Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Ракетные «сосиски» и «сардельки» или проклятие неуниверсальности
lozga
01.jpg
Сверхтяжелые ракеты-носители времен лунной гонки прекрасны. "Сатурн-V" выглядит настолько рациональным и инженерно красивым, что можно понять происхождение аргумента сторонников "лунного заговора" - кажется, что такая замечательная ракета должна была бы летать до сегодняшнего дня. Но проблема сверхтяжелых ракет состоит в том, что они непригодны для обычных космических задач, для которых требуется меньшая грузоподъемность. Говоря простым языком, у вас есть грузовик "Урал", на котором вы пару раз в год возите удобрения, кирпичи или доски на дачу. Будете ли вы на нем каждый день ездить на работу в офис? Теоретически это возможно, но очень нерационально - мощный двигатель "ест" десятки литров солярки на сотню километров, не говоря уже о сопутствующих расходах или проблемах с парковкой. С космосом то же самое - "тяжелыми" стали называться ракеты грузоподъемностью двадцать тонн на низкую околоземную орбиту, а "сверхтяжелой" сейчас называют ракету с грузоподъемностью больше 50 тонн на НОО. Но не нужно думать, что изобретательное человечество легко отказалось от мечты получить универсальную ракету, которой можно каждый месяц запускать небольшие спутники, но один-два раза в год отправиться на Луну или дальше.

Исторический вариант - убрать одну ступень


Вот три ступени ракеты-носителя Saturn V:

02.jpg
Слева направо: первая ступень S-IC, вторая S-II, третья - S-IVB и полезная нагрузка (корабль "Аполло")

Очевидный вариант - убрать первую, самую тяжелую и мощную ступень. Но тут возникла проблема - вторая ступень была рассчитана на запуск на большой высоте после отделения от первой ступени, и ее двигатели просто не смогли бы оторвать ракету от стартового стола. В варианте Saturn INT-17 предполагалось заменить пять двигателей J-2 семью перспективными двигателями HG-3. Впрочем, от создания HG-3 быстро отказались, а наработки по этому двигателю через несколько лет будут использованы при создании двигателя RS-25 для Спейс Шаттла. В варианте Saturn INT-18 на ракету хотели добавить два или четыре твердотопливных ускорителя от ракеты-носителя Titan. Максимальная грузоподъемность достигла бы 66 тонн, а в некоторых более легких вариантах предполагалось убрать третью ступень S-IVB, и ракета бы состояла только из второй ступени S-II и твердотопливных ускорителей. Вариант Saturn INT-19 также дополнялся твердотопливными ступенями, но меньшего размера - предполагалось использовать первые ступени межконтинентальных ракет Minuteman. В самом легком варианте собирались поставить 4 ТТУ, в самом тяжелом - 12, причем четыре должны были включиться уже в полете после сброса восьми, запущенных вместе с двигателями S-II на земле. В таком варианте грузоподъемность ракеты составила бы 34 тонны.

03.jpg
Слева направо: Saturn INT-17, INT-18, INT-19

Второй, менее очевидный вариант - убрать вторую ступень. В этом случае главной проблемой становилась излишняя тяговооруженность первой ступени. Ракета с первой ступенью без изменений испытывала бы очень серьезные аэродинамические нагрузки, а полезная нагрузка подвергалась бы нежелательным перегрузкам. Вариант сохранения пяти двигателей F-1 и выключения части из них в полете выглядел плохо - в этом случае пришлось бы спустя всего 88 секунд выключать три двигателя, которые становились мертвым грузом. Но если сократить количество двигателей до четырех, то два из них надо было бы выключить на 146 секунде, а два оставшихся дорабатывали бы полностью до 212 секунды. В этом варианте ракета бы выводила примерно 60 тонн на низкую околоземную орбиту. Если пойти еще дальше и сократить количество двигателей до трех, то ни один из них не надо было бы выключать раньше. Хотя полезная нагрузка бы заметно упала - до 35 тонн.

04.jpg
Saturn INT-20

Ну и последний вариант - убрать третью ступень. В каком-то смысле этот вариант даже летал один раз - вместо третьей ступени в 1973 году в космос отправили разработанную на ее базе орбитальную станцию Skylab массой 77 тонн. Для другой полезной нагрузки пришлось бы перемещать систему управления с третьей ступени на вторую, но это было бы очень небольшое изменение. Такой вариант получил индекс Saturn INT-21.

05.jpg
Фото запуска станции Skylab

В СССР дело обстояло более упорядочено. В проект ракеты Н-1 изначально хотели заложить такую модульность - ракета Н-111 должна была начинаться от третьей ступени и выводила бы на орбиту пять тонн. Ракета Н-11 дополнялась второй ступенью и выводила бы примерно 20 тонн. А полный вариант, ракета Н-1 с огромной первой ступенью выводила бы на орбиту 90 тонн.

