• ↓
  • ↑
  • ⇑
 
Записи с темой: космос (список заголовков)
06:22 

Авария «Прогресса»: хроника, матчасть и версии

01.jpg
28 апреля к МКС стартовал "Прогресс М-27М". Это был уже 150 пуск "Прогресса" и 59 миссия снабжения МКС. Старт и первые минуты полета прошли успешно, и корабль был выведен на орбиту, но сообщения об успешном выведении быстро сменились новостями о проблемах на борту. Количество и серьезность называемых проблем росли, и, спустя сутки, стало ясно, что корабль потерян окончательно. В настоящее время "Прогресс" с севшими батареями, неконтролируемо вращаясь, постепенно тормозится атмосферой Земли, и, по последним данным, сойдет с орбиты 7-11 мая. Пока не обнародованы официальные результаты расследования, самое время восстановить хронологию событий, разобраться в технике и попытаться проанализировать возможные версии аварии.

Хронология


Хронология событий рассказывается без послезнания, чтобы нагляднее показать, как менялись новости и восприятие событий.
"Прогресс М-27М" стартовал 28 апреля 2015 года в 10:09:50 (здесь и далее всё время московское):



Спустя девять минут в прямой трансляции ЦЭНКИ прошло сообщение об успешном выведении корабля и его отделении от третьей ступени ракеты-носителя. Новостные агентства опубликовали дежурные сообщения об успешном выведении и перешли к другим текущим новостям.
Те, кто смотрели трансляцию NASA-TV, могли видеть, что на экране ЦУПа на несколько минут показалось окно системы автоматической стыковки "Курс". Также, по сообщениям диктора, ЦУП ожидал подтверждения по телеметрии раскрытия антенн и солнечных батарей корабля. Спустя пять минут появилась информация, что солнечные батареи успешно раскрыты, но всё еще нет подтверждения раскрытия антенн. "Прогресс" ушел из зоны видимости наземных пунктов. Спустя примерно полчаса по НАСА-ТВ сообщили об отсутствии подтверждения раскрытия всех антенн "Курса", и, поэтому, вместо шестичасовой схемы стыковки с МКС корабль перешел на двухсуточную.
В 10:35 агентство "Интерфакс" сообщило об отсутствии телеметрии и, в 10:42 ТАСС опубликовало новость о переходе на двухсуточную схему стыковки. В 10:54 "Интерфакс" сообщил о "выведении на 30 км выше нужной орбиты". Вся эта информация базировалась на тех данных, которые ЦУП успел получить после разделения - "Прогресс" должен был появиться в зоне видимости в районе 11:30.
В 11:40 появились первые открытые данные об орбите "Прогресса" от NORAD:
40619 / 2015-024A: 127x251 км, 51.6°
40620 / 2015-024B: 123x306 км, 51.7°

Данные были, прямо говоря, пугающими. Параметры орбиты сильно отличались от штатных 193(± 2)х238(± 5) км. Также, с перицентром 127 км "Прогресс" мог "зарыться" в атмосферу уже через несколько витков.
В районе 11:47 появилась картинка системы "Курс", которую показывали в ЦУПе и ретранслировало NASA-TV:

02.jpg

Появление картинки воспринялось как успешный выход "Прогресса" на связь, и было ретранслировано новостными агентствами.
В 12:44 появилась дивная новость о "несинхронизированной работе двигателя третьей ступени". Что с чем должно было синхронизироваться, журналисты сообщить не пожелали, впрочем, спустя некоторое время, в новость было добавлено более-менее понятное объяснение, конечно же, не имеющее отношения к какой бы то ни было синхронизации.
В районе 13 часов включилась трансляция ЦУПа, в которой были показаны уже другие параметры орбиты:

03.jpg

Несовпадение данных еще сильнее запутало картину. Какая орбита верная? А другие неисправности? Есть ли телеметрия? Раскрылись ли антенны? Тем более, что ТАСС передало сообщение о том, что ЦУП не располагает информацией о нераскрытии антенн.
В 13:30, когда "Прогресс" был на третьем витке, появилась информация об отсутствии телеметрии с борта.
На четвертом витке в районе 14:50 на трансляции NASA-TV появилась картинка с камеры "Курса" (до этого она, скорее всего, была выключена, что объясняет черный фон на дневной стороне орбиты), на которой было ясно видно, что корабль вращается по рысканию и тангажу одновременно:



Кроме этого комментатор сообщил о многочисленных отказах датчиков угловых скоростей и том, что ЦУП передал на борт команду запрета на попытки поддержания ориентации в пространстве (очевидно, чтобы система управления не могла раскрутить корабль еще сильнее из-за неверной работы датчиков, системы управления или двигателей).
Позже NASA-TV сообщило, что в конце участка связи на четвертом витке ЦУП Москвы передал команды на борт для остановки вращения корабля. Также, из-за того, что маневр на сближение с МКС не мог быть выполнен вовремя, стыковка по двухдневной схеме была отменена.
На пятом витке ни передать команды, ни получить полноценную телеметрию не удалось. "Прогресс" ушел на "глухие витки", и связь с ним могла быть установлена только 29 апреля.
Вечером 28 апреля NORAD подтвердило свои первоначальные данные орбиты "Прогресса" с перигеем 120 км. Что уже не лезло ни в какие ворота, потому что с таким низким перигеем корабль не может существовать дольше нескольких витков. Впрочем, ночью 29 апреля пришло исправление данных с нормальным перигеем в 180 км. Одной загадкой стало меньше.
Первый сеанс связи 29 апреля должен был состояться в 03:50. В пять утра пришло сообщение ТАСС, что попытка прошла неудачно. Второй сеанс в пять утра также окончился неудачей. В прессе появилась информация о возможном сведении корабля с орбиты. Как это можно было бы сделать с очевидно неуправляемым кораблем, осталось загадкой. Отдельным небольшим скандалом стала история с копией Знамени Победы, которая, очевидно, не сможет попасть на МКС, однако, как выяснилось, она уже была доставлена на МКС в марте с "Союзом". Также, в течение 29 апреля шли новости о возможных попытках ручного управления "Прогрессом" с МКС по системе телеоператорного радиоуправления ТОРУ.
Днем 29 апреля прошла информация, что попыток связаться с кораблем больше не будет.
Также, 29 апреля появилась информация об обнаружении 44 обломков неизвестного происхождения недалеко от "Прогресса". А радиолюбитель R4UAB (Дмитрий Пашков) зафиксировал работу бортового радиокомплекса "Квант-В". Эта система служит для передачи команд на борт и получения землей телеметрической информации.
Ну и, наконец, вечером 29 апреля состоялась пресс-конференция Роскосмоса, на которой озвучили новые данные и признали потерю корабля.
1 мая космонавты на МКС сфотографировали пролетавший на две сотни километров ниже "Прогресс", чтобы попытаться визуально определить повреждения. К сожалению, несмотря на телеобъективы, картинка получилась недостаточно информативной:

04.gif

По состоянию на вечер 4 мая корабль достаточно активно теряет высоту:

05.jpg

Похоже, что корабль сгорит в атмосфере раньше, чем ожидалось, в районе 8 мая.

Факты


На пресс-конференции Роскосмоса были озвучены следующие факты:

  • Пуск и полет корабля до участка отделения от третьей ступени проходил штатно.

  • За 1,5 секунды до расчетного времени разделения пропала телеметрическая информация.

  • Впоследствии было установлено, что отделение "Прогресса" от третьей ступени прошло своевременно.

  • Работоспособность телеметрии была частично восстановлена. В результате стало известно, что часть агрегатов функционирует в нештатном режиме.

  • Корабль вращается со скоростью примерно 90° в секунду.

  • Корабль имеет апоцентр примерно на 30 км выше расчетной орбиты, ступень - примерно на столько же ниже.

  • Топливная система негерметична.

  • Наблюдаются отказы отдельных узлов и агрегатов корабля.

  • Безопасная стыковка корабля с МКС не представляется возможной.

  • Угрозы для МКС нет.



Кроме этого, по открытым источникам и неофициальной информации от людей, работающих в отрасли, удалось установить:

Расшифровка данных "Курса":

06.jpg

Экран "Курса" появляется сразу после выведения, на первом витке (правый верхний экран ЦУПа). Почти наверняка внизу видна метка аварии, но экран показывается издалека и слишком короткое время, чтобы уверенно делать какие-то выводы. Зато на втором витке периодическая помеха на картинке говорит, что с вероятностью 95% корабль вращался с примерно такой же, как и на четвертом витке, угловой скоростью.

Первые три орбиты корабля. Желтым выделены зоны видимости наземных пунктов управления:
07.jpg

Матчасть


08.jpg

Корабль "Прогресс". Учитывая все модификации, это был уже сто пятидесятый запуск. А авария с потерей корабля всего лишь вторая. Первый случай произошел в 2011 году, когда "Прогресс М-12М" не был выведен на орбиту из-за отказа третьей ступени ракеты-носителя "Союз-У".
На корабле расположены пять антенн системы "Курс":

09.jpg

Камера, "глазом" которой мы видели вращение, расположена внизу корабля аналогично перископу "Союза". На фото отмечена стрелкой:

10.jpg

Т.е. с точки зрения корабля, он вращался по часовой стрелке.
Видео подготовки к пуску потерпевшего аварию корабля:



Ракета "Союз-2.1а". В отличие от "Прогресса", ракета сравнительно новая. Является развитием РН "Союз-У". Первый полет совершила в 2004 году. Модификации 2.1а и СТ-А (версия для космодрома Куру) совершили 22 полета, все модификации - 46 полетов. За время эксплуатации было две аварии по вине разгонного блока и одна авария модификации 2.1б из-за нештатной работы двигателя третьей ступени. Аварий по причине отказа третьей ступени модификации 2.1а не было.
Третьи ступени различных модификаций "Союза":
11.gif

Третья ступень, еще одна схема:
12.jpg

Модификации третьей ступени отличаются, главным образом, двигателем. На 2.1а стоит давно использующийся, надежный и освоенный РД-0110, а на 2.1б - более новый, с улучшенными характеристиками, РД-0124.

Циклограмма:
13.gif

Разделение. Незадолго до того, как корабль выходит на заданную орбиту, двигатель третьей ступени начинает процесс выключения. Ракетный двигатель нельзя выключить мгновенно, у него есть т.н. "импульс последействия", который добавляет немного скорости и учитывается системой управления. После того, как двигатель выключен, срабатывают пирозамки, которые отделяют корабль от третьей ступени. Пирозамок - это замок, который открывается при срабатывании пиропатрона. В таком случае, в отличие от разрывных болтов, меньше встряска корабля. После отделения корабля, третья ступень открывает дренажный клапан бака окислителя и уходит в сторону на его оставшемся давлении. Процесс отделения хорошо виден на видео пуска спутника "Sentinel-1A" в Куру. Ракета-носитель - "Союз СТ-А", фактически, 2.1а с модификациями для Куру.



Версии аварии



14.jpg

Версия 1. Разрушение бака горючего третьей ступени. Самый вероятный вариант. Верхняя часть ступени разрушается, осколки секут агрегатный отсек "Прогресса", выводя из строя топливопроводы, антенны и прочие блоки. Избыточное давление отбрасывает ступень назад, а, корабль, соответственно, вперед, в результате чего корабль оказывается выше своей орбиты, а ступень ниже. Разрушение ступени выводит из строя ее блок телеметрии или антенны (они расположены в верхней части ступени), что объясняет пропадание телеметрии. Вращение корабля можно объяснить неравномерным истечением топлива из пробитых топливопроводов.
Проблема: Нужно найти причину разрушения бака. В конце работы ступени там практически нет топлива, это снижает нагрузку на нижнюю стенку бака, но может вырасти вибрация. Почему бак не разрушился в первые секунды полета? Также, запаса и давления газа в баке может физически не хватить для того, чтобы изменить орбиты ступени и корабля на 30 км каждую.

Подверсия. Диверсия. Бомба, подложенная диверсантом, прекрасно объясняет, "почему" взорвалась ступень, но создает гораздо более сложный вопрос - "зачем"? Идти на очень большой риск (бомбу надо подложить незаметно, ее потом могут обнаружить при проверках) ради того, чтобы взорвать консервы, баки с водой, влажные салфетки и пижамы для гражданских космонавтов? На мой взгляд это полный абсурд.

15.jpg

Версия 2. Разрушение двигателя. Наличие турбонасосного агрегата, который работает под нагрузкой, может логично объяснить взрыв с образованием опасных осколков. Также возможен вариант неверного закрытия клапанов, в результате чего может произойти прогар или взрыв не только в турбонасосном агрегате, но и в камере сгорания.
Проблема: Почему корабль и ступень разлетелись в разные стороны? Если бы осколки разлетались с нижней части ступени, логично было бы предположить равномерное или направленное большей частью вниз истечение газов из баков, что не согласуется с наблюдаемой картиной. Также, процесс неверного выключения двигателя должен был попасть на телеметрию до ее исчезновения.

16.jpg

Версия 3. Раннее отделение. Допустим, процесс разделения почему-то начался при еще работающем двигателе. В этом случае корабль получил импульс, "подпрыгнул" над ступенью, а затем ступень догнала корабль и врезалась в него, помяв агрегатный отсек.
Проблема: Это должно было быть заметно по телеметрии. Процесс сравнительно медленный, может занять до нескольких секунд и просто обязан попасть на телеметрию.

17.jpg

Версия 4. Разрушение агрегатного отсека "Прогресса". Объясняет проблемы корабля, но имеет фундаментальные недостатки:

  • До отделения "Прогресс" условно "спит", у него не наддуты топливные баки, чему взрываться?

  • Почему взрыв на "Прогрессе" выключил телеметрию на ступени? Получить тяжелые и опасные осколки от корабля гораздо сложнее.



18.jpg

Версия 5. Нарушение процедуры отделения. Представим, что "Прогресс" отделился лишь частично, повиснув на одном или нескольких замках. Начавшийся дренаж ступени стал раскручивать связку. Центробежная сила поломала замки, корабль и ступень разлетелись в стороны, силовое разделение повредило агрегатный отсек "Прогресса".
Проблемы:

  • Процесс очень медленный, должен попасть на телеметрию.

  • Не факт, что давления в баке окислителя хватит на раскрутку тяжелой связки.

  • Разница орбит требует, чтобы разрыв произошел, когда корабль будет строго спереди, а ступень - сзади, что при вращении не очень вероятно.

  • Сломавшийся замок не означает обязательного повреждения агрегатного отсека.



Заключение


Комиссия по расследованию аварии должна представить результаты до 13 мая. Надеюсь, причина аварии будет обнаружена, и в дальнейшем такого типа аварий больше не будет.
Не сочтите за цинизм или сарказм, но в том, что эта авария случилась, есть хорошая сторона. Ракета "Союз-2.1а" сравнительно новая, и на нее когда-нибудь пересядут пилотируемые "Союзы". Представьте, что такая авария случится с живыми людьми. Космонавтам придется срочно разбираться, что происходит, устранять начинающееся вращение, определять потерянные и оставшиеся ресурсы. Срочно садиться? Но посадка будет в южной части Тихого океана, это значит аварийное приводнение и ожидание спасения часами и сутками. Ждать хотя бы один виток? Но топливо утекает, что если оно совсем кончится? А если неисправны двигатели? Как тормозить и садиться? А на многодневное ожидание естественного торможения может не хватить электричества или кислорода. В любом варианте получается страшная картина. И не факт, что из такой переделки вообще возможно выбраться живыми. А сейчас, и разработчики, и производственники проведут расследование, и есть надежда, что такая страшная опасность не будет больше никому угрожать.

Список использованных источников


Кроме указанных в тексте в качестве ссылок использовались:


По тегу "космические происшествия" - другие аварии и катастрофы, случившиеся и нет.




@темы: космос, аварии и происшествия

19:12 

Фантазия о специализированных ступенях

01.jpg
Современные ракеты-носители рождены для космоса. Земная атмосфера им только мешает. Она требует ставить тяжелые обтекатели на полезную нагрузку, добавлять топливо на преодоление сопротивления воздуха и парирование порывов ветра. Но земная атмосфера не обязательно должна быть помехой. Крылья могут опираться на воздух, создавая подъемную силу, а кислород для двигателей можно получать вместе с воздухом, а не везти его с собой в тяжёлых баках. Что если пофантазировать и создать концепт для выведения полезных грузов на орбиту, используя специализированные ступени?

Исток проблемы


Выход на орбиту - это, главным образом, скорость. Эксперименты по пуску вертикально вверх геофизических ракет в 40-х и 50-х не привлекали особого внимания. Ракета могла подняться на сотни километров, но через несколько десятков минут всё равно падала обратно на Землю. Информационный фурор первого спутника заключался в том, что впервые в истории человечества удалось разогнать рукотворный объект до восьми километров в секунду. Если мы говорим о скорости, то у двигателей должна быть некоторая характеристика, показывающая, насколько хорошо этот двигатель разгоняет наш аппарат. Такая характеристика называется удельным импульсом.
Удельный импульс - это количество секунд, на которое хватит одного килограмма топлива для создания двигателем тяги в 1 Ньютон. Удельный импульс измеряется в секундах или метрах в секунду.

