9 10 2018

№9-10/2018
сентябрь-октябрь

• Вертолеты «Камов» над морем
• Гидросамолетостроение-2018
• Евроистребитель будущего
• МиГ-31 в Казахстане
• Премьеры Farnborough 2018

 

В продаже с 24 сентября

где купить?

На подступах к многоразовости: об экспериментах Маска по возвращению на Землю ракетных ступеней

фото: SpaceX фото: SpaceX

05 февраля 2016

22 декабря 2015 г. в ходе запуска низкоорбитальных спутников связи Orbcomm OG2 американской частной компании SpaceX Илона Маска удалось впервые успешно реализовать идею возвращения на Землю и мягкой посадки первой ступени ракеты-носителя Falcon 9FT для ее повторного использования. Тем самым на пути к созданию многоразовых транспортных ракетно-космических систем был сделан очередной важный шаг. Стоит заметить, что первые две попытки управляемой посадки стартовой ступени «фалькона» на специальное судно в море в январе и апреле 2015 г. завершились неудачно. Не удалось Маску закрепить декабрьский успех и в январе этого года: посадка на баржу опять окончилась разочарованием. Но глава SpaceX не теряет оптимизма и упорно продолжает развивать свою идею превращения ракетной системы Falcon 9 в многоразовую.

Необходимость повторного использования ракетной техники считается одним из основных способов снижения расходов на доступ в космос. Однако до сих пор результаты эксплуатации единственной реализованной многоразовой транспортной системы Space Shuttle повода для оптимизма не давали: стоимость разработки и эксплуатации повторно используемого корабля в пересчете на килограмм выводимого груза оказались выше, чем у равных по грузоподъемности одноразовых ракет-носителей.

Среди основных причин неудачи шаттлов называют снижение грузопотока на орбиту и назад по сравнению с проектными ожиданиями (3-4 полета в год в реальности против 24 по техническому заданию). Эксплуатация техники, созданной на основе решений 1970-х гг., к началу XXI века оказалась слишком хлопотной и неоптимальной, а затраты на межполетное обслуживание, вытекающие из этих решений – чрезмерными. В результате Space Shuttle ушел в историю, а идея многоразовости ракетных систем – нет. Только решать эту проблему теперь планируется по-иному.

Тактика нового «рыцаря многоразовости» – Илона Маска – базируется на нескольких положениях. По его мнению, до 70% стоимости пуска классической ракеты-носителя приходится на первую ступень, и «спасти» ее проще, чем остальные компоненты. Поскольку первая ступень отделяется при скоростях, соответствующих числам М=6–10, для ее защиты от тепловых потоков при возвращении в атмосферу в ряде случаев можно обойтись без экзотических технологий и дорогостоящих материалов. Спасать вторую ступень, вносящую в стоимость пуска не более трети, надо как минимум с околокруговой орбиты, что на порядок сложнее и дороже. На данном этапе, по мнению Маска, с этим можно подождать. Из таких соображений и родилась концепция частично многоразовой ракеты-носителя.

Как спасать ракетную ступень? Прежде всего, нужно дать ей «пережить» вход в атмосферу после возвращения из баллистического полета. Во-вторых, ее нужно мягко опустить на Землю. Если отбросить экзотику типа роторной посадки, наиболее проработанными представляются три способа: парашютный, по-самолетному (с помощью крыла) и вертикальное реактивное приземление. Каждому способу присущи достоинства и недостатки.

Парашют прост и весит мало, но его площадь прямо пропорциональна спасаемой массе и конечной скорости приземления, поэтому для первых ступеней больших ракет оказывается крайне велика. Вследствие невысокой точности парашютная посадка для американских ракет практически неизбежно приходится в океан. Приводнение для тонкостенных ступеней и жидкостных ракетных двигателей крайне нежелательно из-за проблем с коррозией под воздействием морского воздуха и соленой воды. Кроме того, спасенную ступень надо еще как-то доставить к месту повторного старта.

