Ich denke, jeder, der über wiederverwendbare Raketen spricht, ist hauptsächlich von Flugzeugen inspiriert. Diese geflügelten Maschinen fliegen aktiv, sind sehr zuverlässig und haben eine kolossale Ressource. Und im Gegensatz zu Raketen können Sie ganz einfach ein Ticket kaufen und überall hin fliegen. Daher zeichnen viele Science-Fiction-Autoren, Filmemacher und Konstrukteure ein Flugzeug oder eine Rakete mit einem Flügel als wiederverwendbare Rakete, wobei mindestens die erste Stufe auf dem Kosmodrom entlang des Flugzeugs landet. Dies ist ein klassischer Ansatz, bei dem jeder versucht, auf dem Erreichten aufzubauen. Versuchen wir herauszufinden, was die Raketen brauchen, um sicher und gesund zurückzukehren.
Die Atmosphäre betreten
Damit die Trägerrakete den Satelliten in die Umlaufbahn bringen kann, muss dem Satelliten (und der letzten Stufe) eine Geschwindigkeit im Bereich von 7800 m / s mitgeteilt werden. Um dies zu verstehen, wird die Reihenfolge der Zahlen benötigt, nicht die genauen Werte. Gleichzeitig entwickelt die erste Stufe je nach Konfiguration der Trägerrakete eine Geschwindigkeit im Bereich von 1600-3800 m / s. Bei der Rückkehr zur Erde tritt die Raketeneinheit mit fast der gleichen Geschwindigkeit in die Atmosphäre ein, mit der sie sich getrennt hat. Dies kann als unsere Ausgangsbedingungen bezeichnet werden. Beim Eintritt in die Atmosphäre erfährt die Raketeneinheit einen atmosphärischen Widerstand, der mechanische Beanspruchung und Erwärmung verursacht. Mechanische Lasten (Hochgeschwindigkeitskopf) sind proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und Erwärmung (Wärmefluss) zum Würfel der Geschwindigkeit. In diesem Fall sind sowohl der Geschwindigkeitskopf als auch der Wärmefluss direkt proportional zur Dichte der Atmosphäre. Dies sind die wichtigsten Beziehungendie den Weg bestimmen, in die Atmosphäre einzutreten und darin zu fliegen. Und wenn ein einfacher Ansatz verwendet wird, um die zunehmenden Belastungen zu kompensieren - eine Zunahme der Masse der Struktur -, können die zunehmenden Wärmeströme auf diese Weise nicht kompensiert werden. Die Wärmeflüsse, die eine Struktur pro Zeiteinheit wahrnehmen kann, werden eindeutig durch das verwendete Material der Struktur oder ihre äußere Oberfläche bestimmt. Bei hohen Geschwindigkeiten schmelzen herkömmliche Konstruktionsmaterialien einfach. Aber sie haben einen Ausweg aus dieser Situation gefunden. Beispielsweise wird der ablative Wärmeschutz aktiv für Abstiegs- und Wiedereintrittsraumfahrzeuge verwendet.werden eindeutig durch das verwendete Material der Struktur oder deren Außenfläche bestimmt. Bei hohen Geschwindigkeiten schmelzen herkömmliche Konstruktionsmaterialien einfach. Aber sie haben einen Ausweg aus dieser Situation gefunden. Beispielsweise wird der ablative Wärmeschutz aktiv für Abstiegs- und Wiedereintrittsraumfahrzeuge verwendet.werden eindeutig durch das verwendete Material der Struktur oder deren Außenfläche bestimmt. Bei hohen Geschwindigkeiten schmelzen herkömmliche Konstruktionsmaterialien einfach. Aber sie haben einen Ausweg aus dieser Situation gefunden. Beispielsweise wird der Wärmeschutz der Ablation aktiv für den Abstieg und den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen verwendet.