Посмотрим диаграмму значений удельного импульса для разных типов двигателей и разных скоростей полёта:

02.png

На дозвуковых скоростях энергию топлива лучше направить в работу турбин или винтов, чем сжигать для создания реактивной тяги. Поэтому сейчас на гражданских самолётах стоят турбореактивные двигатели с высокой степенью двухконтурности и винтовентиляторные двигатели. Максимальное значение удельного импульса делает такие двигатели экономичными, но на них принципиально не получится разогнаться до больших скоростей.
В более широком диапазоне работают турбореактивные двигатели. На них можно стартовать с аэродрома и разогнаться до 2-3 М. Но за это придётся заплатить уменьшением удельного импульса, поэтому такие двигатели сейчас ставятся в основном на военные аппараты, которым не так важна топливная экономичность.
ПВРД - это прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ПВРД очень просто устроен и позволяет летать на сверхзвуковых скоростях. Одна беда - нуждается в разгонной ступени или носителе, потому что не работает при дозвуковых скоростях. ПВРД из-за своей простоты широко используется в боевых ракетах.
ГПВРД - это гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ГПВРД отличается от ПВРД тем, что в камеру сгорания воздух попадает со сверхзвуковой скоростью. Он просто устроен на картинке, но за этой простотой стоят очень сложные расчёты. ГПВРД испытываются в разных странах последние лет двадцать, но серийных аппаратов с ними пока не делали.
Ну и, наконец, ракетные двигатели на этой диаграмме показывают свою независимость от атмосферы и скорости движения.

Искушение универсальностью


А можно ли сделать универсальный аппарат, который бы смог летать в диапазоне 0-10 М? Самым близким к такому диапазону был SR-71 Blackbird, и он очень наглядно показывает сложность задачи. Для диапазона "всего лишь" 0-3,2 М понадобилось делать гибрид турбореактивного и прямоточного двигателей и создавать новое топливо. Посмотрите схему работы двигателя или видео:



Наш несовершенный мир устроен так, что универсальное устройство будет дороже, сложнее, менее надежным или функционально хуже специализированных, если совмещаемые в устройстве функции не будут родственными. Легко добавить будильник в мобильный телефон - там уже есть часы, экран, клавиатура, батарея и динамик. Но создать гибрид самолёта и автомобиля, или двигатель, способный работать на стоянке, сверхзвуке и гиперзвуке гораздо сложнее.

Постановка задачи


Каких показателей мы хотим добиться, и что будет нас ограничивать?

  • Полезная нагрузка предполагается в районе 10 тонн. Почему такая цифра? Этого хватит для того, чтобы вывести тяжелый спутник на околоземную орбиту или отправить стандартный спутник на геопереходную орбиту. Слишком маленькая полезная нагрузка очень облегчит нам задачу, но в этом случае возникнет вопрос осмысленности всей системы. Слишком большая полезная нагрузка потребует циклопических и космически дорогих конструкций.

  • Технические решения выбираются с максимальным уровнем технической готовности, в идеале, имеющие историю серийного производства. Во-первых, это гарантирует принципиальную реализуемость решения. Во-вторых, освоенные технологии должны быть дешевле.

  • При выборе технических решений также будем избегать гигантизма. Конструкции планетарного масштаба, самолёты-носители с десятками двигателей - всё это может красиво выглядеть, но нереализуемо в ближайшие десятилетия.



При создании нашего концепта будем двигаться "сверху вниз", это должно облегчить процесс принятия решений.

Верхняя ступень


Верхняя ступень будет отвечать за разгон до первой космической скорости. Очевидно, это должна быть ракетная ступень. В качестве топливной пары выберем жидкий кислород и жидкий водород. Они освоены уже давно и достаточно хорошо. Почему именно они? Для верхней ступени крайне важен удельный импульс, а из привычных нам топливных пар только кислород-водород способны дать нам удельный импульс порядка 450 с.
Забегая вперед, скажем, что начальная скорость верхней ступени будет в районе 5 М на высоте ~30 км, т.е. 1500 м/с. Примерный расчёт даёт начальную массу в районе 60-80 тонн в зависимости от массы пустой верхней ступени.

Вторая ступень


Вторая ступень выполняет функцию разгона полезной нагрузки в атмосфере. Для этого ей пригодятся небольшие крылья - они будут создавать подъёмную силу. Но какой двигатель поставить на этот аппарат? Вариант с ракетным двигателем отметаем - он не использует кислород из атмосферы и поэтому имеет слишком низкий удельный импульс. ТРД теряет эффективность после 2 М. Остаётся один вариант - ПВРД. Кроме того, что он способен работать до скоростей в районе 5 М, его простота означает сравнительно небольшую массу, что крайне положительно скажется на характеристиках нашего аппарата.
Массу аппарата на уровне концепта определить можно только очень приблизительно, потому что нет прямых образцов для сравнения. Навскидку, если сравнивать с массовым совершенством грузовых самолётов, то начальная масса двух ступеней и полезной нагрузки попадёт в диапазон 250-350 тонн. Аппарат будет, очевидно, многоразовым.

Первая ступень


Двигатель второй ступени не может работать на дозвуковых скоростях. Поэтому нужно добавить ещё одну ступень, которая разгонит наш аппарат от нуля до 1,2-1,5 М. Каким образом мы можем это сделать? Идея самолёта-носителя отметается сразу - грузовые самолёты дозвуковые, и 300 тонн не может поднять никакой серийный грузовой самолёт. Теоретически можно поставить твердотопливные ускорители размером поменьше тех, которые были на Спейс Шаттле. Но можно возродить систему, которую предполагали использовать первые теоретики ракетного движения и фантасты - старт с рампы. Построив практически обычные рельсы, можно просто и дёшево разгонять вторую ступень на ракетных санях. Можно предположить следующие плюсы:

  • Крепление ускорителей к саням должно снизить прочностные требования к второй ступени.

  • После запуска ускорители вместе с санями тормозятся и могут без проблем использоваться повторно (что сложнее обеспечить для сбрасываемых в воздухе ускорителей).

  • Небольшое и переносимое людьми ускорение в 4 g потребует всего 3 км для достижения скорости 1,2 М и 3,2 км - для 1,5 М.

  • Горизонтальный разгон не требует преодолевать притяжение земли, стартовые ускорители становятся меньше.

  • Не нужно строить дорогие и циклопические конструкции.


Самым известным полигоном, использующим ракетные сани, является полигон на базе Холломан, где длина рельсов уже перевалила за 15 км, а максимальная достигнутая скорость - 8,5 М:

03.jpg
Четырёхступенчатые ракетные сани, достигшие скорости 8,5 М в 2003 году

Аналоги


Человечество отличается хитростью и изобретательностью, поэтому стоит поискать уже придуманные подобные схемы. В 2010 году NASA проводило исследования этой же идеи на более продвинутых технологиях. Вместо ракетных саней предлагалось использовать электромагнитную или газовую катапульту, а вместо ПВРД поставить ГПВРД, которые бы смогли разогнать вторую ступень до вдвое большей скорости - 10 М. Была даже сооружена модель системы:

04.jpg

Команда разработчиков предложила десятилетний план осуществления проекта. Жаль, новостей позже 2010 года найти не удалось. Вряд ли проект активно разрабатывается.

Также, родственными будут концепции:
StarTram, предполагающий разгон полезной нагрузки на маглеве до скоростей в районе первой космической.
Maglifter, идея 1994 года, также предлагающая использовать маглев для замены обычной первой ступени ракеты-носителя.

Заключение


Предложенная схема может иметь следующие достоинства:

  • Высокий уровень технической готовности компонентов, технологии освоены и недороги.

  • Простота обеспечения многоразовости первой и второй ступеней.

  • Удельный импульс второй ступени выше, чем у ракетных ступеней.

  • Реализация новых технологий может повысить общую эффективность системы. Например, если удастся создать гибрид ПВРД/ГПВРД, то скорость отделения третьей ступени и зону повышенного удельного импульса можно серьезно увеличить.

  • Стартовое сооружение универсально - по одним и тем же рельсам можно запускать стандартные и облегченные ступени.



Идей облегчения доступа в космос много, кто знает, может быть, в будущем космолёты будут стартовать с рамп, как это придумывали век назад?

05.jpg
Фильм "Космический рейс", 1935 г. Если не смотрели - рекомендую, как-никак К.Э. Циолковский - научный консультант

По тегу "Облегчение доступа в космос" другие публикации этой тематики - грустная история экономической неудачи Спейс Шаттла, идеи воздушного старта, "одной ступенью на орбиту", "большого глупого носителя".




@темы: космос

19:09 

Один большой или много маленьких?

01.jpg
Переживали ли вы когда-нибудь за судьбу межпланетного зонда? Большой аппарат, в который вложили годы труда, начинённый передовыми научными инструментами, входит в атмосферу далёкой планеты, и не факт, что отзовётся с поверхности. Прецедентов хватает - зонды разбивались, разрушались в атмосфере или замолкали по неизвестной причине. И вся миссия пропадала зря. Даже если посадка проходила успешно, всего один аппарат не мог быть в нескольких местах одновременно, и приходилось выбирать между множеством потенциально интересных мест. Также место должно было быть безопасным - риск потери зонда перевешивал научный интерес. Но сейчас на орбите Земли летают десятки микро- и наноспутников, что если применить эту идею для межпланетных станций?

Первый успех


Первой миссией, где вместе с большим зондом летело несколько маленьких, стал "Пионер-Венера-2", запущенный в 1978 году. Большой аппарат садился в районе экватора, а три малых расходились в стороны. Один садился на ~60° северной широты, второй - далеко на ночной стороне, а третий - на дневной. Конструкция аппаратов была простой:

02.gif
1- антенна, 2 - термометр, 3 - теплозащита, 4 - герметичный контейнер с батареями и электроникой, 5 - нефелометр, 6 - радиометр.

Малые аппараты не имели даже парашюта. "Дневной" аппарат превзошёл ожидания конструкторов, выдержал удар о поверхность и ещё час передавал данные.

Полоса неудач


Следующей станцией, которая несла на себе "обойму" аппаратов, стал сверхамбициозный "Марс-96". Самая тяжелая марсианская станция, кроме орбитального модуля, несла две посадочные станции и два пенетратора:

03.jpg

Посадочные станции в надувной амортизационной оболочке должны были садиться на парашютах, а пенетраторы - стабилизироваться надувным коническим тормозным устройством и втыкаться в Марс на скорости ~80 м/с. После удара передняя часть должна была погрузиться на 5-6 метров, разматывая за собой провода, и передавать данные на хвостовую часть, оставшуюся на поверхности.

04.jpg

Каждый пенетратор нёс 10 научных приборов и обещал собрать уникальные данные о Марсе. До сих пор ни один аппарат не погружался в Марс так глубоко. Очень жаль, что станция не ушла к Марсу с земной орбиты и сгорела в атмосфере спустя несколько часов.

В 90-х годах NASA запустило программу "Новое тысячелетие", в рамках которой вместе с аппаратом Mars Polar Lander к Марсу отправились два малых зонда Deep Space 2. Они размещались в теплозащитной аэрооболочке:

05.jpg

Отделившись незадолго до посадки, они должны были упасть без парашюта, разбить оболочку при ударе и погрузить переднюю часть на полметра в Марс:

06.jpg

07.gif

Третьего декабря 1999 года аппараты погрузились в атмосферу Марса, но ни большой Mars Polar Lander, ни малые пенетраторы на связь так и не вышли. Причина аварии всех аппаратов так и осталась неизвестной.

Ответвление


В нулевых годах про идею малых аппаратов писали статьи, но реальные межпланетные станции максимум несли один посадочный аппарат для Юпитера, Марса или Титана. Зато концепция простого аппарата, который способен выдержать вход в атмосферу, получила любопытное ответвление. Информацию о прохождении аппаратом плотных слоёв атмосферы предложили записывать в "чёрный ящик", который бы выжил при разрушении основного аппарата и был бы способен передать данные для дальнейшего расследования. Так родился проект Reentry Breakup Recorder (REBR), который уже три раза фиксировал разрушение в плотных слоях атмосферы грузовых кораблей снабжения МКС и успешно передавал данные.

08.jpg
Схема аппарата. Ничего сложного - батареи, устройство фиксации данных и передатчик

На базе технологий REBR предложен проект Pico Re-Entry Probe, очень дешёвого универсального аппарата, способного выдержать торможение в плотных слоях атмосферы и передать данные. Например, предлагается ставить попутной нагрузкой к спутникам:

09.jpg
Орбита спутника-носителя постепенно деградирует, он сгорает в атмосфере, а PREP передает данные сразу на спутник связи, без необходимости поиска и подбора

С помощью PREP предлагается получать данные о поведении подсистем и материалов космических аппаратов, или, например, проводить дешёвые исследования атмосферы.

Новая надежда


В последние годы количество идей применения микро-, нано- и пикозондов резко увеличилось. Летом прошлого года писали про зонды-микросхемы "чипсаты", которые предлагается сбрасывать на спутник Юпитера Европу.
Весной этого года в университете Торонто предложили сбросить рой аппаратов в атмосферу Юпитера (проект SMARA):

10.jpg

А в марте некоммерческая организация Planetary Science Institute предложила проект MARSDROP:

11.jpg

В освоенной аэрооболочке предлагается разместить посадочный зонд с управляемым парашютом-крылом. Такое сочетание, как ожидается, сможет обеспечить точную посадку в интересный с точки зрения науки участок поверхности Марса - свежий кратер, каньон, район вулканической активности, ледник. Разработчики предполагают, что такой зонд будет способен пролететь в атмосфере Марса до 10 км, скомпенсировав неизбежную неточность торможения в атмосфере, и доставить аппарат массой 1 кг точно к цели. Ожидается, что два аппарата MARSDROP, взятые попутным грузом к основной миссии, увеличат её стоимость не более, чем на 5%.

Анализ


Идея использования роя зондов для исследования планет имеет следующие достоинства и недостатки:

Достоинства:

  • Новый уровень сбора научных данных. Сетка аппаратов способна дать пространственное представление климата, погоды или геологических данных. Один аппарат принципиально не может этого сделать.

  • Большая интегральная надежность миссий - отказ одного аппарата не фатален.

  • Возможность пойти на больший риск - можно сбросить несколько аппаратов в долину Маринера, на Олимп или на равнину Эллада.

  • Больше научных данных. Случайный промах при посадке китайского лунохода открыл новую информацию о геологии Луны. А если бы высадилась сотня аппаратов?



Недостатки:

  • Ограничение массы одного аппарата означает, что на него нельзя поставить сложные и большие научные приборы. Также, аппараты вряд ли смогут передвигаться или существовать годами.

  • Малые размеры диктуют небольшую энергетику - орбитальный ретранслятор становится обязателен. Также, к ретранслятору повышаются требования по передаче данных.



На мой взгляд достоинства очевидно перевешивают, надеюсь, в недалеком будущем, рои зондов дополнят привычные нам большие сложные аппараты.

Список использованных источников


Кроме источников, указанных в тексте, использовались:





@темы: космос

11:12 

Китай - ракетное топливо из угля

Оригинал взят у gorynych1 в Китай - ракетное топливо из угля
Вот не знаю, врут или не врут, но информация такая:

http://russian.news.cn/science/2015-04/14/c_134150586.htm
Китай первым в мире применяет в космической отрасли керосин, изготовленный из угля.

Пекин, 14 апреля /Синьхуа/ -- В испытательной зоне 6-го института Китайского объединения космических технологий /CASC/ на днях успешно завершена горячая обкатка ракетного двигателя с использованием космического керосина, полученного путем прямого сжижения каменного угля. Об этом сообщили накануне в крупнейшем угледобывающем предприятии Китая -- корпорации "Шэньхуа".

Как стало известно в корпорации "Шэньхуа", новый керосин был разработан при сотрудничестве с корпорацией CASC. Это первый в мировой практике случай применения керосина, полученного из каменного угля, в космической области. Это означает, что Китай добился важного успеха в области изготовления космического керосина из угля, и имеет важное значение для удовлетворения потребностей быстро развивающейся китайской космонавтики в топливе. Ведь ранее в Китае космический керосин изготовлялся путем обработки сырой нефти, добытой из специальных скважин.

Корпорация "Шэньхуа" несколько лет назад создала в автономном районе Внутренняя Монголия /Северный Китай/ первую в мире показательную производственную линию по прямому сжижению каменного угля, способную выпускать 1 млн тонн жидкого топлива в год и из него изготавливать керосин, который считается потенциальным заменителем космического топлива.

Сотрудничество корпораций "Шэньхуа" и CASC началось в 2013 году после заключения рамочного соглашения. Совместная разработка космического керосина вскоре дала положительные результаты. До официальной горячей обкатки ракетного двигателя были проведены необходимые предварительные обкатки и испытания. -0-

=========================================================

Прикольно. Как бы, почти... космический, хм... паровоз... :)




@темы: полезные ископаемые, космос, энергетика

14:12 

Космические колонии в мечтах жителей планеты Земля (1970-е)

Оригинал взят у viribusunitis1 в Космические колонии в мечтах жителей планеты Земля (1970-е)
Давно мы не писали о будущем с точки зрения прошлого (палеобудущем). В 1970-е годы НАСА организовало несколько летних школ, участники которых работали над созданием концепциями будущих космических колоний. На основании этих дизайнов художники изготовили вот эти иллюстрации. Каждая представленная колония представляет собой поселение размером в "калифорнийский пляжный городок" с полным циклом самообестпечения, искусственной гравитацией, системами регенерации воды и погоды. Дизайнеры сошлись на трёх основных типах колоний: тороидальной, сферической и цилиндрической. В каждом случае объект вращается для симуляции гравитации Земли. Предполагалось, что материалы для строительства колоний будущие жители смогли бы добыть на Луне и астероидах. На земной орбите существует 5 так называемых "точек Лагранжа" или "точек либрации" (точки Лагра


@темы: история, космос

17:33 

Чтение газет из космоса - очередной космический миф?



    Гипотетический снимок грузовика из космоса в боевике “Миротворец“ 2007 года.