«Самолетный» способ обеспечивает точную посадку (например, на аэродром на острове вдоль трассы выведения ракеты), приемлемые механические и тепловые нагрузки. Но крыло, шасси и оперение не только дорого стоят (пример – Space Shuttle) – это дополнительная инертная масса, которая не помогает при выведении на орбиту и «съедает» львиную долю полезной нагрузки.

Маск изначально заявил, что «крыльям в космосе не место». При попытках спасения первых ступеней легкой ракеты-носителя Falcon 1 (2006–2009 гг.) разочаровался он и в парашюте. В результате, ставка была сделана на реактивную посадку.

Идея эта не нова: еще в начале 1960‑х компания Douglas предлагала одноступенчатый орбитальный носитель вертикального взлета и посадки многократного использования на базе технологий ракеты Saturn 5. Технически вертикальная посадка на маршевых ракетных двигателях была опробована два десятилетия назад в многоразовом демонстраторе DC-X (Delta Clipper Experimental Vehicle): в 1993–1996 гг. аппарат совершил 11 экспериментальных полетов, в ходе которых взлетал, зависал в воздухе, перемещался и маневрировал, а затем совершал реактивное приземление.

Компания SpaceX начала отработку данной техники на своем полигоне в Макгрегоре (шт. Техас), где в 2012–2013 гг. выполнил 8 полетов полномасштабный демонстратор Grasshopper («Кузнечик»), имитирующий первую ступень ракеты Falcon 9. Имея всего один двигатель и примитивное посадочное устройство, он взлетал и совершал вертикальную посадку. Пришедший ему на смену F9R-Dev1 был построен на базе стендовой первой ступени Falcon 9 v1.1, оснащался уже тремя двигателями и четырьмя раскрывающимися посадочными опорами. В апреле–августе 2014 г. он четырежды стартовал успешно, отрабатывая зависание и маневрирование и поднимаясь на высоту 1000 м. Пятый полет 22 августа 2014 г. завершился аварией: из-за сбоя системы управления наследник «Кузнечика» стал уходить из дозволенной зоны и был уничтожен в воздухе системой аварийного подрыва по команде с земли.

В дальнейшем мягкая посадка отрабатывалась в «штатных» миссиях. После выведения полезных грузов на орбиту первая ступень ракеты Falcon 9 совершала либо имитационное приводнение, либо реальное приземление на палубу специально оборудованного автономного судна ASDS (Autonomous Spaceport Drone Ship), оснащенного подруливающими моторами, которые обеспечивали точное позиционирование в океане, в т. ч. при плохой погоде.

Ракетчики Илона Маска дважды пытались посадить ракету на такую баржу. В первый раз, 10 января 2015 г., ступень села слишком жестко (был исчерпан запас гидравлической жидкости системы управления аэродинамическими рулями) и взорвалась. Вторая попытка, 14 апреля 2015 г., снова прошла не так гладко, как хотелось: из-за избытка боковой скорости ступень сломала две посадочные «ноги» и опрокинулась. Оба случая признавались частично успешными (в реальности – неудачными), и судно ASDS доставляло в порт лишь жалкие обломки ступени...

При запуске 22 декабря 2015 г. было решено приземлить первую ступень на сушу, в посадочной зоне LZ-1 (Landing Zone 1), специально оборудованной примерно в 10 км от места старта на мысе Канаверал (шт. Флорида, восточное побережье США).

С точки зрения энергетики ракеты посадка с возвращением к месту старта крайне невыгодна: после выполнения основной задачи выведения первой ступени приходится полностью гасить горизонтальную составляющую скорости (более 1 км/с), а затем фактически лететь по баллистической траектории назад. Однако при этом резко упрощаются процедуры перемещения приземлившегося изделия к месту повторного запуска или проведения ремонтно-восстановительных работ. Да и совершить посадку на устойчивую земляную или бетонированную площадку на суше проще, чем на покачивающуюся палубу судна в океане. Тем не менее, от посадки в океан (на плавучую платформу или остров по трассе выведения) не уйти – иначе невозможно минимизировать потери массы полезной нагрузки.

