Ракеты

[modest-so-zvezd.livejournal.com]

Оригинал взят у modest_so_zvezd в Ракеты

Незаметные сложности ракетной техники
http://habrahabr.ru/post/208048/

Строительство и эксплуатация ракет-носителей — это своеобразная «черная команда» космонавтики. Большая и сложная работа делается незаметно, а большинство лавров достаются разработчикам полезной нагрузки. Мы забыли о сложности задач, которые решаются при проектировании и производстве ракет-носителей. Эта статья призвана показать важность темы и представить небольшой ликбез тем, кто хотел бы узнать, «как оно летает».

Введение

Сделать собственный спутник может даже небольшая фирма, но только одиннадцать стран смогли собрать ракеты, которые доставили полезную нагрузку на орбиту. И то, например, Южная Корея купила первую ступень у России и получала её как «черный ящик». Почему так мало? Дело в том, что технологии ракет-носителей требуют очень высокого уровня развития науки и техники и много денег. Начать, наверное, стоит вот с этого видео:

Уже семьдесят лет, отсчет которых начался с первых пусков «Фау-2», ракеты так и норовят упасть. Конечно, сейчас им это сделать сложнее, и количество аварий измеряется процентами, а не десятками процентов, но сложность отрасли им подыгрывает.

Двигатель

Даже на простой научно-популярной схеме двигатель ракеты-носителя выглядит достаточно сложно. Что уж говорить о реальных схемах?



Откуда такая сложность? Дело в том, что всякие хитрые турбонасосы, регенеративное охлаждение, закрытый цикл и прочее применяются для того, чтобы повысить эффективность двигателя. Простейший ЖРД можно сделать практически в гаражных условиях (однокомпонентный МосГИРДа или с использованием 3D-принтера), но дальше хобби такой двигатель не улетит.

Турбонасосный агрегат

Главная задача турбонасосного агрегата — подавать горючее и окислитель. На это приходится расходовать часть энергии топлива, сжигая его в небольшой камере сгорания газогенератора.



Слева — схема ТНА РД-107/108 для семейства Р-7, справа — фото ТНА для РД-180 («Атлас-V»)

Турбонасосный агрегат работает в весьма жестких условиях. Например, взрывное разрушение ТНА привело к двум авариям советской «лунной» ракеты Н-1.

Камера сгорания

В камере сгорания расположены форсунки, через которые впрыскиваются горючее и окислитель. Одна из главных проблем, с которой столкнулись инженеры, — это неустойчивость горения. Любое случайное изменение потока через форсунки может породить скачок давления, который вызовет детонацию компонентов вместо равномерного горения и создаст проблемы вплоть до разрушения двигателя. Единственным рабочим решением оказалось разделение камеры сгорания на отсеки, изолированные друг от друга выдвинутыми форсунками или перегородками:



Слева — РД-107/108, в центре — РД-180, справа — F-1 (первая ступень «Сатурна-V»)

Сопло

А здесь главная проблема — отведение тепла. Температура в камере сгорания может достигать 2000 градусов Цельсия, а плотность теплового потока — 1-20 МВт/м^2, это сравнимо с годовой энергией от Солнца на м^2 в районе экватора.



Самым эффективным решением оказалось т.н. регенеративное охлаждение. Компонент топлива (обычно горючее) прокачивается в охлаждающей рубашке с внешней стороны сопла. Для этого в США придумали систему трубок, а в СССР — гофрированную проставку и фрезерованные ребра:



Слева — РД-10, 1933 год, первые эксперименты, по центру — схема ребер на РД-107/108, справа — LR-87, «Титан-2»

Кроме этого, около стенок ставят форсунки, которые выбрасывают топливо, создавая завесу от пламени. Таких завес может быть много (например, на двигателе Фау-2 было четыре пояса завесы). Вот пример завесы на схеме двигателя — три пояса завесы на РД-170:

Эффективность

Говорить об эффективности двигателя как интегральном параметре фактически невозможно. Потому что двигатель и ступень, на которой он стоит, — это сложный компромисс из множества параметров: технической сложности создания/доработки/производства, стоимости создания/доработки/производства, тяги, удельного импульса, давления в камере сгорания, наработанной в эксплуатации надежности и многих других. И эти параметры находятся в противоречии друг с другом. Простой в производстве и дешевый ненагруженный двигатель будет иметь посредственную тягу или удельный импульс, а двигатель с очень высоким удельным импульсом окажется сложным, ненадежным или слишком дорогим, достаточно часто встречается ситуация, когда проще поставить существующий двигатель с неоптимальными параметрами, потому что он уже есть и не требует вложений в разработку нового. Например, ракету «Космос-2» приходилось заправлять шестью разными жидкостями из-за того, что первая ступень была ракетой средней дальности, а вторую ступень разрабатывали позже и использовали другие компоненты топлива.

Ситуация осложняется тем, что на сегодняшний день технологии подобрались к физическому пределу эффективности топлива, и новый двигатель на известных принципах не будет качественно лучше старых.

Система управления

Система управления решает две сложные задачи: поддержание устойчивого полета и выведение полезного груза в требуемую точку пространства.

Поддержание устойчивого полёта

Почти все ракеты-носители в полете аэродинамически неустойчивы:





Другое название этой проблемы — «обратный маятник». И система управления поддерживает неустойчивое равновесие, обеспечивая нормальный полёт, парируя различные возмущающие воздействия.

Точность выведения

Современный цифровой «Протон-М» имеет следующие параметры точности выведения:

• Перигей ± 2 км


• Апогей ± 4 км


• Наклонение ± 1.8 угл.мин


• Время выведения ± 3 с

Если вы не играли в Orbiter или Kerbal Space Program, то очень сложно объяснить, насколько это высокая точность. Попробуйте представить, что вы девять минут, закрыв глаза, едете на машине, и с точностью ± 3 секунды заезжаете в гараж, который длиннее вашей машины на 8 сантиметров и шире на 2 сантиметра.

А как она работает?

Почему в примере с машиной из предыдущего абзаца надо было закрыть глаза? Потому что в космосе нет дорожной разметки, и современные системы не используют какие-либо внешние источники, а работают автономно. Инерциальная система навигации фиксирует изменения положения ракеты и ускорения, которые с ней происходят, вырабатывая управляющие сигналы на исполнительные механизмы. В системе управления есть т.н. гиростабилизированная платформа, на которой расположены гироскопы, фиксирующие положение, и акселерометры, фиксирующие ускорения. Сама платформа подвешена так, чтобы сохранять свое положение:





А выглядят они примерно вот так:



Слева — компьютерная модель платформы, которую делает центр им. Пилюгина, по центру платформа ракетного комплекса «Ока», справа — платформа американской МБР «Peacekeeper» на воздушном подвесе

Сейчас, благодаря развитию ЭВМ и техники на новых принципах, гиростабилизированные платформы постепенно уходят в прошлое. Традиционные гироскопы уже практически заменились на лазерные, а поворачивающиеся платформы заменяются на бесплатформенные системы, где гироскопы и акселерометры жестко закреплены на корпусе, а их данные обрабатывает компьютер. Кстати, гироскопы в бытовой электронике не вращающиеся и не лазерные — они вибрационные. Точность так себе, зато маленькие и дешевые.

Меры обеспечения надежности

В нашем несовершенном мире отказать норовит не только сложный двигатель, но и простой провод, датчик или клапан. Поэтому принимаются специальные меры:

• Исполнительные механизмы по возможности дублируются: при отказе одного элемента срабатывает запасной. Миссия Спейс-шаттла STS-112 чуть не окончилась катастрофой на старте, когда отказали основные детонаторы пироболтов, удерживающих боковые твердотопливные ускорители. К счастью, сработали дублирующие детонаторы, и пироболты разорвались все и в нужное время.


• Измерительные приборы троируются: ставится три комплекта датчиков, они «голосуют» и, в случае отказа одного из датчиков, два «здоровых» продолжают давать верную информацию. В авиации было происшествие, когда отказали два гирогоризонта из трех, и автопилот завел машину в пике. К счастью, вмешались пилоты, и катастрофы не случилось. С распространением компьютеров иногда добавляется четвертый «голос» (или третий вместо одного из датчиков) — математическая модель «как оно должно быть».

Заключение

Надеюсь, вам стала более знакома привычная и незаметная сложность ракетной техники, чтобы, после успешного выведения полезной нагрузки, порадоваться не только за неё, но и за ракету.

Comments

[kromlek.livejournal.com]

Как причастная особа могу ответить на технические вопросы по двигателям.

[one-wanna-live.livejournal.com]

Используются ли где-либо в ракетных двигателях композитные материалы (неметаллы)?
Имеется ввиду углеродные\стеклянные ткани со связующим.

[kromlek.livejournal.com]

На РД-861К (для многострадального Циклона-4) сопловой насадок из углепластика. На сколько я знаю - впервые в мире (по крайней мере, в Ля-Бурже в нулевых произвел эффект). Испытали удачно. Запатентовали вроде даже. Позволило сильно уменьшить массу камеры.

[modest-so-zvezd.livejournal.com]

скажите почему ракета летит вслепую, и лишь "Инерциальная система навигации фиксирует изменения положения ракеты и ускорения, которые с ней происходят",
а как же ГПС и астронавигация?

[myury.livejournal.com]

На правах любителя отвечу:
1. Большинство сейчас летающих ракет ведут свою родословную со времён, когда GPS ещё не было - зачем менять систему наведения, которая устраивает?
2. Изначально почти все экс-советские ракеты - конверсионные военные, наведение в которых старались сделать максимально автономным, во избежание влияния внешних систем (заглушат радионаведение - и куда попадёт ракета?). Про использование GPS "потенциального противника" в таких системах речь вообще идти не может.
3. Американцы насколько я знаю используют военные частоты GPS для наведения боевых ракет, не уверен правда, крылатых или баллистических. Вполне возможно, что ГЛОНАСС используется для тех же целей на наших боевых ракетах.
4. По крайней мере гражданский GPS имеет ограничения по макс. высоте (10 км?) / скорости объекта (500 м/сек?), в который космические ракеты даже близко не вписываются.
5. Астронавигация, слышал, используется на космических объектах, в ракетах на неё могут повлиять погодные условия. Хотя в некоторых случаях на последних ступенях она тоже используется.
6. Частичное радионаведение используется с незапамятных времён, с Р-7. Вот везде ли - не знаю.

[antontsau.livejournal.com]

гпс для ракеты не обеспечивает точности. Астронавигация используется (на морских боевых ракетах, у которых точка старта мягко говоря малостабильна и трудноизмерима, а в нюерк попадать все равно надо) а также при орбитальных маневрах, но это отдельная грустная сказка, нетривиальная и не всегда работающая. В любом случае, стартовать по рыбам никак не получается, это только способ коррекции после прохода атмосферы.

[keerpeech.livejournal.com]

И неужели всё это великолепие разрушается и сгорает? Дааа, теперь мне до конца ясно, почему немногие страны могут себе это позволить.

[kromlek.livejournal.com]

У американцев есть проекты многоразового использования ступеней, когда они после отделения от РН спускаются на парашюте.

[pertrovich.livejournal.com]

По поводу охлаждения сопла. А почему бы его не сделать из такого металла который не расплавится? Написано что температура достигает 2000 градусов, но вроде есть сплавы которые только при 4000 плавятся?

И кстати, а почему для охлаждения используется топливо? Потому что другой жидкости под рукой нет?

[kromlek.livejournal.com]

Более того, часто сопло в критической части (там где сужение) делают медным (с температурой плавления ниже 1000 градусов) - там самые большие тепловые потоки, а у меди отменная теплопроводность. Охлаждают одним из компонентов (или даже двумя сразу). Если не ними, то чем? Возить антифриз? А тут хороший расход холодной жидкости, да и к тому же подогретый компонент быстрее испарится в камере сгорания потом. Ну а материал - ну так композиты ж. Углерод-углерод, например.

[roquefort-tln.livejournal.com]

У Чертока, помнится, одной из больших проблем, в которую влетали постоянно была всевозможная вибрация. Типа колебания корпуса ракеты приводят к пульсации давления в топливопроводах, те в свою очередь к пульсациям тяги, которые колебают корпус и все это входит в резонанс. И еще множество подобных труднопросчитываемых колебательных контуров.

[3dtim.livejournal.com]

вроде как в ФАУ-2 уже все это решили?

[levsha.livejournal.com]

Это приходится решать каждый раз заново для каждой ракеты. Иногда даже для старых комплектующих, сделанных по новой технологии (я слыхал историю про резонанс, который возник после того, как сопла стали изготавливать на станках с ЧПУ, чего при ручной резке не возникало).

[kromlek.livejournal.com]

Есть еще проблема НЧ и ВЧ пульсаций гидросистем, возникающих при запуске, которые зависят от режима запуска и конфигурации гидросистемы. Не знаю как сейчас, но раньше эти частоты невозможно было обсчитать из-за сложности мат. модели и гидросистему правили методом тыка, изменяя ее конфигурацию. Собственно, похожие критические точки есть у роторов ТНА (критическая скорость вращения), на которой ротор может резонировать, в результате чего высыпаются подшипники. Эта проблема решается выносом критической скорости вращения за пределы рабочих частот (грубо говоря, чтоб ротор, выходя на режим, не проходил через эти частоты). Вот именно по-этому большинство аварий случаются на стартовом столе или прямо над ним.

[frs-vetlana.livejournal.com]

У Чертока описывается история ракетной техники. А как сделана и как летает ракета - это лучше к Феодосьеву.

[solar-front.livejournal.com]

Очень толково. Приятно читать когда автор в теме.(если это конечно не стырено)

Странно, что автор совмещает в себе задатки провокатора (см . про альтернативку) с "набросами" в теме где не понимает и отличного разказчика там где разбирается.

Желаю ему впредь уважать и другие отрасли и области где трудятся люди.

[3dtim.livejournal.com]

странно что вы не заметили ссылку на оригинал в начале поста, автор же этот - давно действующий в ЖЖ знатнный тролль. Не лишенный впрочем нежных чувств к технике и околонаучным обсуждениям

[alex-avr2.livejournal.com]

Спасибо.

[nasuto-procione.livejournal.com]

Вы прочитали синопсис введения для предисловия пилотного экземпляра комикса "Космонавтика для самых маленьких".

[lev-evgenevi4.livejournal.com]

----современные системы не используют какие-либо внешние источники, а работают автономно.
---- Инерциальная система навигации фиксирует изменения положения ракеты и ускорения, которые с ней происходят,

Эти фразы противоречат друг другу.

[denywoo.livejournal.com]

Может они не совсем грамотно составлены, но по сути в них заложенной непротиворечивы. Ракета не ориентируется по внешним системам: по ориентирам, по GPS или чему-то подобному, а использует внутренние датчики, которые фиксируют изменение угла относительно заданного на земле платформе гироскопа, а также ускорения, и, исходя только из этих данных, рассчитывает управляющие импульсы.

[herhermann.livejournal.com]

из чего в таком случае делают "булаву". из какого говна?

[ch74.livejournal.com]

Еще стоило бы упомянуть великую и не прекращающуюся битву между прочностью и весом.
Ну и динамика конструкции тоже не на последнем месте ни по важности, ни по сложности.

[frs-vetlana.livejournal.com]

Я бы даже сказала "динамика и прочность бочки, не полностью заполненной жидкостью" :)

[maxim-don.livejournal.com]

Спасибо, интересно!!