      В сюжетах голливудских боевиков часто показывают, как со шпионских спутников читают газеты или номерные знаки автомобилей. Но так ли это на самом деле?

      Существуют предположения, что самые крупные спутники для оптических наблюдений (KH-11) имеют у себя телескопы с зеркалами, идентичными по диаметру космическому телескопу имени Хаббла. То есть 2.4 метра. Тем самым теоретически эти спутники должны при фотографировании поверхности Земли получать разрешение 5 см или лучше (в случае более крупных зеркал – диаметр головного обтекателя тяжелых РН ограничен 5 метрами). В итоге лучшие снимки с этих спутников могут выглядеть следующим образом:





         Взято отсюда.

         Первые большие сомнения в этих характеристиках возникли в 1990 году. Это было вызвано тем, что выведенный в космос космический телескоп “Хаббл“ не смог выполнять свою задачу по причине заводского брака при изготовлении его главного зеркала. Тем самым, это породило большие сомнения, что военные спутники используют такие большие зеркала. В противном случае к моменту создания телескопа Хаббл уже бы существовало отлаженное производство таких больших зеркал для использования их в космосе. Правда недавно военные подарили NASA два 2.4-метровых зеркала, но и в этом случае оказалось, что они имеют отличную оптическую схему. У этих зеркал поле зрения почти в 100 раз больше, чем у телескопа “Хаббл“. Следовательно, и их разрешающая способность при наблюдении поверхности нашей планеты будет значительно меньше.


         С другой стороны, если бы разведывательные спутники могли получать четкие снимки с разрешением в несколько см на пиксель, то отпала бы необходимость в аэрофотосъемке. В тоже время, как показывает практика, у космических держав до сих пор есть и разведывательные самолеты, и специальный договор об Открытом небе. Согласно этому договору, его участники совершают друг у друга регулярные разведывательные полеты с использованием авиации для наблюдения за военной инфраструктурой с целью повышения взаимного доверия.



      Пример коммерческой аэрофотосъемки частного сектора с разрешением 7 см на пиксель. На нем хорошо видна женщина в красной одежде. Крупнее снимок можно увидеть здесь. Взято здесь.


    Примечание. Более того, в последние годы появилась совершенно новая область аэрофотосъемки с использованием небольших беспилотных аппаратов. При высоте полета в 30-50 метров они получают снимки поверхности с разрешением всего лишь в 1-2 см на пиксель.


        Затем появились дополнительные свидетельства, что космическая разведка далеко не всемогуща. Дело в том, что интерес представляет не только фотографирование поверхности Земли из космоса, но и фотографирование самих секретных спутников с Земли. Для этой задачи требуются специальные телескопы, с очень быстрой системой наведения, которая позволяет отслеживать быстро пролетающий по небу космический аппарат. Самый крупный такой специализированный телескоп был построен на Гаваях: он называется AEOS (Advanced Electro Optical System Telescope).



    Телескоп AEOS. Источник.


     Этот телескоп весит 75 тонн, имеет 3.67-метровое главное адаптивное зеркало с 941 активными корректорами. Кроме того важно отметить, что телескоп установлен в одном из лучших мест для астрономических наблюдений – на высоте в 3 км над уровнем моря. По открытым источникам телескоп способен выполнять наблюдения космических аппаратов и баллистических ракет с помощью  оптической и инфракрасной камер. В идеале этот телескоп должен был фотографировать низкоорбитальные спутники с разрешением в сантиметр на пиксель. Однако его обнародованные возможности оказались гораздо скромнее. Дело в том, что в 2003 году произошло печальное событие – разбился космический корабль “Колумбия“. Катастрофа случилась из-за повреждения кромки крыла кусками льда при запуске. Уже быстрое изучение записи запуска позволило заподозрить, что произошло непоправимое. В связи с этим NASA запросило военных о том, чтобы они сделали, как можно более детальные снимки космического корабля в космосе, для того чтобы оценить, насколько опасны его повреждения для входа в атмосферу. В результате были задействованы не разведывательные спутники, а именно телескоп AEOS. Снимки действительно были получены, и на них не было обнаружено никаких повреждений космического корабля. После катастрофы и её расследования эти снимки были опубликованы:




      Снимок Колумбии с помощью оптической камеры телескопа AEOS. Источник.

       По сообщениям разрешение этих снимков составило 6-8 дюймов или 15-20 сантиметров на пиксель. Это значение определенно говорило о жестком пределе оптики при наблюдениях через всю земную атмосферу. Особенно учитывая, что космические телескопы значительно меньше по габаритам и возможностям бортового электропитания. Также наземные телескопы располагаются обычно в идеальных местах для наблюдений, а спутникам для оптических наблюдений в основном приходиться фотографировать области суши вблизи уровня моря, где наблюдается максимальная толщина земной атмосферы.

       С годами появляется все больше фактов, что возможности космической съемки в оптике ограничены разрешением порядка 30-50 см на пиксель. Дело в том, что со временем правительственные службы сначала сняли ограничения на свободное распространение космических снимков с разрешением до 50 см на пиксель, а совсем недавно и до 25 см. Поэтому сейчас можно сравнить снимки из космоса с 50 см и 30 см разрешением.



    Перекресток в ОАЭ с разрешением в 0.5 метра. Взято отсюда.



      Перекресток в Нью-Йорке с разрешением в 0.3 метра. Взято отсюда.

       Сравнение показывает, что количество пикселей действительно значительно выросло при переходе к более высокому разрешению. Однако детальность (информативность) снимка при переходе разрешения от 0.5 до 0.3 метров выросла очень незначительно. Поэтому и не исключено, что предел возможности космической оптики для фотографирования Земли уже достигнут.  Лучше снимков Земли из космоса мы уже не увидим. Налицо гибель ещё одного космического мифа.

       Интересно мнение читателей по этому вопросу.



@темы: космос

19:12 

Апология OTRAG или как взрываются ракеты

01.jpg
Продолжаем разговор о модульной "большой глупой" ракете-носителе OTRAG. Во второй части мы с цифрами в руках доказали, что надежность большой связки ракетных блоков может быть обеспечена добавлением избыточных блоков. Следующее возражение, которое неоднократно поднималось в комментариях, представляет собой сценарий лавинообразного разрушения пакета при отказе одного блока. Рисуется страшная картина, когда отказ одного блока приводит к взрыву, осколки пробивают соседние блоки, которые тоже взрываются, и вся ракета-носитель разлетается на куски. Поэтому сегодня мы поговорим о физике взрыва, о том, что может взорваться в ракете, и как оно будет это делать.

Введение


Для начала посмотрим известную компиляцию аварий ракет-носителей:



Обратите внимание, что взрывы не являются основным типом аварии, а самый впечатляющий "бабах" происходит уже при ударе ракеты о землю или после разрушения в полёте.

Физика взрыва


Что такое "взрыв" с точки зрения физики? Что любопытно, здесь нет простого ответа. Взрываться могут химическая взрывчатка, атомная бомба, паровой котёл, вулкан, звезда, и даже падение метеорита может сопровождаться взрывом. Несмотря на абсолютно разные принципы, все эти взрывы сопровождаются выделением большого количества энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени. Если взрыв связан с горением вещества, то в случае, когда фронт горения движется быстрее скорости звука, такой процесс называется детонацией. Для создания сверхзвукового фронта могут потребоваться специальные устройства - детонаторы. Например, тротил (тринитротолуол), если его поджечь, будет спокойно гореть. Но если в тротиловую шашку вставить детонатор, он уже может инициировать взрыв. Вещества типа пороха не могут детонировать, они "всего лишь" быстро горят. И если горение происходит в замкнутом объёме, то давление может повыситься настолько быстро, чтобы эффективно выбросить из ствола пулю или снаряд.

Что может взрываться в ракете?


Заряды аварийного подрыва. Собственно говоря, это единственный элемент, который может детонировать в ракете-носителе. Чтобы неуправляемая ракета не причинила вреда, её подрывают. Вот, например, расположение шнуровых зарядов, которые ставились на "Спейс Шаттлы":

02.jpg

Длинные заряды взрывчатки должны были быстро и эффективно разрушить внешний топливный бак и твердотопливные ускорители. Например, в катастрофе "Челленджера" ускорители пережили разрушение шаттла и топливного бака, и были подорваны этими зарядами несколько секунд спустя.
В советской/российской традиции, когда космодром находится вдалеке от густонаселенных мест, у аварийной ракеты просто выключают двигатели. В таком случае взрывчатки на ракете нет вообще.

Разрушение твердотопливного ускорителя. Твердотопливные ускорители, как известно, нельзя выключить после зажигания. А их тяга регулируется профилем отверстия в блоке твёрдого топлива:

03.gif

Если в топливной шашке есть, например, трещина, то её поверхность тоже начнёт гореть, резко повысив давление. Если трещина большая, всплеск давления может разрушить ускоритель, устроив очень впечатляющий взрыв:



Разрушение двигателя. Камера сгорания с системой регенеративного охлаждения, форсуночные головки, трубопроводы и соединения - любой отказ здесь может привести к разрушению двигателя. Так, например, разрушилась форсуночная головка в полёте Dragon CRS-2 в 2012 году:



Взрыв был достаточно мощным - на видео видно сорванный обтекатель двигателя. Но SpaceX повезло - не образовалось осколков, которые бы повредили соседние двигатели, Dragon успешно долетел до МКС.

Разрушение турбонасосного агрегата. Турбонасосный агрегат - это высоконагруженная турбина, которая вращается с огромной скоростью и прокачивает десятки и сотни килограмм компонентов топлива в секунду:

04.jpg

Она может разрушиться из-за дефекта материала (в авиации известны случаи разрушения турбин, когда дефект закладывался ещё на этапе отливки титановой болванки). Если ротор "чиркнет" по стенке, то выделившееся от трения тепло резко поднимет давление и вызовет взрыв. В ТНА также может попасть посторонний предмет из топливного бака, что, опять же, приведёт к взрыву. Разрушение ТНА опасно тем, что очень быстро вращающаяся турбина может разлететься на тяжёлые и опасные осколки. Предположительно, разрушение турбонасоса привело к аварии Antares Orb-3 осенью 2014 года. Результаты расследования пока не объявлены, но изменение цвета пламени незадолго до взрыва и серьёзное разрушение хвостовой части ракеты делают эту версию весьма вероятной.

Разрушение баков и трубопроводов. Наименее вероятный и наименее взрывоопасный вариант. Небольшая утечка может остаться незамеченной, средняя - устроить пожар, и нужно специально придумывать сценарий, который бы привёл к взрыву. Что-то вроде разрушения трубопровода топлива, которое бы привело к образованию смеси топлива и атмосферного воздуха в двигательном отсеке и последующему взрыву этой смеси.

Что может взорваться в OTRAG?


Вспоминаем конструкцию ракетного блока OTRAG:

05.jpg

Баки топлива, окислителя и газа наддува взорваться не могут. Точнее, простейшая опрессовка немного повышенным давлением позволяет узнать - выдержит ли этот конкретный блок рабочее давление. Если маловероятное событие разгерметизации всё-таки произойдет, то начнётся утечка компонентов без условий для взрыва. Пространство между блоками в условиях атмосферного обдува в полёте не позволит сформироваться компонентам для объёмного взрыва. Даже катастрофическая потеря герметичности в случае, например, отказа креплений стыка, не может привести к образованию опасных для соседних блоков осколков.

Турбонасосный агрегат не может разрушиться в OTRAG просто потому, что его там нет. Подача компонентов топлива производится газом наддува и не использует дополнительных насосов.

Что же касается камеры сгорания и двигателя, они устроены максимально просто:

06.jpg
Блок управления тягой. Видны две трубы (окислитель и горючее), мотор привода клапанов и стержень, соединяющий клапаны для одновременного изменения подачи компонентов

07.jpg
Слева - блок форсунок. Шарик на переднем плане, очевидно, показывает, что клапан подачи компонентов представляет из себя обычный шаровой кран

08.jpg
Камера сгорания. Охлаждение стенок абляционное

09.jpg
Двигатель в сборе на стенде

Что любопытно, в середине нулевых годов Лутц Кайзер навестил компанию Armadillo Aerospace и подарил им экземпляр современной версии инжектора:

10.jpg
Блок управления тягой

11.jpg
Вид сверху, хорошо видны шаровые краны

12.jpg
Блок форсунок

Подобная конструкция, работающая в условиях 40 атм, взорваться не может. Здесь нет системы регенеративного охлаждения, которая могла бы прогореть, нет сложных трубопроводов, а форсуночные головки, высверленные в металле, обладают видимым запасом прочности. Вообще, двигатель своей простотой напоминает сантехнику - два шаровых крана и лейку душа.
Хорошо, дадим волю паранойе и попробуем представить, что всё-таки произойдёт в случае катастрофического отказа конструкции? Забавно, но на YouTube есть видео похожих отказов - какая-то японская компания испытывала ракетные двигатели. Это сложнее OTRAG, и, тем не менее, в худшем случае, двигатель просто улетает. Если бы это произошло в полёте, то улетевший двигатель никак не мог бы повредить соседние блоки.



Финальный аргумент. 40 атмосфер - это немного по современным меркам. В бытовом газовом баллоне 20 атмосфер, всего в два раза меньше OTRAG, и это не мешает их широко использовать, при том, что качество их обслуживания далеко не космическое. Баллоны для аквалангов работают с 200 и 300 атмосферами, и, не смотря на это, они широко распространены и с успехом применяются.

Заключение


Надеюсь, приведенных аргументов достаточно для того, чтобы признать сценарий лавинообразного разрушения блоков крайне маловероятным. Из OTRAG вполне могла получиться хорошая и надежная ракета.

Список использованных источников



  1. Фотогалерея

  2. Подборка материалов

  3. Визит Кайзера в Armadillo Aerospace






@темы: космос

06:08 

Занимательная теория вероятностей или сколько нужно двигателей?

01
В обсуждении проекта "большого глупого носителя" OTRAG, состоящего из пакета простых ракет, неоднократно поднимался вопрос надёжности такого количества двигателей. Вспоминалась печальная история советской сверхтяжёлой ракеты Н-1, у которой на первой ступени стояло 30 двигателей, и которая ни разу за четыре полёта не долетела до конца её работы. В комментарии рассказать про теорию вероятностей и расчёт надёжности места нет, поэтому предлагаю вашему вниманию занимательный рассказ о количестве двигателей, надёжности, комбинаторике и теории вероятностей.

Задача первая, ознакомительная


02

Для начала рассмотрим простой пример. Представим себе, что у нас есть ракета. Мы можем поставить на неё один мощный двигатель или четыре средних двигателя. У всех двигателей надёжность 0,9. То есть, если мы 100 раз запускали эти двигатели в полёт, они работали нормально в ~90 случаях. В каком случае у нашей ракеты будет выше надёжность - на мощном двигателе или на средних?
Полёт ракеты с одним мощным двигателем будет, очевидно, успешен с вероятностью 0,9.
Если для успешного полёта ракеты нужно, чтобы успешно отработали все 4 двигателя, то их надёжности надо перемножить. Т.е.

Pуспеха на средних двигателях=0,9*0,9*0,9*0,9=0,6561

Получается, что из 100 запусков ракета на одном мощном двигателе долетит в 90 случаях, а на четырёх средних - всего в 66 случаях. Казалось бы, OTRAG с 64 блоками для вывода 1 тонны на орбиту обречён. Однако, не всё так просто. А если мы возьмём четыре двигателя с такой же надёжностью, но такой тягой, что для успешного выведения на орбиту хватит трёх двигателей из четырёх? Как рассчитать надёжность в этом случае?
В этом случае вероятность успешного полёта будет рассчитываться следующим образом:
Во-первых, с вероятностью 0,94=0,6561 все четыре двигателя отработают нормально.
Событие "этот двигатель вышел из строя, а остальные отработали нормально" имеет вероятность 0,1*0,93. Поскольку всего двигателей 4, нужно умножить вероятность этого события на 4:
4*0,1*0,93=0,2916
События "все двигатели отработали нормально" и "один двигатель вышел из строя" не могут произойти одновременно и входят в полную группу возможных исходов, поэтому мы можем их сложить для подсчёта вероятности успешного исхода:

Pуспеха на средних двигателях с возможностью одного отказа=0,6561+0,2916=0,9477

Вот так вот, один избыточный двигатель сделал нашу ракету гораздо надёжней. Продолжим наши расчеты дальше. А что, если наши "средние" двигатели стали настолько мощными, что даже в случае двух отказов ракета успешно выйдет на орбиту?
Вероятность события "все двигатели отработали успешно" нам известна - 0,6561.
Вероятность события "отказал один двигатель" тоже известна - 0,2916.
Найдем вероятность события "отказали два двигателя". Вероятность события "отказали этот и этот двигатели, а остальные отработали нормально" равна 0,12*0,92. Но сколькими способами можно выбрать два двигателя из четырех?
Число сочетаний Cnk - читается как "C из n по k" - это количество способов, которым можно выбрать k элементов из множества n элементов, если элементы не возвращаются обратно после выбора и их порядок не имеет значения. Формула расчёта:

Нам нужно выбрать два двигателя из четырёх, поэтому C42=4!/(2!(4-2)!)=(1*2*3*4)/((1*2)*(1*2)=24/4=6.
Отсюда следует, что вероятность события "отказали два двигателя" равна 6*0,12*0,92=0,0486, и

Pуспеха на средних двигателях, допускающих до двух отказов=0,6561+0,2916+0,0486=0,9963

Если приглядеться, получается достаточно простая закономерность:

Pвсе двигатели отработали успешно=C40*0,10*0,94=0,6561
Pотказал один двигатель=C41*0,11*0,93=0,2916
Pотказали два двигателя=C42*0,12*0,92=0,0486
Pотказали три двигателя=C43*0,13*0,91=0,0036
Pотказали все четыре двигателя=C44*0,14*0,90=0,0001

Как и положено для полной группы событий, сумма вероятностей дает 1.