Das Abstiegsfahrzeug vom Typ Sojus nach der Landung
Apollo-Befehlsmodul nach der Landung
Die Bilder zeigen, dass der Hitzeschild verbrannt und weggetragen ist. Dies sind seine Haupteigenschaften - Energie zu sammeln und weggetragen zu werden. Es ist sehr ähnlich zu Wasser, das aufgrund von Kochen und Verdampfen eine genau definierte Temperatur beibehält. Dies ist jedoch überhaupt keine wiederverwendbare Technologie. Solche Hitzeschutzmaterialien sind sehr teuer, wiegen viel und müssen nach jedem Flug wiederhergestellt oder gewechselt werden. VA TKS erarbeitete sogar die Technologie zur Wiederherstellung des ablativen Wärmeschutzes nach seiner "Verdunstung". Diese Technologie erwies sich jedoch als recht teuer und ging aus mehreren Gründen nicht weiter.
In den USA wurden für das Space Shuttle und später in der UdSSR für das Raumschiff Buran Hitzeschutzmaterialien aus Kohlenstoff-Kohlenstoff und Silizium entwickelt, die ein geringes Gewicht und Wiederverwendbarkeit gewährleisten sollten.
Hitzeschutzbeschichtung des Raumfahrzeugs "Buran"
Dies wurde durch die Verwendung einer Segelflugzeugform für Fahrzeuge möglich. Aufgrund der großen Oberfläche pro Gewichtseinheit löschte das Fahrzeug einen Teil der Geschwindigkeit in den verdünnten Schichten der Atmosphäre und trat mit niedrigeren Geschwindigkeiten in die dichten Schichten ein. Unter Verwendung der aerodynamischen Qualität beim Eintritt in die Atmosphäre wandelte das Gerät seine vertikale Geschwindigkeit in horizontale Geschwindigkeit um und reduzierte aufgrund dessen allmählich seine Höhe. Dank dieser beiden Faktoren konnten die Wärmeströme pro Oberflächeneinheit reduziert werden, was zusammen mit der Strahlungswärmestrahlung in den umgebenden Raum die Verwendung dieser Materialien ermöglichte. Darüber hinaus ermöglichte der Gleitabstieg die Reduzierung der mechanischen Belastungen und Überlastungen des Segelflugzeugs. In Laboratorien haben Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Quarzfliesen hervorragende Ergebnisse gezeigt.Sie enthielten effektiv die erforderlichen Wärmeströme und strahlten die Wärme aktiv zurück. Aufgrund des niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten erwärmte sich die Struktur des Raumfahrzeugs nicht über die zulässigen Grenzen hinaus und behielt ihre Festigkeitseigenschaften bei. In der Realität waren die verwendeten Materialien jedoch sehr anspruchsvoll, um den technologischen Prozessen ihrer Herstellung und Anwendung (Kleben) zu entsprechen. Das wichtigste Problem war die Fragilität der Materialien, die in mathematischen Modellen während des Entwurfs in keiner Weise bewertet wurde. Zum Beispiel konnten Quarzfliesen leicht mit einem Finger durchgeschoben werden. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Fliesen waren an den Rändern leicht zu zersplittern. Auch beim Fliegen in dichten Schichten der Atmosphäre erhielten Quarzfliesen einen signifikanten erosiven Effekt von Staubpartikeln, was eine anschließende Restaurierung erforderlich machte.Einige der Fliesen fielen während des Betriebs einfach ab. All dies hat dazu geführt, dass diese Hitzeschutzbeschichtung im Betrieb viel teurer geworden ist als ablative Arten von Hitzeschildern. Nun, wahrscheinlich erinnert sich jeder an die Katastrophe des Space Shuttles Columbia, die am 1. Februar 2003 aufgrund einer Beschädigung des Wärmeschutzes stattfand. Nach dem ersten (oder letzten) Flug hatte das Raumschiff "Buran" auch ein schweres Ausbrennen der Hitzeschutzbeschichtung, was zum Glück nicht so kritisch war.