06.jpg
Н-111, Н-11, Н-1

К сожалению, эти интересные проекты по обе стороны океана ждала одинаковая судьба - по политическим мотивам они были закрыты. В США приступили к созданию шаттла, а в СССР новый главный конструктор Глушко вынашивал идею своей универсальной ракеты, из которой потом выросла "Энергия".

Современный вариант - модульные ступени пакетом


Мейнстримом двадцать первого века стал другой подход. А что если сделать универсальные ракетные модули, и для получения нужной грузоподъемности использовать разное их количество? Захотели легкую ракету - поставили один модуль, среднюю - три, тяжелую - пять или семь. Меняя верхние ступени можно еще более гибко настраивать ракету под конкретную полезную нагрузку. В России это, конечно же, ракета "Ангара" с диапазоном от двух до 25 тонн, с возможными вариантами на 35 тонн (А5В с верхним водородным блоком) и 50 тонн (вариант с 7 УРМ, которому потребуется отдельный старт).

07.jpg
Различные варианты "Ангары"

Кроме того, в инициативном порядке ЦСКБ "Прогресс" разрабатывает проект РН "Союз-5" в вариантах от 8 до 22,5 тонн на метане

08.jpg



В США это РН Delta IV с диапазоном полезных нагрузок 8,5-25,9 тонн

09.jpg

РН Atlas V, для которой в 2006 году предложили вариант с тремя блоками. Грузоподъемность в этом случае окажется в диапазоне 9,7-29,4 тонны.

10.jpg
Стартует тяжелый одноблочный вариант с боковыми твердотопливными ускорителями

И Falcon 9 (13 тонн) с вариантом Falcon Heavy на 53 тонны, первый испытательный полет которого съехал на 2016 год.

11.jpg
Одноблочный вариант

Пытливый читатель спросит меня, а причем тут "сосиски" и "сардельки" в названии? Дело в том, что вариант с модульными блоками имеет свои сложности. Прежде всего, судьба ракеты определяется тем, насколько удачно выбран размер универсального модуля. Если сделать его слишком маленьким, то тяжелый вариант будет нерациональным, потому что модулей потребуется слишком много. Если сделать его слишком большим, то может потеряться гибкость настройки под конкретную полезную нагрузку. Из существующих ракет самые маленькие блоки у "Ангары" - диаметром всего 2,9 м. Поэтому вариант на 25 тонн требует целых пять блоков, а более тяжелые варианты и вовсе пока не реализованы в металле. Ракетой с самыми большими блоками окажется Falcon, где всего три блока обещают целых 53 тонны полезной нагрузки. Забавно, что долгое время на форумах увлеченных космонавтикой людей обсуждалась идея "тризенита" - ракеты с модульными блоками на основе РН "Зенит". Увы, жизнь "Зенита" фактически закончена, но зато Falcon по своим характеристикам больше всего похож именно на этот вариант. Гадать же о будущем этих ракет сейчас нет смысла - слишком многое нам неизвестно.
Кроме глобального выбора размера модуля есть и другие технические вызовы. Например, центральный модуль является фактически второй ступенью и должен иметь двигатель, способный дросселироваться (менять уровень тяги) в широких пределах - для того, чтобы не сбрасываться вынужденно вместе с боковыми блоками. Очень поможет модульным ракетам технология перелива топлива из боковых модулей в центральный, которая пока что нигде еще не реализована. Боковые блоки первой ступени можно пытаться делать многоразовыми и возвращать, а это уже совсем новые сложности.
Сейчас нас ждет интересное время - модульные ракеты только начинают летать. Посмотрим, как они себя покажут в грядущих десятилетиях.

Похожие материалы по тегу "облегчение доступа в космос".

Интересно? Подписывайтесь на обновления.

Записи из этого журнала по тегу «незаметные сложности»


промо lozga ноябрь 4, 2014 17:00
Разместить за 20 жетонов
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

  • 1
Проблема с развитием этой техники сводится к отсутствию потребности в развитии. Заказчики адаптировались к "ракетам на 20 тонн" и либо разрабатывают свою технику исходя из этого ограничения, либо не разрабатывают технику вне этого ограничения. Это весьма печальное состояние: отсутствие развития из-за отсутствия потребности в развитии -- это сбалансированное уравнение, или тупик. Чтобы разрушить тупик, нужно разбалансировать уравнение -- создать носитель вроде "Фалкон-Хэви", что позволит начинать новые проекты исходя из новых ограничений. Или возможно создание гарантированного нового спроса на полвека вперёд в новом классе (скажем, 100 тонн) ракет, что позволит начать новый проект ракет под это требование. Спроса такого не будет, поэтому есть лишь один вариант: новая ракета и принуждение к её использованию через экономическую целесообразность. Именно это, насколько я понимаю, экономическая основа "Фалкон-Хэви".

Да, замкнутый круг - нет сверхтяжелой ракеты - нет коммерческих полезных нагрузок - нет нужды в сверхтяжелой ракете. Один из вариантов его разорвать - универсальная ракета, которая может опционально быть тяжелой/сверхтяжелой.