Вывод: Зная надёжность компонентов, мы можем рассчитать, сколько резервных элементов обеспечат нам требуемую надёжность.

Надёжность OTRAG


03

Для начала, попробуем рассчитать, была ли заранее заложена ненадёжность блоков в виде резервных CRPU в ракете? Известно, что для вывода одной тонны на орбиту предлагалось использовать три ступени - из 48, 12 и 4 блоков. Взяв данные по массе и удельному импульсу, посчитаем запас характеристической скорости для полезной нагрузки в одну тонну по формуле Циолковского:

dVтретьей ступени=2910 м/с*ln((1 т ПН+4*1,5 т)/(1 т ПН + 4*0,15 т))=4,3 км/с
dVвторой ступени=2910 м/с*ln((7 т ПН и третьей ступени+12*1,5 т)/(7 т + 12*0,15 т))=3 км/с
dVпервой ступени=2646 м/с*ln((25 т ПН, второй и третьей ступеней+48*1,5 т)/(25 т + 48*0,15 т))=2,9 км/с
Сумма: 10,2 км/с


Характеристическая скорость в диапазоне 9,3-10 км/с обычна и означает, что запаса для резервирования скорее всего не было. Теперь попробуем рассчитать, сколько дополнительных блоков нам потребуется для получения высоконадёжной ракеты. Начальные условия:

  1. Известно, что надёжность OTRAG по испытаниям была 0,9355

  2. Необходимо спроектировать ракету с надежностью блоков не ниже 0,9

  3. Суммарный запас характеристической скорости должен быть не меньше, чем у исходной ракеты

  4. Отказом ступени будем считать незапуск/разрушение двигателя при включении с условно мгновенным стравливанием компонентов. Сценарий, в котором нужно тащить на орбиту отказавший блок весом 1,5 тонны с топливом слишком пессимистичный.

  5. Дополнительной сложностью будет необходимость стабилизации ракеты. Для простоты будем считать, что одновременно с отказавшим блоком выключается второй блок с противоположной стороны, а его компоненты условно мгновенно сливаются.



Третья ступень
С третьей ступенью самая большая сложность. Всего 4 блока не допускают возможности выключения хотя бы одного из них при сохранении сколько-нибудь адекватного запаса характеристической скорости.
Четыре блока надёжностью 0,9355 без резервирования имеют надёжность 0,93554=0,77. Мало. Добавим ещё два блока. Вероятность успеха шестиблоковой ступени с возможностью отказа одного блока составит 0,93556+6*0,0645*0,93555=0,9475. С точки зрения надёжности шести блоков достаточно.
Рассчитаем запас характеристической скорости новой ступени для случая отказа одного блока и выключения второго для симметрии тяги. Расчет в WolframAlpha дает 3,9 км/с. Попробуем добавить седьмой блок:
Запас характеристической скорости: 4,24 км/с
Надёжность семиблоковой ступени с возможностью отказа одного блока: 0,93.
В реальности отказ блока далеко не обязательно произойдёт на первой секунде полёта, поэтому я выберу оптимистичный вариант шестиблоковой третьей ступени.

Вторая ступень
Поскольку у нас четыре блока превратились в 6, необходимо пересчитать количество блоков на второй ступени, которые дали бы такой же запас характеристической скорости. Масса третьей ступени+ПН выросла с 7 то 10 тонн, методом подбора определяем, что нам необходимо не меньше 17 блоков для такого же запаса delta-V. Возьмем 18 блоков для симметрии конструкции.
Сколько блоков мы можем позволить себе потерять для случая 18-блоковой ступени?
Допустим один отказ, надежность: 0,67
Допустимы два отказа, надежность: 0,89
У большой системы из многих блоков есть интересная особенность. Отказы могут произойти на разных сторонах ступени и компенсировать тягу самостоятельно, без необходимости выключать дополнительные блоки. Разная глубина отказавших блоков может потребовать меньшего количества выключенных блоков для компенсации. Только если нам совсем не повезёт, отключатся два соседних блока на краю ступени, и нам потребуется выключать два противоположных блока. Расчёт надёжности в этом случае - это отдельный сложный процесс, я для простоты буду считать необходимое количество выключенных для компенсации блоков как половину допустимых отказавших. Проще говоря, ставим 20 блоков на вторую ступень. С отказом двух блоков и выключением одного блока на компенсацию нам примерно хватит запаса характеристической скорости.

Первая ступень
Вторая и третья ступень с ПН выросли с 25 т до 40. Следовательно, для того, чтобы разогнать их на 2,9 км/с нам потребуется целых 76 блоков.

В случае, когда у нас есть много независимых двигателей, мы можем посчитать наиболее вероятное количество отказов по формуле для биномиального распределения:
n*p-q<=k<=n*p+p, где
n - количество испытаний (в данном случае, блоков)
p - вероятность нужного исхода (в данном случае успеха)
q = 1 - p

Для нашего случая второй ступени с 76 двигателями получим:
76*0,9355-0,0645<=k<=76*0,9355+0,9355
71<=k<=72
Следовательно, наиболее вероятен отказ 4-5 блоков.


Посчитаем надежность:
Допустим один отказ: 0,039
Допустимы до двух отказов: 0,12
Допустимы до трех отказов: 0,27
Допустимы до четырёх отказов: 0,45
Допустимы до пяти отказов: 0,63
Допустимы до шести отказов: 0,78
Допустимы до семи отказов: 0,88

Семь отказов, три блока на компенсацию (консервативный вариант). Методом подбора получаем, что нам потребуется ступень с 90 блоками.

Выводы


Третья ступень. Было 4 блока, стало 6.
Вторая ступень. Было 12 блоков, стало 20.
Первая ступень. Было 48 блоков, стало 90.
Всего было 64 блока, стало 116.

Обратите внимание, что при расчётах использовался очень консервативный подход. Во-первых, не учитывался тот факт, что отказ блока может произойти не при запуске, а спустя какое-то время работы, когда блок уже поучаствовал в разгоне ракеты. Во-вторых, использовалась реальная надёжность испытательных пусков. Простота и невысокие параметры нагрузки конструкции означают, что надёжность блока несложно повысить. В-третьих, цифровая система управления способна, используя терминальное наведение, компенсировать недобор характеристической скорости одной ступени запасом других ступеней.

04
Двигатель блока OTRAG. Простота поражает...

Что же касается печальной истории советской Н-1, её погубили не 30 двигателей, а тот факт, что первая ступень не тестировалась в сборе на стенде, а двигатели к ней не тестировались перед установкой. Конструкция двигателей НК-15 не позволяла многократный запуск. Партии двигателей тестировались выборочно (2 из 6), что не позволяло гарантированно не допустить бракованный двигатель на ракету. Отказ двигателя имел характер взрыва, что повреждало кабели, трубопроводы и соседние двигатели, делая дальнейший полёт невозможным.
Кстати, на ракетах-носителях семейства "Союз" на старте включаются пять двигателей с 32 камерами сгорания, и это не мешает "семёркам" быть очень надежными ракетами.


@темы: космос

18:15 

История космического туалета

01
В один прекрасный день у тебя в доме начинается капитальный ремонт систем водоснабжения и водоотведения. Рабочие снимают старые стояки подачи воды и канализации, и на несколько дней ты становишься чуть-чуть космонавтом - обтирание влажными салфетками вместо душа, ёмкости питьевой, технической и отработанной технической воды, ассенизационная ёмкость с хлоркой от запаха и прочие неудобства. К счастью, более чем полувековая история космических полётов хранит достаточно историй для отвлечения и поднятия настроения. В самом деле, любой ремонт меркнет перед неудобствами, выпавшими на долю, например, Френка Бормана и Джима Лоувелла на "Джемини-7".

Несовершенство человека


Первые туалетные проблемы появились уже в самом начале космических полётов. 5 мая 1961 года. Астронавт Алан Шепард должен стать первым американцем в космосе. По плану суборбитальный полёт должен продлиться всего пятнадцать минут, поэтому никто из инженеров не стал задумываться о человеческих потребностях. Однако, из-за проблем с погодой и техникой старт задерживался, и в какой-то момент Алан, просидевший в кабине уже больше четырёх часов (а в скафандре больше восьми), сообщил по радио, что ему категорически необходимо сходить по малой нужде. Перед ЦУПом возникла совершенно реальная проблема - попытка помочиться в скафандр могла привести к отказу датчиков телеметрии, проблемам с системой терморегуляции скафандра, в самом худшем (пусть и маловероятном) случае - к короткому замыканию. Альтернативой была бы только отмена полёта - подать башню обслуживания на пару минут, сходить в туалет и вернуться в кабину не было никакой технической возможности. А, учитывая публичность запуска, представьте себе заголовки газет, если бы полёт отменили по такой причине. Решили рискнуть - Шепарду разрешили справить нужду в блестящий гламурный скафандр. Аварии не произошло, и обратный отсчёт продолжили. К чести Алана Шепарда, он отнесся к ситуации с юмором и пошутил, что вот теперь-то он является "мокрой спиной" (жаргонное обозначение нелегальных мексиканских мигрантов, переплывавших Рио-Гранде). Полёт прошёл успешно, но все-таки при просмотре кадров торжественной встречи на авианосце немного забавно знать, что спина-то у Шепарда мокрая...
На второго американского астронавта Гаса Гриссома надели двухслойное трико, чтобы моча содержалась между слоями. Решение было неудачным, и уже к первому орбитальному полёту Джона Гленна был разработан простой мочеприемник (UCD - Urine Collection Device) из презерватива, трубки и емкости для мочи:

02

К последнему полёту корабля "Меркурий" систему немного изменили. Мочеприёмник на скафандре дополнили стационарной ёмкостью. Астронавт должен был ручным насосом перекачивать мочу из ёмкости на скафандре в стационарную. Шепард, провожавший в полёт Купера, подшутил над ним, положив в кабину вантуз. Шутка оказалась пророческой - насос работал плохо, шланги протекали, в кабине летали шарики мочи. Как минимум, часть коротких замыканий на последних витках полёта устроила протекающая ассенизационная система, серьезно осложнив полёт.
А для большой нужды в кораблях "Меркурий" не было ничего - астронавты за три дня до полёта переходили на специальную диету, сокращающую объем каловых масс. В случае задержки полёта (а такое было регулярно), диета продлевалась.

Советское значит отличное


Корабли "Восток" проектировались для многосуточных полётов, поэтому вопросы космического туалета были решены заранее, и даже Гагарин отправлялся в 108-минутный полёт с полностью комплектным туалетом, которого хватило бы на несколько дней. Конструкция позволяла справлять большую и малую надобности и была сравнительно простой:

03
1 – приемник; 2 – сборник урины; 3 – воздушный фильтр; 4 – вентилятор;5 – сборник каловых масс; 6 – выход чистого воздуха; 7 – гибкий шланг; 8 – сигнальная лампа.

Вентилятор создавал поток воздуха, который, как пылесос, втягивал отходы и не давал им разлететься по кораблю. Жидкие фракции по трубе попадали в сборник урины, где фиксировались в губчатом материале. Твердые фракции задерживались в сборнике каловых масс в сменном пакете. Затем пакет закрывался и убирался в отсек для отходов. Воздушный фильтр обеспечивал очистку воздуха от неприятного запаха. Большим достоинством туалета была пригодность как для мужчин, так и для женщин, что обеспечивали сменные насадки:

04
Сверху мужская насадка, снизу женская

Первым космонавтом, сходившим в космосе по-большому, стал Валерий Быковский на "Востоке-5", и это не произошло без курьёза. Доклад Быковского на земле услышали как "был космический стук", очень сильно перепугались и даже собрали рабочую группу для расчётов массы метеорита, с которым мог бы столкнуться Быковский, чтобы услышать стук. Но через виток, на следующем сеансе связи, ситуация разрешилась ко всеобщему облегчению.
Конструкция оказалась настолько удачной, что не претерпела принципиальных изменений уже больше полувека. На современных "Союзах" стоит почти такой же туалет, отличающийся только формой отсека каловых масс:

05

Здесь можно посмотреть на демонстрацию работы туалета в невесомости ("Союз ТМА-14", 2009 год):


Туалеты советских космических станций и МКС работают на том же принципе пылесоса и отличаются только полноценным сиденьем и более сложной системой обработки жидких отходов. Губчатый наполнитель имеет сравнительно небольшой ресурс, поэтому на орбитальных станциях жидкие отходы идут в специальные баки (которые затем загружаются вместе с прочим мусором в грузовой корабль "Прогресс" и сгорают с ним в атмосфере) или в систему регенерации, которая получает из мочи питьевую воду или кислород для дыхания.
На МКС два туалета отечественного производства:

06
Слева туалет в модуле "Звезда", справа - в модуле Destiny

Видео из фильма "Космическая одиссея, век XXI" (ЖЖ не позволяет проматывать вставленное видео, туалет с 4:30):


Туалеты иногда ломаются (как и любая другая техника) и попадают в новости, но на самом деле это весьма надежные и удобные устройства.

Две недели в мусорном баке


В отличие от конструкторов СССР/России, американская конструкторская мысль в ассенизационных вопросах прошла долгую и трудную дорогу и, несмотря на все старания, создавала сложные, неудобные и неприятные устройства. Корабли "Джемини" должны были летать долго, до двух недель, и тут уже эрзацами в виде UCD было не обойтись. Собственно говоря, UCD никуда не делись и использовались на "Джемини", "Аполлонах" и "Спейс Шаттлах" на старте. Астронавты-мужчины проходили процедуру подбора презерватива к UCD (рекомендую почитать Майка Маллейна "Верхом на ракетах", он её очень красочно описывает) и могли выбирать, стартовать с UCD или памперсом (Маллейн советует выбирать UCD, памперс неудобнее). Однако уже на орбите надо было использовать какой-то более долговременный туалет.

07
UCD времён "Джемини"

Первоначальная конструкция требовала, чтобы астронавт мочился в мочеприемник, одновременно вручную создавая тягу, растягивая гармошку приемного устройства:

08
Слева мочеприемник, справа гармошка приемного устройства

Идея оказалась никуда не годной. Во-первых, тянуть гармошку самостоятельно было нереально, требовалась помощь второго астронавта. Во-вторых, система часто выбрасывала мочу вместо всасывания - гармошка не вентилятор, одного неосторожного движения было достаточно для создания избыточного давления, а не разрежения.
Начиная с "Джемини-5" систему изменили - мочеприемник сделали плотно прилегающим и надевающимся как презерватив. В шланг добавили обратный клапан, защищающий от выбросов мочи, и заменили приемное устройство на простую мягкую ёмкость:

09

В таком виде система была более-менее пригодна для использования. Начиная с "Джемини" моча (кроме небольших пакетов для последующего медицинского анализа) не хранилась на борту, а сбрасывалась через специальный клапан с подогревом (жидкость в вакууме мгновенно испаряется и превращается в лёд, без подогрева клапан бы забило). По рассказам астронавтов, одно из самых красивых зрелищ в космосе - сброс мочи на закате. Урина превращалась в лёд и красиво разлеталась ледяным облаком. В принципе, вместо мочи подошла бы любая другая жидкость, но обычную воду, например, за борт не сбрасывали.

С твердыми отходами ситуация была гораздо, гораздо хуже. Для них в NASA придумали специальные пакеты:

10

Пакет имел клейкую горловину и должен был приклеиваться к ягодицам вокруг ануса. После дефекации нужно было просунуть пальцы в специальный мешочек, отделить фекалии от тела и протолкнуть их дальше в мешок, чтобы не вылетели. Затем необходимо было разорвать пакет с дезинфицирующим средством, поместить его в большой пакет с фекалиями и перемешать - это было необходимо для того, чтобы убить бактерии и не допустить газообразования в пакете. Потом наступала очередь туалетной бумаги и влажных салфеток, и, наконец, надо было поместить всё это в ещё один пакет и упаковать в контейнер для мусора.
В целом идея оказалась по-настоящему жуткой. Клей на горловине вырывал волосы на коже, фекалии вылетали из пакета, чтобы сходить в туалет требовалось порядка 45 минут, и не было никакой возможности не заполнить кабину неприятными запахами.

В программе "Джемини" было два длительных полёта - "Джемини-V" (почти 8 дней) и "Джемини-VII" (две недели). Оба полёта потребовали недюжинной силы воли от астронавтов. Хуже всего пришлось Френку Борману и Джиму Лоувеллу на "Джемини-VII". Уже спустя неделю кабина заполнилась вонью мочи (не всё можно было вытереть) и немытых тел (не было ни сменной одежды, ни возможности помыться). Астронавты терпели как могли - первый раз по-большому сходили только на десятый день. А последние несколько дней стали по-настоящему неприятными. Но в то время это стало большой победой - США обогнали СССР по длительности полётов, и двух недель хватало, чтобы слетать на Луну.

На Луну с мешками для фекалий


Программа "Аполлон" базировалась на ассенизационных наработках "Джемини". Жидкие отходы собирались в такие же надевающиеся приёмники с ёмкостями и сбросом за борт. На каждого астронавта хранился запас в 10 сменных манжет для мочеприемника.

11

И с большой нуждой было всё так же плохо - мешки для фекалий остались практически неизменными:

12

Расшифровки переговоров астронавтов регулярно содержат обсуждения "чья это какашка летает по кабине":

13

Поскольку программа "Аполлон" была предназначена для высадки на Луну, пришлось добавить системы сбора мочи и кала для скафандров. Мочу собирали в обычный UCD, а для фекалий сделали что-то типа памперса:

14

Особенностью американской космической программы был детальный анализ отходов - образцы мочи и кала привозили обратно на Землю, и, по слухам, они до сих пор хранятся где-то в холодильниках NASA.

Гигантский скачок вперед "Скайлэба"


Только на станции "Скайлэб" американцы приблизились к советскому уровню туалетного комфорта. В ассенизационной системе наконец-то появился вентилятор. Правда, вместо воронки мочеприемника использовались такие же манжеты, как и на "Аполлоне", но, по крайней мере, вентилятор надежно создавал разрежение для всасывания мочи. Зато в деле сбора твердых отходов появился туалет со сменными мешками:

15

16
На уровне колена виден приемник для твердых отходов

И откат назад шаттла


А вот с туалетом для Спейс Шаттла получился инженерный конфуз. Исходная идея была замечательная - давайте сделаем туалет, в котором потоки воздуха будут сами помещать фекалии в приемное устройство без участия астронавта. Однако добиться надежной работы не удалось - фекалии постоянно задевали стенки тоннеля, и астронавтам приходилось постоянно его чистить. Система упаковки фекалий работала недостаточно надежно, туалет достаточно регулярно выходил из строя. Также, для пользования туалетом приходилось проходить специальную подготовку. На тренажере в тоннеле стояла камера с подсветкой. Перед лицом астронавта стоял монитор с прицелом. Тренировка заключалась в том, чтобы поместить свой анус в центр прицела и запомнить положение тела, чтобы уже в невесомости фекалии начинали свой путь максимально близко к центру тоннеля. Относительно предыдущих американских космических туалетов система была прогрессивной, вентилятор и сменные насадки позволяли пользоваться туалетом и мужчинам и женщинам. Но туалет получился слишком сложным и недостаточно надежным. По воспоминаниям астронавта Майка Маллейна перед пользованием туалетом лучше всего было полностью раздеться. Утечки мочи и улетающие фекалии были не таким уж редким делом. Маллейн вспоминает одну достаточно неаппетитную шутку, которую устроил его коллега-астронавт. Он взял сосиску с обеда, спрятал её в кармане и пошёл в туалет. Выждав некоторое время, он выбросил сосиску в общий отсек и стал за ней гоняться с салфеткой (астронавты как могли уворачивались, не узнав сосиску в летающем предмете), а догнав, съел...

17
Туалет Спейс Шаттла. На переднем плане гибкий шланг мочеприемника

Видео тренажерной туалета Спейс Шаттла. В фильме участвует Майк Массимино, который "летал" на МКС с Говардом в "Теории Большого взрыва":


Невысокая надежность туалета шаттла означала, что там всегда ждали своего часа пакеты для фекалий времен "Аполлона". И остается только надеяться, что эти неприятные ассенизационные архаизмы совсем сошли со сцены и не отправятся в космос на "Орионах" и других новых американских кораблях.

Список использованных источников




Предыдущая публикация серии "Обеспечение длительного космического полёта" - там про еду и замкнутые системы жизнеобеспечения.

Небольшое объявление


15 марта в 16:00 в Первой Библиотеке Городских Историй в Москве состоится моя скайп-лекция "Космические байки". Встреча ВК.
image</spoiler>


@темы: космос

20:36 

Валентина Терешкова

Ровно полвека назад Валентина Терешкова отправилась в космический полет, став первой в мире женщиной-космонавтом.

39884073
Первого в мире космонавта-женщину выбирали из числа парашютисток.
После первых успешных полетов в космос Юрия Гагарина и Германа Титова Сергей Королев принял решение отправить в космос женщину. Это был политически мотивированный ход. Хотелось и в этом быть первыми.

Поиск претенденток начался в самом конце 1961 года. Требования были такие: парашютистка, возраст до 30 лет, рост до 170 сантиметров и вес до 70 килограммов. Парашютисткам отдавалось предпочтение, потому что космонавту "Востока" нужно было катапультироваться после торможения спускаемого аппарата в атмосфере и приземляться на парашюте, а срок на подготовку первоначально был определен сжатый - около полугода. Не хотелось много времени тратить на отработку приземления на парашюте.

Из более полусотни кандидатур в итоге отобрали пять девушек. В их число вошла и Валентина Терешкова. Все они, кроме летчицы Валентины Пономаревой, были парашютистками. Валентина Терешкова парашютным спортом занималась с 1959 года в Ярославском аэроклубе: к моменту поиска кандидатуры для полета в космос выполнила в общей сложности около 90 прыжков.



Девушки, отобранные для космического полета, надеялись, что все они рано или поздно слетают в космос.
Разумеется, каждая из пяти девушек мечтала, что именно она полетит в космос. Чтобы атмосфера в женском коллективе была дружественная, Королев пообещал девушкам, что все они рано или поздно там побывают.

Но этого, как мы знаем, не произошло. Хотя других девушек действительно планировали отправить в космос, а они готовились к этому еще несколько лет после полета Валентины Терешковой. Лишь в октябре 1969 года вышел приказ о расформировании женской группы космонавтов. Так что только Валентина Терешкова из пяти девушек, прошедших подготовку, смогла стать настоящим космонавтом.

У Валентины Терешковой было две дублерши.
В практике принято, что у каждого космонавта должен быть дублер. В случае первого женского полета решили подстраховаться - Терешковой назначали сразу двух дублерш ввиду сложности женского организма. Запасными были Ирина Соловьева и Валентина Пономарева.

Почему выбор пал на Терешкову? Руководство свой выбор никогда не обосновывало, но, по основной существующей версии, это решение было скорее политическим. Терешкова была из рабочих, ее отец погиб во время советско-финской войны, когда ей было два года. Другие девушки, например, Пономарева и Соловьева, были из служащих. Никите Хрущеву, который утверждал итоговую кандидатуру, видимо, хотелось, чтобы первой женщиной-космонавтом стала девушка "из народа". Под эти требования Валентина Терешкова, родившаяся в деревне, в семье тракториста и работницы текстильной фабрики, подходила лучше других. Хотя врачи, наблюдавшие девушек, были склонны отдавать приоритет другим кандидатурам - например, Ирине Соловьевой, мастеру спорта по парашютному спорту, совершившей более 700 прыжков. По еще одной версии, Сергей Королев планировал еще один женский полет с выходом в открытый космос и именно для него берег более крепких, по мнению врачей, Соловьеву и Пономареву.

Первоначально предполагался одновременный полет двух женских экипажей.
По изначальной задумке, в космос должны были одновременно лететь две девушки в разных аппаратах, но весной 1963 года от этой идеи отказались. Поэтому 14 июня 1963 года, днем, на корабле "Восток-5" отправили в космос Валерия Быковского. Его полет по сегодняшний день считается самым длительным одиночным полетом: в космосе Валерий провел почти 5 суток. То есть на два дня больше, чем Валентина Терешкова.

Родные Валентины Терешковой узнали о полете только после его окончания.
Полет мог закончиться трагедией, поэтому Валентина Терешкова держала информацию о нем в тайне от родных. Им перед полетом она сказала, что едет на соревнования парашютистов, а о произошедшем те уже узнали по радио.

 В автоматической программе корабля была допущена неточность.
Была допущена ошибка, и корабль "Восток-6" был сориентирован так, что, вместо того чтобы спускаться, напротив, поднимал орбиту. Вместо того, чтобы приближаться к Земле, Валентина Терешкова от нее удалялась. О неисправности космонавт известила Сергея Королева, и он вместе с Юрием Гагариным смогли найти на Земле выход из положения. В течение несколько десятков лет про эту историю никто из участников событий, по просьбе Королева, не рассказывал и только сравнительно недавно это стало известным.

valentina-tereshkova-6

В общей сложности Валентина Терешкова пролетела почти 2 миллиона километров.
Старт "Востока-6" произошел утром 16 июня 1963 года, а преземлилась Валентина Терешкова утром 19 июня. В общей сложности полет длился двое суток 22 часа и 41 минуту. За это время космонавт совершила 48 витков вокруг Земли, пролетев в общей сложности примерно 1,97 миллиона километров.


Полет был непростым, приземление страшным.
В то время не было принято рассказывать о сложностях. Поэтому о том, что полет прошел тяжело, Валентина Терешкова не сообщала. Было очень сложно пребывать в течение трех дней в тяжелом сковывающем движения скафандре. Но она выдержала: не стала просить о преждевременном прекращении полета.

Особенно страшно Валентине было во время посадки. Внизу под ней было озеро, управлять большим тяжелым парашютом, раскрывающимся на высоте 4 км, она не могла. И хотя космонавтов учили приводняться, Валентина не была уверена, что сил хватит, чтобы удержаться на воде после измытывающего полета. Но в итоге Терешковой повезло: озеро она перелетела.

Кадры сделанной кинохроники были постановочными.
Кадры кинохроники, на которых запечатлено приземление спускаемого аппарата, были постановочными. Их сняли на следующий день после реального возвращения Терешковой на Землю. Когда девушка вернулась, она была в очень плохом состоянии и ее срочно отправили в госпиталь. Но вскоре она пришла в себя и на следующий день чувствовала себя хорошо.

В.Терешкова является не только первой в историей женщиной-космонавтом.
Она также единственная женщина нашей планеты, совершившая одиночный космический полет. Все последующие женщины-космонавты и астронавты летали в космос только в составе экипажей.

После исполнения мечты о космическом полете, В.Терешкова не переставала мечтать.
Казалось бы, о чем можно еще мечтать после завершения такого полета и всеобщей славы. Но Терешкова не перестала думать о возможности новых полетов. Она очень хотела отправиться в полет на Марс, и даже была готова лететь туда без возможности вернуться назад.

В настоящее время Валентина Владимировна жива - здорова, сейчас ей 78 лет.

kab0115-136_1750x1750


http://www.nat-geo.ru/article/3997-11-interesnyih-faktov-o-pervom-polete-zhenschinyi-v-kosmos/part/full/



@темы: история, космос, личности

06:17 

Сны о большом глупом носителе

01
Помните байку о разработке космической ручки? Да, она не основана на реальных событиях, но очень наглядно иллюстрирует идею, что простое решение может оказаться лучше сложного. Ракета, построенная по принципу "большого глупого носителя" ("Big Dumb Booster") находится не в диапазоне "умный-глупый", а, скорее, "простой-сложный". Привычные нам ракеты-носители выросли из военных баллистических ракет, и при их проектировании эффективность была важнее стоимости. Но, если мы собираемся осваивать Космос, то нам нужно много ракет, и сложные бывшие военные ракеты становятся слишком дорогими. А что, если попробовать сделать ракету сравнительно простой, но экономически выгодной?


Кратко о других способах


В предыдущих публикациях серии рассказывалось о других идеях облегчения доступа в космос:
Многоразовость. Ракета дорогая, топливо дешевое, давайте использовать ракету многократно. Если бы всё было так просто, то Спейс Шаттлы летали бы сейчас десятками и сотнями в год. Многоразовые системы очень зависят от затрат времени и денег на подготовку к повторному полёту, и здесь шаттлы проиграли экономическую конкуренцию одноразовым носителям. Сейчас многоразовостью занимается Элон Маск, но ему ещё долго двигаться в этом направлении - пока не было ни одного полёта повторно использованного Dragon или Falcon, не говоря уже о регулярном повторном использовании для того, чтобы можно было оценить экономическую эффективность.
Воздушный старт. Идея запускать ракету-носитель с летящего самолёта предлагалась во многих проектах. Однако, на сегодняшний день только РН легкого класса Pegasus использует эту схему. Из заметных разрабатываемых проектов - идёт строительство самолёта-носителя проекта Stratolaunch под более тяжелую ракету.
Single Stage To Orbit. Идея многоразового космоплана, стартующего с аэродрома, выходящего в космос и возвращающегося обратно. Известен проект Skylon, но по нему в последнее время не было заметных новостей.
Безракетный космический запуск. Космический лифт, петля Лофстрома, космические фонтаны и прочее, и прочее. Пишут об этом часто, вот, например, свежий обзор, поэтому я не стал делать свой (или, думаете, стоит?), но воз и ныне там. Подобные технологии имеют три огромных недостатка:

  1. Почти для всех проектов требуются материалы и технологии, которые человечество ещё не умеет делать.

  2. Стоимость такого сооружения поистине космическая, и строиться оно будет долго.

  3. Проблемы с расчетом сроков окупаемости и невозможность эксплуатации частично готового сооружения для подтверждения концепции.



Первый монстр


02

В 1962 году инженер Aerojet Роберт Труакс предложил проект Sea Dragon. Двухступенчатая ракета-носитель должна была иметь высоту 150 м, диаметр 23 м и полную массу 18 000 тонн. Ракета собиралась в порту, затем её заправляли керосином - топливом первой ступени и азотом - газом наддува баков. Затем ракету должны были буксировать на плаву к месту старта. Корабль обеспечения (предлагалось использовать атомный авианосец) методом электролиза разлагал воду на водород и кислород. Жидким водородом заполнялись баки топлива второй ступени, а кислородом - баки окислителя обеих ступеней. После заправки балластные танки первой ступени заполнялись водой, и ракета становилась в воде вертикально. Старт производился из частично погруженного положения, ожидалось, что Sea Dragon сможет выводить примерно 500 тонн на низкую околоземную орбиту. Простота конструкции должна была обеспечить стоимость выведения в диапазоне $60-600 за килограмм, в разы меньше существовавших тогда ракет.

03

Единственный двигатель первой ступени создавал тягу 36 000 тонн, но не представлял особой технической сложности - давление в камере сгорания не превышало 20 атмосфер, и топливо подавалось без сложных турбонасосов, давлением газа наддува (т.н. вытеснительная подача). Двигатель второй ступени имел тягу "всего" 6 350 тонн, а давление в камере сгорания всего 7 атмосфер. Для сравнения, давление в камерах сгорания современных ракетных двигателей достигает 255 атм (РД-191). Корпус ракеты изготовлялся из легированной стали толщиной 7 мм и был не сложнее корпуса подводной лодки в производстве. Собственно говоря, ракета и должна была производиться на верфи. Проект был рассмотрен судостроительной компанией Todd Shipyards, которая посчитала его выполнимым. Экономические и инженерные расчеты были подтверждены компанией TRW, уже зашла речь о покупке участка побережья под космодром, но бюджет NASA начали сокращать. Из-за нехватки средств был закрыт весь отдел перспективных разработок, занимавшийся Sea Dragon и проектами пилотируемых полётов на Марс. А Aerojet не могла выделять средства на разработку такого циклопического проекта самостоятельно.

Почти взлетевший OTRAG


Лутц Кайзер мог быть известен уже более тридцати лет как первый частный ракетостроитель. Ученик Зенгера, Лутц основал компанию OTRAG ("Орбитальный транспорт и ракеты") и убедил Вернера фон Брауна и Курта Дебуса войти в команду после их выхода в отставку из NASA. Идея новой ракеты-носителя состояла в использовании простых блоков, которые должны были производиться массово и, поэтому, быть очень дешевыми.

04

Один CRPU (Common Rocket Propulsion Unit - "стандартный ракетный блок") представлял собой трубу длиной 16 м и диаметром 23 см. В блоке размещались баки топлива (керосин), окислителя (тетраоксид азота и азотная кислота в равных пропорциях), наддува (сжатый воздух). Баки разделялись плоскими переборками. Внизу был установлен простой двигатель с абляционной теплозащитой сопла и тягой 2,5 тонны, клапаны, батареи и электроника.

05

Особенностью конструкции ракеты была пакетная установка ступеней. Сначала работали блоки с наружной части пакета, затем внутренние. По расчетам, для вывода одной тонны на орбиту нужны были три ступени, из 4, 12 и 48 блоков. Пакетная компоновка приводила к тому, что ракета получалась относительно короткой и широкой, и, в теории, могла запускать большие и широкие спутники. Для запуска более тяжелых грузов надо было просто взять больше блоков. С точки зрения привычного нам критерия соотношения полезной нагрузки и стартовой массы ракета получалась неэффективной - для того, чтобы вывести на орбиту 8 тонн (чуть больше современного "Союза") требовалась ракета начальной массой 800 тонн (в два с лишним раза тяжелее "Союза"). Для того, чтобы вывести 128 тонн, требовался монстр начальной массой 12 800 тонн (в четыре раза тяжелее "Сатурна V", выводившего примерно столько же). OTRAG должна была выиграть за счет экономической эффективности. Массовое производство конструктивно простых блоков, десятками тысяч в год, должно было сделать их очень дешевыми.

06
Шесть двигателей на испытательном стенде

07
Автоматизированная линия производства CRPU

08
Рисунок старта сверхтяжелой версии OTRAG

В 1975 году компания OTRAG подписала контракт с Заиром о строительстве космодрома в провинции Катанга (сейчас территория Конго). С точки зрения физики всё было логично - космодром находился возле экватора, в удобном для космонавтики месте. Первые полёты испытательных четырехблоковых ракет начались в 1977 году.

09
Ракета на стартовой площадке.

10
Испытательный пуск. Не включился один двигатель.