В этот раз задачу упрощало то, что ракета несла в космос 11 спутников Orbcomm OG2 общей массой чуть более 2 т (при штатной грузоподъемности свыше 13 т), и траекторию выведения на орбиту высотой свыше 600 км можно было сделать достаточно крутой, чтобы первая ступень не улетала слишком далеко от места пуска.

Старт и полет носителя прошли рутинно – все спутники оказались на орбите, близкой к расчетной. Но, естественно, публика (да и специалисты) ждала именно посадки. Ступень отработала примерно 145 с и отделилась на высоте 74,6 км при скорости 1,67 км/с. Поднимаясь в пассивном полете, она развернулась хвостом вперед и через 3 мин 50 с после старта повторно включила три из девяти маршевых двигателей. Проработав 30 с, они сформировали траекторию возвращения. Второе включение продолжительностью 28 с последовало примерно через 8 мин 12 с после старта, обеспечив снижение скорости (а, значит, и тепловых потоков) при входе ступени в плотную атмосферу.

Последнее включение длительностью около 32 с выполнил центральный двигатель непосредственно перед посадкой, примерно через 10 мин после старта ракеты. Ступень садилась в темноте, в клубах дыма. Лишь когда он рассеялся, публике предстало огромное 42-метровой высоты изделие, вертикально стоящее на своих опорах. Приблизившись к нему, обслуживающая команда убедилась, что приземление произошло в считанных метрах от центра посадочной площадки. Это был триумф!

По горячим следам команда Илона Маска решила закрепить декабрьский успех: 17 января 2016 г. с космодрома на авиабазе Ванденберг (шт. Калифорния, западное побережье США) запускался исследовательский спутник Jason 3. Власти штата не дали разрешения на пролет ступени через природоохранную зону на суше, поэтому было решено сажать первую ступень ракеты на палубу ASDS. Выведение на орбиту было успешным, а посадка удалась... почти.

После разделения первая ступень ушла от пламени двигателя второй ступени, затем развернулась хвостом вперед и выдала короткий тормозной импульс, который начался через 4 мин 30 с после старта. Снова работали три двигателя из девяти. Второе включение длительностью 25 с состоялось после того, как ступень снизилась до высоты 70 км. В третьем импульсе, через 8,5 мин после старта, был задействован только центральный двигатель – он обеспечивал окончательное торможение и мягкую посадку ступени на палубу баржи.

Кадры видеоролика, выложенные SpaceX, показали почти идеальный подход. Когда ступень опустилась на судно, казалось, успех достигнут. Но не тут-то было: сразу после касания ступень начала заваливаться набок (было видно, как подломилась одна из опор), рухнула и взорвалась.

Несмотря на январскую неудачу, очевидно, что технические проблемы реактивной посадки на палубу баржи будут вскоре решены. Гораздо больше сомнений – в экономической целесообразности повторного использования ракетной матчасти. Маск утверждает, что в идеале первая ступень попадет на Землю в целости и сохранности, и затраты на запуск сведутся лишь к стоимости ее заправки (и, конечно, к изготовлению новой второй ступени). Звучит заманчиво, но что будет в реальности?

Затраты на обеспечение пусков транспортных ракетно-космических систем складываются из стоимости разработки, производства и эксплуатации. В случае повторного использования из них вычитается цена одноразовых элементов, которые заменяются многоразовыми, но добавляется стоимость ремонтно-восстановительных и регламентных работ. Последние необходимы, поскольку у многоразовых систем – в отличие от одноразовых – из-за расходования ресурса от пуска к пуску надежность снижается. Именно затраты на ремонт, восстановление и подготовку к следующему пуску являются той самой неопределенной переменной в экономике многоразовости.