Wie kann man dann das Problem der thermischen Erwärmung umgehen? Auch hier ist zu beachten, dass die Wärmeströme proportional zur Würfelgeschwindigkeit sind. Wie ich oben geschrieben habe, kann die Geschwindigkeit der ersten Stufe dreimal geringer sein als die der letzten Stufe. Dies bedeutet, dass sich der Raketenblock des Beschleunigers der ersten Stufe beim Eintritt in die Atmosphäre 27-mal weniger stark erwärmen kann als der Block, der mit Orbitalgeschwindigkeit abfällt. Das heißt, wir müssen die Geschwindigkeit eines Objekts reduzieren, das in die Atmosphäre gelangt. Leider ist es aufgrund der aerodynamischen Form oder der aerodynamischen Effekte nicht möglich, die Geschwindigkeit so radikal zu reduzieren. Es ist notwendig, entweder zu verlangsamen oder einfach nicht so schnell zu werden wie in der ersten Stufe. Berechnungen haben gezeigt, dass wenn das gleitende Fahrzeug eine Geschwindigkeit von bis zu 2500 m / s entwickelt, es keine so signifikante Erwärmung erfährt.Dies erfordert die Verwendung spezieller Hitzeschutzmaterialien. In diesem Fall müssen Titanlegierungen in den Verkleidungen des Flügels, an den Kanten und an allen hitzebelasteten Stellen verwendet werden.
Das anschließende Blasen der ausgearbeiteten Geräte empfahl, die Geschwindigkeit noch deutlicher zu verringern oder eine aerodynamische Form zu wählen, die die thermische Belastung von Kanten, Verkleidungen und ähnlichen Stellen verringert. Bei klassischen Raketenblöcken ist der Wert dieser Geschwindigkeit sogar noch niedriger, da sie sehr intensiv in die dichten Schichten der Atmosphäre eintaucht. Basierend auf den Ergebnissen von Berechnungen und realen Flügen stellte sich heraus, dass die Raketeneinheit bei Eintrittsgeschwindigkeiten im Bereich von 1200 m / s keinen besonderen Schutz benötigt. Bei Geschwindigkeiten im Bereich von 1400 m / s ist die lokale Anwendung spezieller feuerfester Materialien oder des Wärmeschutzes erforderlich. Hier sehen wir, dass die erforderliche Verringerung der Geschwindigkeit klassischer Raketeneinheiten sehr bedeutend ist und es äußerst ineffizient ist, die Raketeneinheiten bei einer solchen Fluggeschwindigkeit zu trennen. Also, was ist der Ausweg? Und ganz einfach - die Motoren vor dem Eintritt in die Atmosphäre bremsen,eine Eintrittsgeschwindigkeit im Bereich von 1200-1400 m / s bereitzustellen. Die ganze Frage ist der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit der Trennung und dem Eintritt in die Atmosphäre. Der Bedarf an Kraftstoff für eine solche Verzögerung kann unter Verwendung der Tsiolkovsky-Formel ziemlich genau geschätzt werden, wobei Gravitationsverluste für die Verzögerungszeit hinzugefügt werden.
Weiche Landung
Hier haben wir kurz das Problem des Wiedereintritts in die Atmosphäre für wiederverwendbare Raketeneinheiten untersucht. Und jetzt kurz zu den Problemen einer weichen Landung, die die Struktur überhitzt, die nicht überhitzt, intakt und sicher ist. Beginnen wir noch einmal mit der geflügelten Struktur. Es besteht wahrscheinlich keine Notwendigkeit, viel zu erklären. Jeder muss gesehen haben, wie die Flugzeuge landeten. Hier ist ein ähnliches Schema, aber mit einer Einschränkung. Da solche Fahrzeuge keine Flugzeuge sind, ist ihre horizontale Landegeschwindigkeit ziemlich hoch, was lange, hochwertige Landebahnen erfordert. Auf einer normalen Fahrspur wie in Sheremetyevo kann ein solches Gerät wahrscheinlich abstürzen. Ich denke, wir haben die geflügelten Fahrzeuge aussortiert.
Aber was ist mit klassischen Raketenblöcken? Es ist darauf zu achten, dass die Struktur bei der Landung nicht beschädigt wird. Sie können die Raketeneinheit vorsichtig mit Hilfe von Fallschirmen oder durch Bremsen der Motoren ins Wasser absenken.