Уникальное видео визита какого-то высокого заирского начальства и того самого неудачного пуска:


Проблемы начались, когда в дело вмешалась политика. Во-первых, развитые страны опасались, что ракеты OTRAG будут использоваться для военных целей. Да, они были бы крайне неэффективны в такой роли, но слаборазвитым странам Африки любая ракета лучше, чем ничего. Во-вторых, развитые страны не хотели экономического конкурента своим ракетам-носителям. СССР, США и Франция совместно начали кампанию по дискредитации OTRAG в СМИ и стали оказывать политическое давление на Заир. В 1979 году OTRAG была вынуждена покинуть страну. Испытания в Западной Германии были крайне затруднены по политическим причинам, и в 1981 году компания построила испытательный полигон в ещё худшем месте - Ливии. В 1982 году Западная Германия присоединилась к договору о нераспространении ракетных технологий, и перевозка произведенных в ФРГ блоков в Ливию стала невозможной. Несмотря на обещания, Муаммар Каддафи тут же конфисковал испытательный полигон, и ливийские инженеры попытались продолжить проект. К счастью (потому что это уже явно была программа разработки баллистических ракет, посмотрите на пусковую), ничего у них не вышло, и проект был остановлен окончательно. За время испытаний было проведено порядка шести тысяч испытаний на стенде и примерно полтора десятка суборбитальных полётов в одноступенчатой четырехблочной конфигурации. За 1975-1987 годы проект OTRAG обошёлся примерно в $200 миллионов.

Большой глупый носитель сегодня


Лутц Кайзер жив и достаточно активно общается с частниками "новой волны" - Armadillo Aerospace Джона Кармака и другими. Компания Interorbital Systems разрабатывает ракету Neptune такой же компоновки:

11

А Armadillo Aerospace хотела сделать весьма похожую ракету Stig и использовать её как геофизическую:


Драматическая авария:


Из заметных проектов также стоит отметить HEAT-1X, в котором ещё упростили конструкцию, заменив ЖРД на гибридный двигатель на топливной паре жидкий кислород/полиуретан. К сожалению, HEAT-1X разбился в одном из испытаний, новая версия TM-65 Tordenskjold сгорела во время стендовых испытаний. Сейчас Copenhagen Suborbitals делают новую ракету.
В 2006 году проект Aquarius компании Space Systems/Loral участвовал в конкурсе COTS (доставка груза на МКС частной компанией), но проиграл. Особенностью проекта было использование топливной пары кислород/водород, что достаточно сложно для "простой" ракеты, и всего одна ступень для вывода на орбиту 1 тонны груза.

В России идею "большого глупого носителя" реализует проект РН "Таймыр" от компании "Лин Индастриал". Низконапряженные двигатели, некриогенные компоненты топлива, модульная пакетная компоновка - всё это должно максимально снизить стоимость пуска. Более тяжелые "Адлер" и "Алдан" используют двигатель первой ступени "Союза" РД-108 и рулевые камеры от него, подозреваю, по тем же причинам - двигатель уже есть и давно производится серийно.
Любопытно, но иногда к концепции BDB относят российские ракеты-носители в целом. Например, РН "Союз" использует двигатели, которые не находятся на пределе возможностей современной технологии. Но она очень надежна, производится серийно, сравнительно дешева и поэтому крайне успешна. Но, поскольку наши ракеты не разрабатывались специально как простые и максимально дешевые, вопрос применимости к ним концепции BDB остается дискуссионным.

Будущее


Что же касается будущего, мне кажется, что этот путь потенциально очень перспективный, и у меня есть два аргумента:

Аргумент от технологии
Современный ракетный двигатель - очень сложная штука. Множество деталей сложной формы, произведенных из специальных высокопрочных материалов при помощи сложных производственных процессов с очень маленькими допусками по точности - всё это не может стоит дешево. Теперь представим себе ракетный двигатель, который напечатан на 3D-принтере и специально спроектирован для того, чтобы быть простым. Да, он не будет эффективным с точки зрения физики, у него не будет рекордных показателей по давлению в камере сгорания, тяге или удельному импульсу, но мелкосерийное производство таких двигателей может оказаться очень экономически выгодным. Они также не должны быть многоразовыми - на определенном уровне технологии их будет проще переплавить и распечатать снова, чем пытаться перебирать и дефектоскопировать.

Аргумент от истории техники
Когда человечество по-настоящему освоило компьютеры и микропроцессоры? Когда они стали появляться на городских свалках. В 60-х и 70-х годах мощные ЭВМ были относительно распространены и уже влияли на нашу жизнь. Но для следующего качественного перехода потребовались пусть и менее мощные, но дешевые и доступные персональные компьютеры. Для производства микросхем требуются высокие технологии, но отдельный чип сейчас может стоить копейки.
Ту же ситуацию можно найти и в других областях. Пулемёт Максима изменил поля сражений, но следующим качественным шагом стал автомат Калашникова - с менее мощным патроном и меньшей дальностью прицельной стрельбы, но технологичный для условий массового производства.
В авиации реактивные двигатели дали возможность достигнуть сначала околозвуковых, затем сверхзвуковых скоростей. Но сейчас высокие технологии используются для снижения стоимости полёта, а сверхзвуковые пассажирские лайнеры вымерли.
Мне кажется, эти аналогии могут быть применены и при попытке предсказать будущее ракетной техники. Диалектика развития ракет-носителей может оказаться в том, что высокие технологии и изобретательность людей будут использоваться для создания "глупых" ракет.

Список использованных источников


Основной источник кроме Википедии - Encyclopedia Astronautica.


@темы: космос

20:41 

Перековать мечи на летала или как стали мирными боевые ракеты

01
Есть некая ирония истории в том, что ракеты-носители, которые двигают человечество в космос, выросли из межконтинентальных баллистических ракет. И во время Карибского кризиса в 1962 году на Байконуре с "гагаринского" старта сняли ракету для пуска по Марсу и поставили на её место боевую Р-7А. Боевые "семерки" стояли в монтажно-испытательных комплексах на запасных путях до второй половины 60-х годов. И сегодня некоторые ракеты-носители являются прямыми или косвенными потомками боевых ракет, а испытательные пуски новых ракет-носителей вызывают вопросы возможности их боевого применения. Тем интереснее, думаю, будет почитать про историю "умиротворения" боевых ракет и узнать ответ на вопрос - стоит ли ставить термоядерную боеголовку на "Ангару"?

Всё выше и выше


Исторической справедливости ради необходимо начать с геофизических пусков. Тем более, что это первый заметный пример конверсии военных ракет в мирные. После окончания Второй мировой войны СССР и США получили в качестве трофеев немецкие баллистические ракеты "Фау-2". Американцам досталось больше ракет и запчастей, поэтому после испытательных пусков оставшиеся "Фау-2" использовались как геофизические ракеты. Вместо боеголовки ставились научные приборы, а сама ракета направлялась не по баллистической траектории, а вертикально вверх. В этом случае "Фау-2" могла подняться выше 150 км и на несколько минут оказаться в космосе. Запасов трофейных материалов хватило на 75 ракет, поэтому пуски геофизических "Фау-2" проводились достаточно регулярно в конце 40-х и начале 50-х. На восемь ракет была добавлена второй ступенью ракета "Corporal", что позволило подняться вертикально до 393 км.

02
Слева "обычная" геофизическая "Фау-2", справа - двухступенчатая RTV-G-4 Bumper

Есть фильм об этих испытаниях (на английском). На 1:00 виден относительно молодой и малоизвестный тогда в США Вернер фон Браун.


В СССР геофизическими стали модификации ракеты Р-1 (адаптации "Фау-2" для советской промышленности). Было создано несколько модификаций - Р-1А,В,Е (иногда индекс Р- менялся на В-). Ракеты оснащались дополнительными блоками научных приборов (ставились по бокам). Именно на геофизических Р-1В в 1951 году в космосе побывали первые млекопитающие - собаки Дезик и Цыган:



Программа суборбитальных пусков собак в СССР была довольно масштабной и успешной. По мере замены Р-1 на более совершенные Р-2 и, затем, Р-5, появлялись геофизические варианты и этих ракет:

03

В СССР в 1970-80х была программа "Вертикаль", которая использовала конверсионные варианты ракет Р-5 и Р-14. Более мощные ракеты позволяли поднимать научные приборы на сотни и даже тысячи километров. До сегодняшнего дня геофизические пуски проводятся достаточно активно и дополняют орбитальные. Но сейчас используются уже специально разработанные геофизические ракеты. Твердое ракетное топливо стало доступным, и сейчас проще и дешевле сделать несложную твердотопливную геофизическую ракету, чем пытаться адаптировать военные проекты.

Первая орбитальная


Забавно, что ошибка при проектировании боеголовки ускорила выход на орбиту первого искусственного спутника Земли. Испытания первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты 8К71 (она же Р-7) выявили, что теплозащита головной части недостаточна - она разрушалась при входе в плотные слои атмосферы. У Королёва оставались "лишние" ракеты, которые были изготовлены для испытаний, но их не имело смысла пускать по военной программе, пока не появится новая версия головной части. Значит, эти ракеты могли быть использованы для запуска спутника. Политики и военные согласились с важностью возможного успеха, и всего шестой пуск "семерки" стал первым космическим. Переделки боевой ракеты были минимальны - просто головную часть заменили на спутник с обтекателем. При запуске второго спутника с Лайкой на борту для передачи телеметрии использовалась штатная аппаратура "Трал" - фактически, спутником стала вся штатная вторая ступень.

04
Слева - ранняя версия боевой МБР, по центру - ракета со "Спутником-1", справа - со "Спутником-3"

05

А огромное значение первого спутника привело к тому, что военные полигоны и позиционные районы МБР Байконур и Плесецк стали космодромами. И даже когда-то секретный фильм о процедуре подготовки, испытаний и пуска боевой МБР заканчивается пафосными словами о "завоевании космических пространств":


Современная РН "Союз" несет в себе наследие целых двух боевых ракет - первая и вторая ступени являются многократно модернизированными блоками МБР Р-7, а третья ступень использует двигатель, первая версия которого стояла на МБР Р-9.

Ещё одна ирония истории заключается в том, что, как МБР, Р-7 очень быстро устарела. Стартовые сооружения стали слишком большими и уязвимыми, а время подготовки к пуску - неприемлемо долгим. Зато как ракета-носитель "семерка" будет работать ещё много лет, и, наверняка, отметит не только шестидесятилетний юбилей.

Ответ за океаном


Если бы первая попытка США запустить спутник на орбиту увенчалась успехом, то первой американской ракетой-носителем стала бы РН Vanguard, которая являлась не конверсией боевых ракет, а комбинацией геофизических - военной Viking и гражданской Aerobee. Но, увы, попытка запуска закончилась красивым бабахом в прямом эфире, и пришлось для спасения престижа США использовать проверенные военные технологии. На РН Juno I в качестве первой ступени стоял прямой потомок "Фау-2" - ракета Redstone, а в качестве второй, третьей и четвертой ступеней - блоки тведотопливных двигателей от боевой ракеты Sergeant:

06
Слева боевой Redstone, по центру - Juno I/Jupiter-C, справа - ракета для пилотируемых суборбитальных пусков Mercury-Redstone

В "космическую гонку" были брошены все потенциально подходящие баллистические ракеты средней дальности - Thor и Jupiter. Баллистической ракете средней дальности не хватало мощности, чтобы выводить сколько-нибудь серьезные полезные нагрузки на орбиту, но ничего лучше в начале гонки у США просто не было, а с течением времени ракеты стали улучшать для космического применения. К БРСД Thor добавляли верхние ступени, так появился сначала Thor-Able, затем Thor-Delta, из которого выросло современное семейство РН Delta, которое, однако, за много лет сохранило оригинальным только название:

07
Слева направо: Delta (модифицированный Thor-Able), Delta-M, Delta II, Delta IV Heavy

БРСД Jupiter непродолжительное время использовался в качестве первой ступени РН Juno II, а его топливный бак попал в американскую лунную программу как составная часть первой ступени РН Saturn-I/IB. В свою очередь двигатель первой ступени Saturn I попал в семейство РН Delta - просто триумф повторного использования.

Атлант запустил двигатели


Первой американской МБР стал Atlas и, параллельно с постановкой на боевое дежурство, его тут же привлекли и на космическую службу как самую мощную и грузоподъемную доступную ракету. Именно Atlas вывел на орбиту первого американца. А после увеличения грузоподъемности добавлением в качестве верхней ступени блоков Agena и Centaur, он стал одной из "рабочих лошадок" американской космонавтики:

08
Слева направо: испытательный пуск одной из первых версий SM-65A, поздняя версия МБР Atlas E, пилотируемый вариант Mercury-Atlas, Atlas-Agena, Atlas-Centaur

Atlas весьма успешно служил как боевая ракета. Простые, по сравнению с Р-7, стартовые сооружения позволяли поместить его сначала в частично укрепленный бункер:
09

А затем - и в полностью укрепленную шахту:


Количество развернутых в США ракет в какой-то момент достигло 129. Но, как и у Р-7, боевая жизнь "Атланта" была коротка - с появлением твердотопливных МБР Minuteman он стал морально устаревшим. Боевые ракеты переделывались в космические и активно использовались - последняя конверсионная ракета стартовала аж в 2004 году! В 90-х годах стали доступны российские двигатели РД-180, которые были гораздо лучше оригинальных, и, начиная с версии Atlas 3, от исходной МБР осталось только название.

10

Титан, которого больше нет


Следующей американской МБР стал Titan. Изначально он разрабатывался как возможная замена Atlas'а, на случай задержки или проблем с разработкой. Titan I стал последней кислородно-керосиновой МБР и достаточно быстро сошёл со сцены. Но "всеядность" его двигателей позволила перевести их на высококипящие гептил/амил и, в итоге получилась очень удачная тяжелая МБР Titan II. Снимать с боевого дежурства их стали только с 1982 года, а последняя боевая ракета была демонтирована в 1987 году. В космическом варианте "Титан" был дооснащён разгонными блоками Centaur и боковыми твердотопливными ускорителями, что сделало его единственной тяжелой ракетой-носителем США с 1970-х до начала нулевых. Он запустил множество известных миссий - "Викинги" на Марс, "Вояджеры" к Юпитеру и дальше, "Кассини-Гюйгенс" к Сатурну.

11
Слева направо: боевые Titan I, Titan II, пилотируемый Gemini-Titan, Titan-IIIC, Titan-IIIE запускает "Вояджер-2", "Titan-IV" запускает "Кассини-Гюйгенс"

Короткий фильм о МБР Titan (на английском):


К сожалению, в 90-х и нулевых годах "Титан" стал проигрывать конкуренцию - он был относительно дорогим, токсичные компоненты топлива вызывали неудобства, часть полезных нагрузок стало дешевле запускать на "Протоне", и к тому же у него появился прямой конкурент - Delta IV Heavy. В 2005 году состоялся последний запуск РН семейства "Титан", и теперь эти славные ракеты остались в истории.

"Протон" тоже был боевым


Сейчас уже потихоньку забывается, что наш "Протон" имеет военную историю. Вначале была замечательная идея семейства универсальных ракет: легкой УР-100, средней УР-200, тяжелой УР-500 и сверхтяжелой УР-700. УР-100 была успешно создана и стала занимать свои места в шахтах, а вот дальше дела не заладились. УР-200 проиграла политическую конкуренцию с Р-36 и была закрыта. УР-500 сначала хотели сделать на базе четырёх УР-200, но получилось уродливо и неэффективно. УР-700 должна была конкурировать с Н-1, но мысли о возможности аварии ракеты с несколькими тысячами тонн крайне токсичных гептила/амила делали её позицию весьма шаткой. В итоге из всего семейства остались только УР-100 и переделанная и потерявшая унификацию УР-500. Впрочем, несмотря на все проблемы, семейство получилось удачным. УР-100 годами стояла на боевом дежурстве, а сейчас в модификациях "Рокот" и "Стрела" выводит спутники на орбиты. УР-500 хотели сделать МБР для сверхмощной боеголовки в 150 мегатонн и использовать в противоракетной обороне (проект "Таран" - сверхмощная боеголовка взрывается над Северным полюсом, уничтожая десятки американских МБР, которые должны пролетать через относительно небольшой район), но эти идеи не были реализованы. Зато в мирном варианте УР-500 стала единственной тяжелой ракетой-носителем СССР/России, успешно пережив потенциальную конкуренцию Н-11 и "Энергии-М". УР-500 (она же "Протон") участвовала в советской лунной программе, выводила "Салюты", "Мир", блоки МКС, а сейчас трудится, выводя множество коммерческих спутников на геостационарную орбиту. Несмотря на то, что в среднесрочной перспективе он будет заменяться ракетами "Ангара", до 2020 года "Протон" доживёт точно.

12
Слева направо: УР-500 в двухступенчатом варианте, на одном фото УР-200, УР-500К ("Протон-К"), изначальный проект УР-500, "Протон-К" для пилотируемого облёта Луны, "Протон-К" выводит модуль МКС "Звезда"

Фильм о ракете "Протон":


Универсальный "Космос"


Советские БРСД не остались в стороне от космической службы. Кроме Р-5, про которую уже говорилось, на базе БРСД Р-12 и Р-14 было создано семейство РН "Космос". После того, как к ним добавили вторую ступень, получились хорошие РН легкого класса, которые использовались с 1961 по 2010 год. Любопытно, что РН "Космос-2" заправлялась аж шестью жидкостями - первая и вторая ступени использовали разные компоненты топлива. Также, использовалась достаточно редкая топливная пара - гептил/кислород. Несмотря на эти особенности, семейство получилось достаточно удачным.

13
Слева "Космос-2" программы "Интеркосмос", справа "Космос-3М"

Тяжелые МБР и легие РН


На сегодняшний день есть боевые МБР, которые используются с минимальными изменениями - УР-100 в вариантах "Рокот" и "Стрела" и Р-36 в варианте "Днепр". Причина - эти МБР снимаются с боевого дежурства, но их выгоднее использовать для запуска чего-нибудь полезного, нежели просто утилизировать. Уже в 60-х годах боеголовки стали достаточно легкими, поэтому конверсионные МБР могут использоваться только как РН легкого класса. Конверсионное происхождение означает, что они сойдут со сцены после исчерпания запаса базовых МБР, производить их специально для космических пусков экономически невыгодно.

14
Слева "Рокот", справа "Днепр"

Испытательный пуск МБР Р-36М2 "Воевода", базы для "Днепра"


Небольшой FAQ в заключение


1. Можно ли на базе боевой МБР сделать космическую ракету?
Да, можно, вся публикация об этом. Именно поэтому космические программы Ирана или Северной Кореи вызывают некоторое беспокойство, потому что базовыми для космических ракет выступают именно их МБР. У развитых стран нет проблем с гражданскими ракетами-носителями, поэтому использование отдельных ступеней или МБР целиком встречается не очень часто, и обосновано, главным образом, экономическими причинами.

2. Можно ли на базе космической ракеты собрать МБР?
В теории да, но, как правило, это не имеет смысла. Боевые МБР развитых стран отличаются от космических ракет-носителей. Современная МБР РФ или США должна стоять годами в полной боевой готовности и иметь возможность стартовать спустя секунды после команды. Космическая ракета-носитель готовится к пуску обычно несколько суток и не соответствует требованиям современной ядерной войны даже для нанесения первого удара. Также, некоторые ракеты-носители специально разрабатывались так, чтобы не было возможности разработки баллистических ракет на их базе. Например, японская РН "Лямбда" имела намеренно крайне упрощенную систему управления, чтобы её нельзя было использовать в военных целях. Если же РН была разработана на базе МБР, то у страны-производителя уже есть МБР, и это действие также не имеет смысла. Вариант, когда страна третьего мира получает чертежи космической РН и делает на их базе свою МБР теоретически возможен, но крайне маловероятен. Для создания МБР надо иметь развитые индустрию и технологию. Та же Северная Корея, которая дальше всех продвинулась по этому пути, движется уже несколько десятилетий, и базой для их ракет стали БРСД семейства Р-11 и Р-17, известные как "Скады". Уже Южная Корея не сможет сделать из KSLV-1 МБР просто потому, что покупала готовую первую ступень как "черный ящик".

3. Пуск легкой "Ангары" был суборбитальным на полигон российских МБР на Камчатке. Это ж-ж-ж неспроста!
Пуск "Ангары-1.2ПП" совмещал испытания легкого варианта ракеты-носителя "Ангара" и УРМ-2 для тяжелой "Ангары". Выводить полезную нагрузку на орбиту не было необходимости. А полигон подходил для регистрации параметров полёта. В теории, конечно, можно погрузить на гражданскую ракету-носитель ядерную боеголовку (на "Сатурн-1" целых два раза грузили по 90 тонн воды, так что это не будет самой странной полезной нагрузкой), но начинать ядерную войну с одиночного пуска для РФ или США - верх глупости. Вне зависимости от успешности этого пуска резервированные командные системы (отечественная система "Периметр" или воздушные командные пункты США) будут способны обеспечить гарантированное взаимоуничтожение. По этой же причине сценарии боевого применения "Спейс Шаттла" со сбросом водородной бомбы на Москву, которые и сейчас иногда вспоминают, также были необоснованными.

Если хочется почитать что-то ещё на тему военного космоса, можно перечитать прошлогоднюю публикацию "Военный космос".

Всех, кого это касается — с Днём защитника Отечества!


@темы: вооружение, космос

13:46 

Самый дешёвый способ спасать нашу Ангару Превратим Ангару в кенгуру!

Мы платим Казахстану миллионы долларов в год за зоны падения отработавших ступеней ракет, но если бы мы вообще не допускали их падения на землю, а ловили бы их в воздухе, то можно было бы сильно сэкономить. И вот как это можно сделать.

Начнём по порядку ( впрочем для профи всё в одной картинке: ссылка ).

Так взлетает наша Ангара:





На высоте в 98 километров от Ангары отделяется её первая ступень:



Далее отделившаяся ступень просто падает на землю и разбивается.

Не многие знают, но первые ступени ракеты-носителя Энергия ( боковушки ) собирались спасать по следующей схеме:



Здесь после отделения боковушки, за ней раскрывается небольшой тормозной парашют, с которым она летит до высоты в 3-4 километра, далее раскрывается основной, многокупольный парашют и на нём она приземляется на Землю, на специальные опоры.

Но. Спуск на парашютах непредсказуемый. Ветер может понести ракету на деревья, на крутой склон, ракета покатится и получит повреждения. Поэтому надо не дожидаться когда ступень долетит до земли, а прямо в воздухе прицепить её тросом к вертолёту, и унести на космодром.

Но как её зацепить? Подлетать на вертолёте к спускающейся ступени ближе чем на условные 50 метров - опасно. Так как вертолёт может ткнуться в купола парашюта, запутаться в них, упасть и разбиться. Поэтому нужно что-то, что бы помогло нам протянуть тросс от вертолёта на эти условные 50 метров и зацепить спускающуюся на парашюте ступень. И этим что-то является джетпак. Кто не знаком с такой штукой - смотрите ролики.


http://youtu.be/E81KQ7u3-7s

Полёт через Гранд Каньон на жетпаке. Время полёта - чуть более 30 секунд. Расстояние - 380 метров. Сам полёт см. с 3:30 .


http://youtu.be/jM0rHpws_oY

Наш десантник на джетпаке сможет пролететь от вертолёта до спускающейся на парашюте ступени, и дотянуть за собой трос. Далее он выстреливает гарпуном с тросом в специальную петлю, созданную парашютами; гарпун расклинивается в этой петле и таким образом трос от вертолёта оказывается привязан к спускающейся ступени. Далее парашюты сбрасываются, ступень повисает под вертолётом, и вертолёт несёт её на космодром для повторного использования. См. анимированную картинку:

angara-spas-stup-02-05
http://ic.pics.livejournal.com/zampotehkenguru/66593454/88946/88946_original.gif

А теперь подробности.

Важный плюс такой системы - отсутствие рисков. Вертолёт висит в условных пятидесяти метрах от спускающейся на парашютах ступени и ему ничего не угрожает. Десантник привязан к вертолёту страховкой. Если вдруг джетпак сломается, или в нём кончится топливо - десантник просто повиснет на страховке как на тарзанке и его поднимут обратно в вертолёт. Время полёта на джетпаке в 30 секунд - да короткое, но его достаточно. Негры 50 метров пробегают за 4 секунды, а на джетпаке можно долететь ещё быстрее. Оставшиеся 26 секунд - на то, чтобы прицелиться и выстрелить из гарпуна. Кроме того десантников может быть не один, а несколько. Не получится у одного - получится у другого. Как вариант - сделать джетпаку дистанционное управление, чтобы летал без человека. Тогда он станет намного легче и сможет держаться в воздухе дольше. Но если десантники будут справляться и сами, то можно обойтись и без этого.

На ступени Ангары помимо парашютов нужно установить передатчик, который бы передавал на вертолёт её GPS-координаты. Вертолётчик должен всего лишь удерживать вертолёт на расстоянии в условные 50 метров от спускающейся ступени, и когда она спустится до нужной высоты - дать команду десантникам лететь к ней на перехват и зацеплять трос. Скорость спуска боевой техники на парашютах зависит от числа куполов, и может быть снижена до 5 метров в секунду. Вот ролик, чтобы оценить насколько медленно может опускаться тяжёлая боевая техника ( вес - 18 тонн ).


https://www.youtube.com/watch?v=QgcejpYkxgc

Ролик глазами боевой машины:


https://www.youtube.com/watch?v=K-sry44vFXQ

Когда смотришь как медленно в ролике происходит спуск, то подлететь к ней на джетпаке и зацепить трос - не кажется чем-то невозможным. Петля в которую нужно попасть гарпуном - достаточно велика. Но можно сделать и ещё больше.

Закрепить гарпун на джетпаке можно под одной из ручек управления. Их две. Правая управляет газом, левая - направлением полёта. Под правую можно поставить гарпун и сделать кнопку выстрела из гарпуна. Вот как выглядят ручки управления глазами пилота:


https://www.youtube.com/watch?v=VL4Hfr2v64c


Цена вопроса

Заметьте, что по цене этот способ спасения Ангары самый дешёвый. Тут требуется только джетпаки, аренда вертолёта, трос, гарпун, десантники, плюс не очень большие доработки ступени Ангары, чтобы разместить там парашюты и передатчик GPS. А прибыль мы получим за то, что не надо будет платить за зоны падения, так как ничего падать на землю уже не будет.

Для сравнения, чтобы спасти ступень ракеты-носителя Falcon-9 Элона Маска, потребовалось изготовить специальную баржу, причём баржа получила повреждения, погнулась, когда ступень на неё рухнула, и теперь нужны деньги на ремонт ( ссылка ). Судостроение само по себе - вещь дорогая. Окупится ли баржа повторным использованием ступеней - это вообще вопрос.


Жетпаки в магазине. Ждут чтобы их купили и спасли Ангару.


Универсальность Спасаем все ступени любой ракеты!

Не всякую ступень можно спасти посадив её на двигателях на барже как у Маска. Например, двигатели Ангары слишком мощные, чтобы на них ступень могла зависать в воздухе. Ловля же ступеней вертолётом и джетпаком годится для любых ступеней на которые можно прицепить парашюты. Спасать можно не только первые, но и вторые и третьи ступени ракет. Можно ловить даже космический корабль Союз спускающийся с орбиты. Помните космонавта Комарова который разбился из-за того, что у него не вышел основной парашют, а вышел только вытяжной? Понятно, что загарпунить вытяжной парашют, чтобы спасти космонавта, намного сложнее, чем основной, и вообще как это сделать - это отдельная большая тема. Я просто говорю о перспективах и направлениях. И пока никто у нас не начнёт этим серьёзно заниматься, мы и не узнаем как далеко можно зайти в теме полного спасения всех ступеней ракет и их повторного использования.


С чего начать

Чтобы научиться ловить ступени - ракета не нужна. Нужен просто некий груз весом в 10 тонн, который будут сбрасывать с самолёта на парашюте. Нужен вертолёт Ми-26 ( поднимает 20 тонн ), который будет этот груз ловить. Нужно купить джетпак, поставить на него гарпун, и поручить нашим десантникам учиться ловить сбрасываемый с самолёта груз. Когда натренируются ловить груз - перейдём к ловле ступеней. Поставим парашюты на Ангару и будем ловить её. Превратим Ангару в кенгуру!

Спасение ступеней делает космос дешёвым и более доступным всем нам. Самолёт почему дешёвый? Потому, что его только топливом заправить - и лети ещё раз. А ракету каждый раз надо делать заново. Поэтому надо учиться спасать ступени и использовать их повторно, как самолёты. Так, что кто хочет в космос - давайте поддержим тему репостом.

Уважаемому сообществу предлагается обсудить данную схему, все плюсы и минусы.





@темы: космос

12:40 

Взаимосвязь систем нагрева и охлаждения в космических кораблях

Оригинал взят у holodilshik в Космос: взаимосвязь нагрева и охлаждения

При освоении космоса ученые и инженеры столкнулись со множеством задач, которые не встретишь на Земле, в разных отраслях знаний. Мне, как человеку работающему с климатической техникой интересно, как были решены задачи в теплотехнической сфере, учитывая температурный космический дуализм. Случайно я наткнулся на интересную советскую книжку и с одним из решений этой проблемы я вас хотел познакомить на ее материалах. А именно, с системой терморегулирования советской орбитальной станция «Салют-6».

  Орбитальная станция "Салют-6"

Немного теории и проблематики:
"Решая проблему терморегулирования космического аппарата, конструктор находится как бы в порочном круге. Действительно, за время полета аппарата плоскость его орбиты постоянно изменяет свое положение относительно направления на Солнце. Полет может проходить в течение длительного времени только по освещенной Солнцем орбите или по орбите, имеющей участок тени. При этом на солнечной орбите на аппарат будут не только поступать значительные внешние тепловые потоки, но и его приборы, интенсивно работая, могут выделять максимальное количество тепла. В тени же Земли, наоборот, внешние потоки, а также тепловыделение находящихся в дежурном режиме приборов могут быть минимальными.
Спасая от переохлаждения космический аппарат на теневой стороне, конструктор может «укутать его шубой», но тогда на солнечной стороне нельзя будет избавиться от лишнего тепла и аппарат перегреется: закипит электролит в аккумуляторах, выйдут из строя различного рода элементы бортовой аппаратуры и т. д. Какой же выход из этого противоречия? Он прост, хотя и кажется на первый взгляд парадоксальным. Его мы и рассмотрим в следующем разделе.
                                                                      НАГРЕТЬ, ЧТОБЫ... ОХЛАДИТЬ
В конструкторских бюро, занимающихся проектированием космических аппаратов, нередко можно услышать примерно такой разговор между специалистом, отвечающим за энергетику объекта, и тепловиком, разрабатывающим его тепловую защиту.

ТЕПЛОВИК: Как показали уточненные расчеты, один из приборов, работающих в открытом космосе, перегревается. Для того чтобы его охладить, мы просим выделить дополнительно два ватта мощности для его подогрева.
ЭНЕРГЕТИК: Конечно, резервы энергетики на борту объекта у нас. ничтожны, но два ватта мы вам, разумеется, выделим.

  Непосвященному этот разговор покажется странным: ведь прибор, о котором идет речь, перегревается... Зачем же его тогда подогревать?
   Попытаемся разобраться в этом вопросе. Предположим, что на внешней стороне корпуса космического аппарата установлен какой-либо прибор (например, оптический датчик системы ориентации). Этот прибор изолирован от корпуса аппарата и имеет свою температуру, определяемую теми внешними и внутренними тепловыми потоками, о которых уже говорилось ранее. Для того чтобы этот прибор в тени Земли не «замерзал», его закрывают «шубой», практически не пропускающей тепло. При этом, разумеется, оптические «окна» прибора остаются открытыми, а следовательно, на солнечной стороне орбиты на них могут поступать тепловые потоки. Кроме того, при работе прибора возникает его внутреннее тепловыделение.
Все это тепло необходимо «сбросить» в космос, так чтобы температура прибора не превышала, скажем, +40° С. Для этого на одной стороне его поверхности в «шубе» делают специальные вырезы, т. е. создают радиационные поверхности, нанося на них соответствующие лакокрасочные покрытия. Эти поверхности желательно размещать на той стороне прибора, которая вообще не освещается Солнцем. Но если этого сделать нельзя, что чаще всего и бывает на практике, не беда – рассмотренный выше эффект цилиндра поможет решить эту задачу. Выбирая величину площади радиационной поверхности, необходимую для сброса избыточного тепла, можно обеспечить максимальную температуру прибора ниже ее допустимого верхнего предела. Но «сброс» тепла с радиационной поверхности будет происходить также и в тени Земли. При этом может оказаться, что прибор на теневом участке орбиты не работает, т. е. не выделяет тепла.
  В результате он будет охлаждаться, и нет другого выхода, кроме как с помощью автоматически включаемого обогревателя его нагревать. Если нужно на несколько градусов снизить максимальную температуру прибора, необходимо соответствующим образом увеличить площадь радиационной поверхности, а значит, и увеличить мощность обогревателя. Вот почему в приведенном разговоре энергетик не только совершенно спокойно отнесся к, казалось бы, абсурдной просьбе тепловика, но и удовлетворил ее.
«Сбросить» тепло в космос с радиационной поверхности – это еще всего лишь одна задача. Вторая состоит в том, чтобы подвести к ней тепло от тепловыделяющего элемента с допустимым перепадом температур между ними. В идеальном случае тепловыделяющие элементы желательно устанавливать на радиационной поверхности. Однако на практике это сделать не всегда удается. Если такой элемент располагается вдали от радиационной поверхности, то передающийся теплопроводностью тепловой поток на пути от элемента к поверхности должен преодолеть некоторое тепловое сопротивление. Оно тем больше, чем меньше теплопроводность материала, площадь поперечного сечения тепло-вода и. больше расстояние передачи этого потока.
Увеличение теплового сопротивления приводит к тому, что температура тепловыделяющего элемента будет увеличиваться при той же температуре радиационной поверхности. В результате может случиться так, что температура корпуса прибора находится в допустимом диапазоне, а тепловыделяющий элемент тем не менее перегревается. Для небольших приборов, работающих в открытом космосе, эта проблема остро не стоит, так как расстояние от их тепловыделяющих элементов до радиационной поверхности, как правило, оказывается сравнительно небольшим. Установка этих элементов на корпусе прибора, выбор высокотеплопроводного материала для корпуса, создание в ряде случаев тепловодов – вот те методы, которые позволяют избежать нежелательных в этом случае явлений.

  Решение проблемы терморегулирования советских космических кораблей и станций:
   Иначе обстоит дело в гермоотсеках космических кораблей и станций. Большие расстояния между отдельными частями этих гермоотсеков создают серьезные трудности при попытке передать тепло от приборов к радиационной поверхности с помощью теплопроводности. Кроме того, большие размеры корпуса такого космического аппарата приводят к значительному разбросу температур по радиационной поверхности: та ее часть, которая освещена Солнцем, может на десятки градусов нагреваться сильнее части, находящейся в тени. В этом случае приборы, размещенные в гермоотсеке, могут либо перегреваться за счет дополнительного теплообмена с «горячей» частью поверхности корпуса, либо, наоборот, переохлаждаться из-за передачи тепла к «холодной» части.