если я правильно понял, двигатели второй ступени отличаются от двигателей первой только формой сопел? а что мешало при конструировании средней ракеты из 2 и 3 ступени ставить маршевые движки от первой, ну или сопла менять?) характеристики ведь примерно одни и те же вроде.

Бывает по-разному. На Saturn-V одинаковые двигатели стояли на второй (5 штук) и третьей (1 штука) ступени. Первая ступень имела другие двигатели. На Н-1 одинаковые двигатели стояли на первой и второй ступенях, но на второй была высотная модификация с другим соплом.

Честно говоря пытаться скрестить "ежа и ужа" с целью получения модульных ракет грузоподъемностью от 10 до 100 тонн - верх человеческой глупости. Американцы на это не пошли, а потому у NASA расчет и на Маска, с его "Фалконами", и на себя, в лице SLS, Дельты и Атласа. SLS тоже модульная, но ее нагрузка от 70 до 130 тонн (по сути это более модульный и усеченный вариант РН Арес-5, который планировался на нагрузку 188 т) и решения там несколько иные. Про Россию говорить не буду, т.к. уже весьма скоро выявится ее сильное отставание и от США и от Китая и от других стран в космической области. Тот, кто экономит на космосе - экономит на будущем.

SLS не модульная, там просто несколько этапов развития. А про то, что модульные ракеты в принципе реальны я писал в самом материале с примерами. 10-100 нет, но вот 14-50 (F9) или 2-14-25-35-50 (Ангара) вполне себе разрабатываются.

Ну 70 и 130 это не этапы развития а варианты носителя. Там даже градация 70-105-130 тонн по задумкам. И если проводить сравнение с Арес-5 то определенная "модульность" налицо. Про "10-100" тонн, то это "голубая мечта" Роскосмоса, жаждущего сэкономить, но скорее он получит больше проблем, т.к. "Ангара" создавалась непонятно подо что, когда "Фалкон", совершенно ясно, изначально создавался под коммерческие запуски.

Слегка перефразируя поэта:
"Печально я гляжу
на эти поколенья"...

P.S. Вообще универсальность это палка о многих концах. Чисто ИМХО, будущее за одноступенчатыми воздушно-космическими системами, но когда это будет.

Edited at 2016-01-11 06:28 (UTC)

По крайней мере в вики пишут про апгрейд для повышения характеристик. Я сейчас не помню источники но у меня сложилось мнение, что ее будут апгрейдить, и первые варианты не рассматриваются как постоянные.

Ну вообще-то зоопарк легких ракет Ангара и Союз-2.1в вполне себе закрывают, тут получилось отлично.

Для одноступенчатой ВКС надо двигатель, который пока не умеем делать. И не надо про Skylon - двигатель в сборе они тоже еще не скоро сделают.

> По крайней мере в вики пишут про апгрейд для повышения характеристик.

Может быть, хотя если надо выводить груз 70 т, то нет смысла использовать все "по полной". Мне показалось, что там просто варианты под разную нагрузку.

> И не надо про Skylon - двигатель в сборе они тоже еще не скоро сделают.

Это пока концепция. Подобных в 60-х годах и в СССР и в США было немерено. Даже если когда-то и взлетит, то толку будет не очень много. Все=же будущее, как мне кажется, за чем-то иным.

По своим характеристикам, если смотреть в весьма близкой перспективе, то я лично считаю, что альтернативы атомным ракетным двигателям, для начала твердофазным, нет, т.к. только они могут обеспечить необходимую тягу, имея при этом достаточно высокий удельный импульс порядка 1000 секунд. Но разработки были прекращены в США в 70-е и в СССР в 80-е, хотя были достигнуты весьма приличные результаты. Испытания подтвердили практически отсутствие радиоактивных загрязнений.

Что до более отдаленного времени, хотя, кто его знает, насколько оно может быть отдаленным, будущее за двигателями, построенными на "иных физических принципах", благо положение дел в физике сейчас напоминает аналогичное в конце 19 века. Чисто личное мнение.


Ядерные двигатели слишком грязные, чтобы на них с земли стартовать. А в космосе уже эффективней связка ядерного реактора и ионных двигателей.

а какой смысл в ракетах с грузоподъемностью 50-70 и больше тонн?
что, собственно, такое большое запускать то?
это ладно, в 60-х, запускали к луне все за один раз, но сейчас не логичнее ли запустить несколько отдельных модулей, собрать их вместе на орбите и пусть уже летят (падают?) куда надо..

Одним пуском к Луне полететь, 3-5 пусками к Марсу, например. Собирать не всегда удобно.

но это универсальнее (одни и те же рн).. и надежнее, если одна из ракет не взлетит, можно вывести резервный блок, а не терять всю станцию(~)..

  • 1
?

Log in

No account? Create an account