Schwimmender Booster der ersten Stufe Falcon-9
Diese Möglichkeit, im Wasser zu landen, scheint für alle gut zu sein. Es gibt jedoch einige Probleme und praktisch unlösbare Aufgaben. Nicht alle Trägerraketen haben Flugwege in den Bereichen, in denen die Blöcke über dem Wasser liegen. Wenn Sie beispielsweise vom Kosmodrom Baikonur aus starten, ist so etwas überhaupt nicht möglich. Vom Kosmodrom Vostochny aus ist dies äußerst problematisch. Bei Kontakt mit Meerwasser beginnen viele Legierungen und Materialien ziemlich schnell zu zerfallen. Wasser kann an sich die Funktionalität vieler mechanischer und elektronischer Systeme stören. Es besteht ein Problem beim Blocktrocknen und Reinigen von Salzablagerungen. Heiße Strukturelemente sind bei Kontakt mit Wasser anfällig für Risse und einen Überhärtungseffekt. Und am Ende fügt das Pitching zusätzliche Belastungen hinzu. In Anbetracht all dieser Faktoren wird die Landung auf dem Wasser von Spezialisten normalerweise nicht in Betracht gezogen. Und wenn es berücksichtigt wird,Sie geben diese Idee schnell auf. Es bleibt, die Raketeneinheit entweder an Land oder auf einer Offshore-Plattform zu landen.
Die Plattform fügt Probleme beim Pitching und Driften hinzu. Effektive Stabilisierungssysteme machen die Plattform für die Raketeneinheit jedoch praktisch trockenes Land. Die Entwicklung solcher Stabilisierungssysteme ist zwar eine zusätzliche, aber durchaus lösbare Aufgabe.
SpaceX Offshore-Landeplattform
Als nächstes müssen Sie sich für die Landemethode entscheiden. Normalerweise wird als erstes ein Fallschirm angeboten. Er ist jedem vertraut, irgendwie verständlich und vertraut. Der Fallschirm ermöglicht es mit seinen akzeptablen Bereichen und Massen, die Sinkgeschwindigkeit auf etwa 8-12 m / s zu reduzieren. Aber er wird nicht in der Lage sein, sanft zu landen. Dies erfordert zusätzliche Bremsmotoren und Stoßdämpfer. Es dürfen nur Stoßdämpfer verwendet werden. Wenn wir eine Raketeneinheit mit einer Überlast von 2 g nur mit Hilfe von Stoßdämpfern und mit einer Geschwindigkeit von 8 m / s landen wollen, ist idealerweise ein Stoßdämpferhub von 1,63 Metern erforderlich. Der erforderliche Stoßweg ist proportional zum Quadrat der Sinkrate und umgekehrt proportional zur Überlast. Die Formel für die Berechnung lässt sich übrigens leicht aus dem Energieerhaltungsgesetz ableiten. Sie müssen nur kinetische Energie mit Potenzial gleichsetzen. Aber fahren wir mit den Fallschirmen fort.Der Fallschirm hat eine schlechte Eigenschaft.
Ein klassischer Baldachin-Fallschirm bietet keine genaue Landung. Die Plattform damit ist nutzlos und auf dem Boden landet die Rakete auf einem Hügel oder in einem Wald. Um die Integrität der Raketeneinheit aufrechtzuerhalten, muss sie gleichmäßig auf allen Stützen landen, entweder vertikal oder seitlich. Danach sollte er nicht mehr rollen, fallen oder rollen. Dies kann nicht auf einer unvorbereiteten und nicht ebenen Site durchgeführt werden. Viele erinnern sich daran, wie die Unvollkommenheit der SpaceX- Algorithmen zur Stabilisierung von Lastkähnen zum anschließenden Fall der Raketeneinheit führte. Auf einer gekrümmten Oberfläche ist es dasselbe. Selbst wenn sie seitlich gestapelt sind, bricht die Raketeneinheit auf einer gekrümmten Plattform einfach, wie dies bei Tests der Seiteneinheiten der Energia LV der Fall war.
