок. Учитывая все эти факторы, посадка на воду специалистами обычно не рассматривается. А если и рассматривается, то достаточно быстро от этой идеи отказываются. Остаётся сажать ракетный блок либо на сушу, либо на морскую платформу.
Платформа добавляет проблем с качкой и дрейфом. Но эффективные системы стабилизации делают платформу для ракетного блока практически сушей. Хотя разработка таких систем стабилизации является дополнительной, но вполне решаемой задачей.
Посадочная морская платформа SpaceX
Далее необходимо определиться со способом посадки. Обычно первое, что предлагают — это парашют. Он всем знаком, вроде как понятен и привычен. Парашют позволяет при приемлемых его площадях и массах снизить скорость спуска до примерно 8-12 м/с. Но мягкую посадку он осуществить не сможет. Для этого дополнительно нужны тормозные двигатели и амортизаторы. Возможно применение только амортизаторов. Если мы хотим приземлить ракетный блок с перегрузкой 2g только при помощи амортизаторов и со скоростью 8 м/с, то в идеальном случае потребуется ход амортизатора 1,63 метра. Потребный ход амортизатора пропорционален квадрату скорости снижения и обратно пропорционален перегрузке. Кстати, формула для расчёта легко выводится из закона сохранения энергии. Надо только приравнять кинетическую энергию к потенциальной. Но продолжим про парашюты. У парашюта есть одно нехорошее свойство.
Классический купольный парашют не обеспечит точности посадки. Платформа с ним бесполезна, а на земле ракета приземлится на кочку или в лес. Для сохранения целостности ракетного блока он должен равномерно приземлиться на все опоры, либо вертикально, либо боком. А после этого он не должен накреняться, падать или катиться. На неподготовленной и заранее не выровненной площадке этого сделать не получится. Многие помнят, как несовершенство алгоритмов стабилизации баржи у SpaceX приводили к последующему падению ракетного блока. На кривой поверхности будет тоже самое. Даже при укладке боком ракетный блок на кривой площадке будет просто переламываться, как это было на испытаниях боковых блоков РН «Энергия».
Схема возвращения бокового блока РН «Энергия» (http://www.buran.ru)
Испытания сброса блоков показали, что при посадке они получали повреждения, не предполагающие их последующего использования. До испытания остальных стадий полёта дело даже не дошло.
Зная об этом, разработчики стали активно предлагать управляемые парашюты-крыло, которые теоретически позволяют спустить груз в точно указанное место. Но такие разработки упираются в несовершенство алгоритмов управления при быстро меняющихся средовых условиях (ветер. порыв и т.п.). Сейчас SpaceX активно испытывают данную технологию для спуска створок головного обтекателя. Помимо управляемого парашюта они используют корабль с огромной сеткой, который постоянно перемещается в попытках поймать створку. Результаты до последнего времени были не особо положительные, но и не безнадёжные. А в последнее время створки обтекателя всё чаще попадают в сеть.
Корабль SpaceX для ловли створок обтекателя
Чтобы решить проблему мягкой посадки парашютирующего ракетного блока моими коллегами, С.В. Антоненко и С.А. Белавским, был предложен вертолётный подхват парашютирующего ракетного блока.
Схема вертолётного подхвата ракетного блока
Преимуществом данной схемы является то, что не надо думать о подготовленной площадке и не надо тратить дополнительную массу на посадочные устройства (амортизаторы). К тому-же схема подхвата парашютирующих объектов в мире хорошо отработана и не вызывает больших вопросов. При необходимости подхвата в море можно использовать морские платформы. Ограничением данной схемы является масса ракетного блока и грузоподъёмность вертолёта. Так, самый большой в мире вертолёт Ми-26 сможет подхватить не более 16 тонн. У ракет семейства «Ангара» ракетный блок весит в районе 11 тонн, у РН Falcon-9 ракетный блок весит уже в районе 23 тонн.
С парашютами думаю закончили. А как-же можно обойтись без парашютов? Для этого можно применить двигатели, которые затормозят ракетный блок перед посадкой до скоростей порядка 1-2 м/с. Точнее посадить сложнее, но в перспективе думаю мы сможем говорить о 0,5 м/с и ниже. Последние крохи должны гасить небольшие амортизаторы. Следует учитывать, что в данной схеме необходима посадка на подготовленную площадку и правильная ориентация ракетного блока при выдаче тормозного импульса. То есть нужны органы управления и стабилизации. На данном этапе развития техники такие системы управления сделать особых проблем не представляет. Алгоритмы управления, наведения и посадки тоже поддаются созданию и отработке. А органы управления в виде газовых реактивных двигателей и аэродинамических рулей уже становятся классикой. Посадочные амортизаторы тоже достаточно неплохо на сегодняшний день отработаны и отработаны как минимум в двух исполнениях, от SpaceX и Blue Origin. Также при таком способе посадки имеются задачи гашения горизонтальных составляющих скорости и угловых скоростей. Но это тоже всё решаемо и даже неплохо отработано.
Посадка на сушу боковых блоков РН Falcon Heavy
Мы видим, что такая схема посадки (приземления) уже хорошо отработана и не таит в себе нерешаемых проблем.
Не куда попало
Наверно это всё о способах посадки. Но как же оказаться в заданном районе или на подготовленной площадке? Аппараты планирующего типа с крылом за счёт аэродинамического качества, как я и писал ранее, неплохо преобразуют вертикальную скорость в горизонтальную. Поэтому они зачастую собственным ходом долетают до посадочной полосы. А если дальности полёта не хватает, то применяются дополнительные воздушно-реактивные авиационные двигатели.
Ракетные блоки классических схем располагают небольшими возможностями по корректировке дальности за счёт установки аэродинамических рулей. Также они могут делать корректировку по дальности при тормозном импульсе, который применяется для снижения тепловых потоков. Но зачастую таких дальностей может не хватать. Посмотрим на наиболее логистически привлекательную схему, когда ракетные блоки возвращаются на космодром и их не надо дополнительно транспортировать на значительные дальности. Так вот, для реализации схемы с возвращением в точку старта, после отделения ракетного блока применяется дополнительное включение ракетного двигателя. При этом двигатель ориентируется так, чтобы обеспечить одновременно снижение скорости полёта и набора возвратной скорости к месту посадки.
Основным преимуществом такого корректирующего импульса является то, что после него основную корректировку по дальности ракетный блок делает, двигаясь практически в безвоздушном пространстве. Такой импульс можно применять не только для возвращения на космодром, но и для посадки практически на любую площадку.
Схема полёта Falcon-9
Для ракетных блоков с парашютами тоже можно применять комбинации корректирующих и тормозных импульсов ракетными двигателями, в прочем как и управление аэродинамическими рулями. Но следует учесть, что парашют потом всё равно в ходе своего функционирования наберёт случайную ошибку до нескольких километров. Про управляемый парашют-крыло я писал.
Заключение
Вот я рассмотрел все этапы полёта многоразовых ракетных блоков и попытался доступно объяснить, что и почему на этих этапах надо делать, чтобы многоразовый ракетный блок вернулся в целости и сохранности. В реальности конечно вопросов и нюансов на несколько порядков больше, но рассмотренные мной вопросы являются основными и определяющими для будущей схемы многоразового ракетного блока. Подытожим по схемам реализации многоразовых ракетных блоков. Основными по моему мнению являются: