engineering_ru | Ракетные «сосиски» и «сардельки» или проклятие неуниверсальности

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:

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.

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.

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.

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.

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).

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

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

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.

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.

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 "незаметные сложности".

Flat | Top-Level Comments Only

From:

cat-miaow.livejournal.com

Модульность стала технологична, потому что современные системы управления намного умнее чем раньше, как мне кажется. Эксперименты с мягкой посадкой первой ступени это ярко демонстрируют. Кстати, кажется, "мозги" у ракет ушли дальше чем "мускулы", и новых прорывов в силовых установках пока не наблюдается. Или я не прав?

Кстати, меня всегда мучал вопрос: что это за белые цилиндры на мачтах как на последних двух фото?

Edited Date: 2015-10-19 05:00 am (UTC)

From:

bbv2612beta.livejournal.com

Современные химические двигатели подошли к своему теоретическому пределу. Дальше можно лишь выжимать доли процента КПД из них.
Или менять принцип. Один из наиболее разработанных, на данный момент - ядерный, использующий в качестве рабочего тела водород.

Ракетные «сосиски» и «сардельки» или проклятие неуниверсальности

Исторический вариант - убрать одну ступень

Современный вариант - модульные ступени пакетом

Page Summary

Style Credit

Expand Cut Tags