Schema der Rückgabe der Seiteneinheit der LV "Energia" (http://www.buran.ru)
Tests von Fallblöcken zeigten, dass sie während der Landung Schäden erhielten, die nicht ihre spätere Verwendung implizierten. Es ging nicht einmal darum, den Rest der Flugetappen zu testen.
In diesem Wissen boten die Entwickler aktiv geführte Flügelfallschirme an, mit denen Sie theoretisch die Last auf den genauen Ort senken können. Solche Entwicklungen stoßen jedoch auf die Unvollkommenheit von Steueralgorithmen unter sich schnell ändernden Umgebungsbedingungen (Wind, Böen usw.). Jetzt SpaceXtesten diese Technologie aktiv zum Absenken der Verkleidungsklappen. Neben einem geführten Fallschirm benutzen sie ein Schiff mit einem riesigen Netz, das sich ständig bewegt, um die Schärpe zu fangen. Bis vor kurzem waren die Ergebnisse nicht sehr positiv, aber auch nicht hoffnungslos. Und in jüngerer Zeit werden die Verkleidungsklappen zunehmend im Netz gefangen.
SpaceX-Schiff zum Auffangen der Verkleidungsklappen
Um das Problem der sanften Landung der Fallschirmraketeneinheit zu lösen, haben meine Kollegen, S.V. Antonenko und S.A. Belavsky, ein Hubschrauberabholer der Fallschirmraketeneinheit, wurde vorgeschlagen.
Schema der Hubschrauberaufnahme der Raketeneinheit
Der Vorteil dieses Schemas besteht darin, dass Sie nicht über einen vorbereiteten Standort nachdenken und keine zusätzliche Masse für Landevorrichtungen (Stoßdämpfer) aufwenden müssen. Darüber hinaus ist das Schema zum Aufnehmen von Fallschirmobjekten in der Welt gut entwickelt und wirft keine großen Fragen auf. Wenn eine Abholung auf See erforderlich ist, können Offshore-Plattformen verwendet werden. Die Einschränkung dieses Schemas ist die Masse der Raketeneinheit und die Tragfähigkeit des Hubschraubers. Der größte Hubschrauber der Welt, Mi-26, kann also nicht mehr als 16 Tonnen aufnehmen. Die Raketen der "Angara" -Familie haben eine Raketeneinheit mit einem Gewicht von 11 Tonnen, während die Raketeneinheit der Trägerrakete Falcon-9 23 Tonnen wiegt.
Ich denke, wir sind mit Fallschirmen fertig. Wie kann man ohne Fallschirme auskommen? Hierzu können Motoren verwendet werden, die die Raketeneinheit vor der Landung auf Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 1-2 m / s verlangsamen. Es ist schwieriger, genauer zu landen, aber ich denke, dass wir in Zukunft über 0,5 m / s und darunter sprechen können. Die letzten Krümel sollten durch kleine Stoßdämpfer gedämpft werden. Es ist zu beachten, dass dieses Schema die Landung auf einer vorbereiteten Stelle und die korrekte Ausrichtung der Raketeneinheit erfordert, wenn ein Bremsimpuls abgegeben wird. Das heißt, wir brauchen Kontrollen und Stabilisierung. In dieser Phase der technologischen Entwicklung stellen solche Steuerungssysteme keine besonderen Probleme dar. Algorithmen zur Steuerung, Führung und Landung können ebenfalls erstellt und entwickelt werden. Und die Steuerung in Form von Gasstrahltriebwerken und aerodynamischen Rudern wird bereits zum Klassiker.Landestoßdämpfer sind auch heute recht gut entwickelt und in mindestens zwei Ausführungen ausgearbeitetSpaceX und Blue Origin . Bei dieser Landemethode gibt es auch Aufgaben, die horizontalen Komponenten der Geschwindigkeit und der Winkelgeschwindigkeiten zu dämpfen. Das ist aber auch alles lösbar und hat sogar gut geklappt.