Глава компании SpaceX оценивает затраты на ремонтно-восстановительные работы всего лишь в 1% от стоимости пуска (в общем-то, не такие уж маленькие цифры, учитывая, что запуск полезной нагрузки с помощью ракеты Falcon 9 обходится заказчику в 60 млн долл. и выше). Однако эти оценки нуждаются в практическом доказательстве. Для обеспечения повторного использования нужны серьезные вложения в ремонтную инфраструктуру и склады запчастей. Проблемой может стать подготовка двигателей: их необходимо полностью очистить от сажи и коксовых отложений. Поэтому, с точки зрения ряда специалистов, расчеты Маска выглядят слишком оптимистичными.
Кроме того, как показывает опыт, повторное использование матчасти окупается лишь при большой частоте пусков. Например, в 1960-х гг. пришествие многоразовых транспортных ракетно-космических систем ожидалось на фоне прогнозов о росте числа запусков до 200 в год только в одних Соединенных Штатах! Как известно, эти предположения не подтвердились.

Несомненно, нынешние достижения делают честь главе и инженерному персоналу SpaceX: в конце концов, именно им удалось впервые в мире вернуть и мягко посадить ракетную ступень немалых габаритов после реального космического запуска. Однако экономическую эффективность повторного использования материальной части ракеты еще предстоит доказать на практике.

 

Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" № 3/2016

cover01

№1-2/2019
январь-февраль

• Российское самолетостроение:
  итоги 2018 года
• Скоростные вертолеты
• Су-30СМ в Казахстане
• Аэропорты России
• Космические итоги года 

В продаже с 12 февраля

где купить?


separator

Интервью

09 ноября 2018

Максим Литвинов: «CR929 – проект…

Презентация полноразмерного макета кабины экипажа и отсека салона перспективного российско-китайского дальнемагистрального пассажирского самолета CR929 стала одним из главных событий авиасалона Airshow China 2018 в Чжухае. Корреспондент «Взлёта» Михаил…
20 августа 2018

Аэросила: капитализация интеллектуального…

Одним из направлений реализуемой в настоящее время программы импортозамещения части бортовых систем современного российского пассажирского самолета Superjet 100 является замена зарубежной вспомогательной силовой установки на отечественную, создаваемую…
20 июля 2018

«Аэроприбор-Восход» – для военной авиации

Почти три четверти века входящее в состав КРЭТ акционерное общество «Аэроприбор-Восход» работает в интересах аэрокосмической отрасли. Многофункциональные аэрометрические системы, разработанные и производимые АО «АП Восход», устанавливаются практически на…
15 мая 2018

Инновационная аэрометрия для вертолетов.…

Традиционным участником международных выставок вертолетной индустрии HeliRussia является московское АО «Аэроприбор-Восход» (входит в состав КРЭТ), специализирующееся на разработке и производстве информационных комплексов и систем воздушных сигналов,…
30 апреля 2018

Жюльен Франьятт: «Работать в России…

В конце 2017 г. главой представительства Airbus в России был назначен Жюльен Франьятт, до этого четыре года руководивший российским представительством Airbus – Коммерческие самолеты. Теперь он представляет интересы всех трех поразделений компании в…


separator

Обзоры

Московский аэропорт Шереметьево в 2018 г. подтвердил свое лидерство в России, обслужив более 45,8 млн пассажиров – на 14,3% больше, чем годом ранее. Фото: Сергей Сергеев
06 февраля 2019

Аэропорты России – 2019

Минувший 2018 г. стал итоговым для ряда проектов развития отечественной аэропортовой отрасли, которая на протяжении нескольких лет готовилась к приему Чемпионата мира по футболу. Так, в прошлом году открылись новые терминалы в Шереметьево и Симферополе,…
Опытный образец скоростного вертолета комбинированной схемы Sikorsky/Boeing SB-1 Defiant (Sikorsky S-100) был впервые представлен публично в конце декабря 2018 г. Фото: Sikorsky
02 февраля 2019

«Быстрые» вертолеты: SB-1 Defiant против…

Создание скоростных вертолетов и конвертопланов, сочетающих возможности вертикального взлета и посадки с высокой (более 400 км/ч) скоростью крейсерского полета, рассматривается как один из многообещающих с технической и коммерческой точек зрения…
Третий летный экземпляр МС-21-300 в цехе окончательной сборки Иркутского авиационного завода корпорации «Иркут», декабрь 2018 г. Фото: «Иркут»
30 января 2019

В ожидании МС‑21: производство и поставки…

Очередной ежегодный обзор «Взлёта» об итогах работы российской авиапромышленности за прошедший год в области производства и поставок пассажирских и транспортных самолетов – уже 13-й по счету. Напомним, первый такой обзор вышел в нашем журнале в начале…
К Международной космической станции, которая в ноябре 2018 г. отметила свое 20-летие, в минувшем году было осуществлено три успешных запуска пилотируемых кораблей с очередными экспедициями. На борту МКС в 2018 г. работали 15 космонавтов – пятеро россиян, семеро американцев (в т.ч. две женщины) и по одному японцу, немцу и канадцу. Фото: NASA
04 января 2019

2018 космический год

Как в будущем охарактеризуют историки минувший космический год? Возможно, его назовут обычным, рядовым, рабочим. Но, почему-то кажется, что 2018 г. завершает определенный этап в мировой космонавтике. Появились признаки, что он венчает собой период некой…
Новый агросамолет Т-500 и его поплавковый вариант Т-500А (на переднем плане) на «Гидроавиасалоне-2018». Геленджик, сентябрь 2018 г. Фото: Андрей Фомин
16 сентября 2018

Новые крылья над полями: Т-500 получил…

6 сентября 2018 г. Федеральное агентство воздушного транспорта России (Росавиация) выдало сертификат типа на специализированный сельскохозяйственный самолет Т-500 (МВ-500). Он стал первым в истории современной России сертифицированным летательным…


separator

Репортажи

Фото: Григорий Беденко
11 января 2019

В Талдыкоргане встретили новые Су‑30СМ: в…

В канун Нового года казахстанские военные авиаторы получили прекрасный подарок. На авиабазу Сил воздушной обороны Республики Казахстан в Талдыкоргане (до 1993 г. – г. Талды-Курган) поступили очередные четыре новых двухместных сверхманевренных…
Истребители пятого поколения J-20 станут участниками Airshow China уже во второй раз, но в этом году их летный показ обещает стать более продолжительным и эффектным. Фото: Алексей Михеев
02 ноября 2018

Чжухайские зарисовки

6 ноября в Чжухае, в провинции Гуандун на юго-востоке Китая, начнет работу очередной, уже по 12-й по счету международный авиасалон Airshow China 2018. И хотя до официального открытия выставки еще остается несколько дней, сюда уже слетелось немало…
Пара китайских истребителей Shenyang J-11 (Су-27СК) – дебютанты учений «Мирная миссия». Фото: Илья Соловьёв
14 сентября 2018

Мирная миссия 2018

В течение шести дней в конце нынешнего лета – с 24 по 29 августа 2018 г. – на базе межвидового полигона войск Центрального военного округа неподалёку от г. Чебаркуль Челябинской области прошли очередные антитеррористические учения вооружённых сил…
фото: Григорий Беденко
01 августа 2018

МиГ‑31 на защите казахстанского неба

После того, как Президент России Владимир Путин во время оглашения ежегодного послания к Федеральному собранию 1 марта 2018 г. впервые рассказал о принципиально новых образцах российского оружия, среди которых был анонсирован и гиперзвуковой…
Серийно модернизированные патрульно-противолодочные самолеты Ил-38Н. Фото: Алексей Михеев
30 июля 2018

Небо главного военно-морского парада

В последнее воскресенье июля наша страна традиционно отметила День Военно-морского флота. В этот день на всех флотах и флотилиях ВМФ России прошли морские парады и другие праздничные мероприятия, а в С.-Петербурге и Кронштадте состоялся Главный…


separator