Landung von Falcon Heavy LV-Seitenblöcken
Wir sehen, dass ein solches Landungsschema bereits gut entwickelt ist und unlösbare Probleme nicht verbirgt.
Nirgendwo
Es geht wahrscheinlich nur um Landemethoden. Aber wie befinden Sie sich in einem bestimmten Gebiet oder auf einer vorbereiteten Website? Gleitflugzeuge mit einem Flügel wandeln aufgrund der aerodynamischen Qualität, wie ich bereits schrieb, die vertikale Geschwindigkeit recht gut in die horizontale um. Daher erreichen sie die Landebahn oft alleine. Und wenn die Flugreichweite nicht ausreicht, werden zusätzliche Luftstrahltriebwerke eingesetzt.
Raketenblöcke klassischer Schemata haben wenig Gelegenheit, die Reichweite durch den Einbau aerodynamischer Ruder anzupassen. Sie können auch Bereichsanpassungen vornehmen, wenn ein Bremsimpuls angewendet wird, um den Wärmefluss zu verringern. Aber oft reichen solche Bereiche nicht aus. Werfen wir einen Blick auf das logistisch attraktivste Schema, wenn die Raketeneinheiten zum Kosmodrom zurückkehren und nicht zusätzlich über beträchtliche Entfernungen transportiert werden müssen. Um das Schema mit einer Rückkehr zum Startpunkt nach der Trennung der Raketeneinheit zu implementieren, wird eine zusätzliche Aktivierung des Raketentriebwerks verwendet. In diesem Fall ist das Triebwerk so ausgerichtet, dass gleichzeitig die Fluggeschwindigkeit verringert und die Rücklaufgeschwindigkeit zum Landeplatz eingestellt wird.
Der Hauptvorteil eines solchen Korrekturimpulses besteht darin, dass die Raketeneinheit danach die Einstellung des Hauptbereichs vornimmt, während sie sich praktisch im luftleeren Raum bewegt. Ein solcher Impuls kann nicht nur zur Rückkehr zum Kosmodrom verwendet werden, sondern auch zur Landung auf fast jedem Ort.
Flugschema von Falcon-9
Bei Raketeneinheiten mit Fallschirmen können unter anderem auch Kombinationen von Korrektur- und Bremsimpulsen von Raketentriebwerken sowie die Steuerung aerodynamischer Ruder eingesetzt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass der Fallschirm während seines Betriebs bis zu mehreren Kilometern einen zufälligen Fehler aufweist. Ich schrieb über einen kontrollierten Fallschirmflügel.
Fazit
Also habe ich alle Phasen des Fluges wiederverwendbarer Raketeneinheiten untersucht und versucht, auf zugängliche Weise zu erklären, was und warum in diesen Phasen zu tun ist, damit die wiederverwendbare Raketeneinheit sicher und gesund zurückkehrt. In der Realität gibt es natürlich mehrere Größenordnungen mehr Fragen und Nuancen, aber die Fragen, die ich berücksichtigt habe, sind die wichtigsten und entscheidenden für das zukünftige Schema einer wiederverwendbaren Raketeneinheit. Fassen wir die Schemata für die Implementierung wiederverwendbarer Raketenblöcke zusammen. Die wichtigsten sind meiner Meinung nach:
- Winged Block mit horizontaler Flugzeuglandung.
- Dynamische Raketenlandung.
- Hubschrauberabholung von Fallschirmraketen.
Dies sind die am meisten implementierten und entwickelten Schemata, aber Sie können Ihr eigenes Schema nach persönlichen Vorlieben kombinieren. Danach muss das neue Schema sorgfältig berechnet werden, um sicherzustellen, dass es realisierbar ist und Sie nicht auf unlösbare Probleme stoßen. Ich werde sofort reservieren, dass jedes der Schemata seine eigenen Nuancen und Grenzen der Realisierbarkeit hat. Jedes hat seine eigenen Verluste an Nutzlastmasse, Kostenverlusten und Komplexität bei der Lösung von Problemen. Aber dazu ein anderes Mal mehr.