Поэтому для крупных космических аппаратов конструкторы избрали другой путь поддержания заданного температурного диапазона приборов. В гермоотсеке устанавливается вентилятор, который, обдувая приборы газом (воздухом гермоотсека), «снимает» с них тепло, а также выравнивает температуры по их поверхности. Далее «снятое» тепло можно передать радиационной поверхности, расположенной прямо на корпусе гермоотсека, подобно тому, как это делается иногда в приборах, работающих в открытом космосе.
Как уже отмечалось, при этом неминуемо потребуются расходы электроэнергии на обогреватель атмосферы гермоотсека. Чтобы избежать этих неоправданных потерь, можно па радиационной поверхности разместить теплозащитный экран типа жалюзи. Когда температура приборов становится сравнительно высокой, специальный датчик подаст сигнал электромотору, открывающему жалюзи, и избыточное тепло начнет излучаться в космос. После того как приборы охладятся, этот же датчик подаст команду и жалюзи закроются, прекратив тем самым отвод тепла от гермоотсека.
Такая система терморегулирования достаточно проста и в то же время эффективна. Она в ряде случаев применяется на космических аппаратах. Однако использование жалюзи – не единственный принцип регулирования температуры в гермоотсеках.

На рис. 4 приведена принципиальная схема системы терморегулирования советской орбитальной станция «Салют-6». Весьма большие размеры ее гермоотсека, значительные тепловые мощности, выделяемые ее аппаратурой и экипажем, вызывают существенные трудности в решении проблемы обеспечения ее теплового режима. Для вентиляции станции конструкторам пришлось предусмотреть на ней несколько десятков вентиляторов. Тепло, снимаемое движущимся под напором вентиляторов воздухом, передается в теплообменнике (5) теплоносителю, циркулирующему по тракту контура обогрева (1), основная задача которого состоит в обогреве отдельных элементов конструкции станциию
Так, например, тепло из этого контура передается в теплообменниках (4) промежуточным контурам (10), служащим для обогрева транспортных космических кораблей «Союз», «Прогресс», состыкованных со станцией. Необходимость такого обогрева связана с тем, что аппаратура этих кораблей в ходе совместного полета со станцией работает в ненапряженном, дежурном режиме и мало выделяет тепла. Система терморегулирования станции объединяется с системой терморегулирования транспортного корабля с помощью специальных гидроразъемов стыковочного агрегата (7), соединяющих тракты гидромагистрали обоих аппаратов.
Теплоноситель контура обогрева циркулирует также по стенкам станции (9), подогревая охлажденные и охлаждая нагретые их части, или, другими словами, выравнивая их температуры. Если в кабине станции выделяется слишком много тепла и температура ее воздуха повышается, вводится в действие теплообменник (11), в котором избыточное тепло передается из контура обогрева в контур охлаждения (2). Циркулирующий по трактам последнего теплоноситель переносит полученное в теплообменнике (11) тепло на радиационную поверхность (8), излучающую его в космос. Расход теплоносителя через теплообменник (11) можно регулировать с помощью специального крана-регулятора и тем самым менять степень охлаждения жидкости в контуре обогрева.
Когда на станции нет экипажа и ее аппаратура выделяет мало тепла, температура воздуха в гермоотсеке понижается. Для того чтобы она не опустилась ниже допустимого предела, в составе системы терморегулирования предусмотрен электрообогреватель (13).


                  схема
Из атмосферы станции следует удалять влагу, выделяющуюся, например, при дыхании космонавтов. Для решения этой задачи служат специальные холодильно-сушильные аппараты (6). Влага оседает на охлаждаемых до температуры порядка 5°С поверхностях этих аппаратов, собирается в емкости, а затем подается в систему, регенерирующую из конденсата воду. Охлаждение этих поверхностей осуществляется с помощью контура (3), теплоноситель которого отдает свое избыточное тепло в теплообменнике (12) контуру (2).
Конечно, теплоноситель по различным контурам прокачивается гидронасосами. Так как при изменении  температуры жидкости изменяется и занимаемый ею объем, т. е. меняется давление в охлаждающих трактах, в системе терморегулирования предусмотрен компенсатор объема.
В состав холодильно-сушильных агрегатов (6) и теплообменника (5) входят вентиляторы, направляющие воздух между трубками теплообменника, и регулятор расхода воздуха, представляющий собой такую же шторку с приводом, какая применялась на космических кораблях «Восток», «Восход». Таким образом, на станции производится автоматическое регулирование и температуры жидкости во внутреннем контуре охлаждения, которая поддерживается с точностью ±2° С относительно одного из ее номинальных значений: 5, 7 и 9° С, и температуры воздуха, составляющей в жилых объемах станции 18 – 25° С.
Система терморегулирования транспортного космического корабля. «Союз» состоит примерно из тех же блоков, что и у станции «Салют». В ее состав входят два основных жидкостных контура: внутренний, предназначенный для терморегулирования жилых отсеков, и внешний, служащий для отвода избыточного тепла от гермоотсека в космосе. Тепло снимается с тепловыделяющих элементов с помощью движущегося под напором вентиляторов воздуха и передается в газожидкостном теплообменнике жидкости, «прогоняемой» с помощью гидронасосов по гидромагистрали. С помощью жидкости термостатируются стенки агрегатного отсека.
Избыточное тепло передается в жидкостно-жидкостном теплообменнике внешнему контуру и «сбрасывается» в космос с радиационной поверхности. Температура жидкости внутреннего контура, как и на станции «Салют», регулируется с помощью автоматики и регуляторов. Это позволяет поддерживать на необходимом уровне температуру стенок холодильно-сушильного агрегата, а значит, и уровень влажности воздуха в кабине. Температура воздуха в кабине корабля также регулируется автоматически, подобно тому, как это делается на станции «Салют».
Для обогрева корабля «Союз» при его полете совместно со станцией «Салют» на нем предусмотрен также вспомогательный контур системы терморегулирования.

По материалам книги Г. М. Салахутдинова "ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ" Издательство «Знание» Москва 1982.




@темы: космос

09:17 

Проект "Искусственная гравитация"

Б.В. Раушенбах, соратник Королева, рассказал о том, как у того возникла идея создания искусственной тяжести на космическом корабле: в конце зимы 1963 года главного конструктора, расчищавшего дорожку от снега у своего домика на Останкинской улице, можно сказать, осенило. Не дождавшись понедельника, он позвонил по телефону Раушенбаху, который жил неподалеку, и вскоре они вместе стали «расчищать дорогу» в космос для длительных полетов.
Идея, как чаще всего бывает, оказалась простой; она и должна быть простой, иначе на практике может ничего не получиться.


Картинка из книги "Полёт в мировое пространство" (1949)

Как известно, на каруселях и других вращающихся аттракционах создается весьма продолжительная искусственная тяжесть за счет центробежных сил. Поэтому профессиональная карусель — центрифуга — стала одним из действенных инструментов для отбора и тренировки космонавтов, на ней проверяют способность выдерживать повышенную тяжесть. Большие перегрузки неизбежно действуют во время подъема в космос, на пути к невесомости, в полете на ракете. Создать искусственную карусель на орбите Королев задумал не случайно.
Уже следующий за Гагариным полет в космос принес большую неожиданность. В течение суток второй космонавт планеты Герман Титов испытывал в невесомости, мягко говоря, большой дискомфорт.

Надо сказать, что создание искусственной тяжести рассматривалось многими корифеями теоретической космонавтики, начиная с нашего Циолковского и немца Оберта. Уже в средине 50-х фон Браун, работая в Америке над ракетами, спроектировал космическую станцию с вращающимся «колесом», по периферии которого создавалась перегрузка.

В 1963 году Королев думал о полетах на Луну и даже к Марсу: в ОКБ-1 уже разрабатывались проекты межпланетных кораблей. И уж, конечно, не случайно будущая система искусственной тяжести рассчитывалась на одну шестую земной — такую же, как на Луне.

Размеры корабля слишком малы, чтобы вращать его для создания центробежной силы; требовался противовес, система связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля сыскался идеальный противовес — последняя ступень ракеты-носителя. Ступень выходит на орбиту и отделяется, отбрасывается от него как ненужная, уже бесполезная пустая «бочка». Ее-то и «подобрал» Королев для своего эксперимента. Первые оценки показали, что необходимы большие, почти космические размеры карусели. Дело в том, что перегрузка пропорциональна расстоянию от центра вращения и скорости вращения в квадрате. Из «карусельной практики» и из опыта состоявшихся и несостоявшихся космонавтов известны те неприятные ощущения, которые испытывает человек на вращающейся платформе.

Когда стали разрабатывать систему искусственной тяжести, космическая медицина уже поднялась на высокий научный уровень. Скорость, с которой можно безболезненно вращать космонавта на орбите, определили как раз по ускорению Кориолиса, задавшись относительной скоростью перемещения космонавта в корабле, все — строго по законам классической механики. В итоге нам, инженерам-создателям системы, досталась от специалистов по космической медицине угловая скорость в два оборота в минуту. Чтобы достичь лунной перегрузки, то есть центробежного ускорения в 1,5 м/с2, требовался трос длиной в 300 м. Однако это было еще не все. Сразу раскрутить «карусель» до такой скорости не удавалось, и вообще разведение корабля с последней ступенью оказалось наиболее тонким и опасным этапом образования вращающейся системы. Подготовили следующий космический сценарий.

Исходная конфигурация системы искусственной тяжести — ИТ (до перецепки):


После выхода на орбиту «Восход» отделялся от ракеты-носителя, оставаясь связанным с ним тросом. Пустая, без топлива и окислителя последняя ступень РН «Восток» — ракетный блок И, как его называли в ОКБ-1, — весила около 3 т. Через несколько секунд после расхождения метров на пять включались два пороховых реактивных двигателя, которые сообщали дополнительный импульс блоку И, увеличивая скорость расхождения (радиальную скорость) до 10 м/с. Сматывая трос с барабана лебедки, ракетный блок удалялся от корабля, пока расстояние не увеличилось до 1000 м. Ни мало ни много, а для эксперимента требовался 1 км троса. Погасив скорость расхождения, лебедка выдавала сигнал на включение еще одной пары пороховых реактивных двигателей, на этот раз — чтобы закрутить систему, по терминологии классической механики — сообщить блоку И тангенциальную скорость. Система из двух связанных тросом тел начинала вращаться относительно общего центра масс со скоростью в 2 оборота в минуту, а центр масс, в свою очередь, продолжал вращаться по орбите вокруг Земли. Под действием центробежной силы трос натягивался с силой 20 кг, создавая перегрузку в 1/300 земной. Следующим шагом становилась так называемая перецепка.

Окончательная конфигурация ИТ (после перецепки). Сила искусственной тяжести прижимает космонавтов к креслу:


Чтобы искусственная сила тяжести действовала на сидящего в кресле космонавта правильно, чтобы она прижимала его к креслу, а не вынуждала висеть на привязных ремнях, требовалось отцепить нижнюю точку крепления на приборно-агрегатном отсеке «Восхода»; корабль перевертывался и после нескольких колебаний оставался висеть вверх ногами, зато это положение вполне устраивало космонавтов.

Уже из столь краткого описания видно, что система получилась совсем не простой. Анализ показывал, что ракетный блок и корабль начинали колебаться за счет начальных возмущений, а трос, как натянутая струна, мог колебаться по собственному, как известно, совсем уж не простому закону. С этими колебаниями надо было бороться, не давать им выйти из-под контроля. С этой целью на блоке И устанавливалась дополнительная реактивная система управления (РСУ), которая так же, как РСУ на корабле «Восход», демпфировала угловые колебания блока относительно троса. Еще более тонкие явления, которые тоже вытекали из законов классической механики и определялись так называемыми градиентами гравитационных сил, при анализе у нас игнорировались. До них в те годы по-настоящему еще не добрались, а эти чисто космические силы орбитального полета могли существенно повлиять на неземную космическую механику, которая рассчитывалась по земным законам. К тому же, в нашем стальном, а значит электропроводящем, тросе, летящем в магнитном поле Земли, неизбежно возникли бы уникальные электромагнитные явления.

На следующем этапе развертывания требовалось увеличить перегрузку до лунного значения, то есть до 1/6 земной. Помог еще один закон классической механики, называемый принципом сохранения кинетического момента. Если стягивать два вращающихся тела, то, подчиняясь этому закону, скорость вращения начинает возрастать, как у вращающегося на льду фигуриста, складывающего руки. Лебедка стягивала трос с километрового расстояния до 300 м, увеличивая скорость вращения до требуемой величины — 7 град/с; при этом сила возрастала с 20 кг до 1000 кг. В результате на корабле «Восход» с массой около 6 т действовала перегрузка, равная лунной тяжести.

После окончания эксперимента трос предполагалось отстрелить от корабля, иначе спуск на Землю в объятия естественной тяжести становился невозможным.

Вот такая длинная и непростая процедура космической «раскрутки» была задумана к середине 1964 года.

Также много лет спустя мы стали разрабатывать эксперимент с многокилометровым тросом. Только тогда мне пришлось познакомиться с теми уникальными физическими явлениями, которые возникают в этих сугубо космических системах. Конечно, в середине 60-х мы были молодыми и только познавали космос. И все-таки странно, что тогда никто из нас, даже будущий академик Раушенбах, не обратил должного внимания ни на особенности орбитальной механики троса, ни на 100-вольтовое напряжение, которое генерируется в тросовом проводнике, летящем в магнитном поле Земли со скоростью почти 8 км/с. Странно, потому что как раз в эти годы на Западе начали разрабатывать теорию этого уникального явления. Безусловно, определенную роль сыграла закрытость нашей космической техники, оторванность наших специалистов от мировой космонавтики, ведь в это время на Западе появились первые публикации, посвященные теории электродинамических систем в космосе.

Тогда нашему отделу досталась практическая механика, наиболее трудоемкая часть системы: лебедка, демпферы продольных и поперечных колебаний, механизм перецепки. Все они не имели прототипов. Наряду со стыковочным механизмом это задание оказалось для нас в те годы, пожалуй, самым сложным и комплексным. Проектировать и испытывать эту систему пришлось параллельно со стыковкой и другими, менее объемными, зато многочисленными заданиями.

Во второй половине 1964 и в начале 1965 года мы сконструировали все эти и другие компоненты системы искусственной тяжести. Тогда мы действительно очень спешили. Помню, как В.Ф. Кульчак, одна из самых работящих и упорных наших конструкторов, не выдержав очередного раунда изменений, чуть не бросила мне на стол почти готовые чертежи. Завод «Машиноаппарат» приступил к созданию прецизионных магнитных и электромагнитных тормозов. В мае 1965 года небольшая группа конструкторов с нашим материаловедом Л.М. Маленковой выехала в Ленинград, где на сталепрокатном заводе, заложенном еще в петровские времена, для нас изготавливали специальный космический трос. Чтобы сделать его легче, трос выполнили двухступенчатым, в соответствии с законом изменения перегрузки на орбите.

Вскоре уже в металле стали видны контуры километровой лебедки в виде первых корпусных деталей, размеры которых были необычными для этого цеха, привыкшего к небольшим приводам и механизмам.

Все компоненты и узлы были изготовлены, и мы приступили к отработке. И все-таки мы опаздывали, не успевая угнаться за планами нашего Главного конструктора.
Несмотря на всю секретность, за океаном, конечно, прослышали о наших планах создать искусственную тяжесть в космосе. Американцам очень не хотелось в очередной раз уступать нам «впервые в мире», и они сделали реальную попытку воспроизвести нашу схему на орбите на кораблях «Джемини».

В начале 1966 года Королев лег в больницу, а я уехал в Азов. Из больницы он не вернулся.
Сначала мы не знали, чем закончится наша искусственная и связанная с ней естественная тяжесть. В начале марта мы еще провожали «Восход-3», предназначенный для длительного полета, на полигон. Я его так и запомнил висящим на кране в нашем, тогда новом «малом» КИСе на 2-м производстве. Тогда мне казалось, что вскоре мы будем провожать «Восход-4» с демпфером, механизмом перецепки и узлом отстрела троса.
Наверно, это был оптимизм социалистического реализма.

В течение 1966 года возникали проблемы, связанные с планами длительного полета на «Восходе». Ряд технических и политических соображений также говорили не в пользу старых кораблей. В конце концов наш новый главный конструктор В.П. Мишин приказал прекратить работы над всеми «Восходами». По его указанию проектанты некоторое время рассматривали возможность создать искусственную тяжесть на базе нового корабля «Союз». Вскоре стало ясно, что там реализовать это гораздо труднее, чем на «Восходе», несмотря на то что РСУ (ракетная система управления) нового корабля позволяла более эффективно выполнить многие операции. Мы пытались протестовать и спасти хотя бы один «Восход» с искусственной тяжестью, но нас никто не слушал. Вскоре другие земные, естественные и искусственные тяжести захлестнули нового главного и многих из нас.
Еще долго космические лебедки и другие узлы никем до сих пор не воспроизведенной системы хранились в приборном производстве, досаждая всем своими большими размерами, пока их не сдали... на металлолом к какому-то очередному празднику.

Из книги Сыромятникова В.С. "100 рассказов о стыковке"

Для полноты картины. Март 1966, американцы на «Джемини-11»:
В 11:29 «Джемини-11» был отстыкован от «Аджены». Началось самое интересное: как поведут себя два объекта, связанные тросом? Сначала Конрад пытался ввести связку в гравитационную стабилизацию – чтобы ракета висела внизу, корабль вверху и трос был натянут.
Однако отойти на 30 м, не возбудив сильных колебаний, не удалось. В 11:55 перешли ко второй части эксперимента – «искусственная тяжесть». Конрад ввел связку во вращение; трос сначала натянулся по кривой линии, но через 20 мин выпрямился и вращение стало вполне правильным. Конрад довел его скорость до 38 °/мин, а после ужина до 55 °/мин, создав тяжесть на уровне 0,00078g. «На ощупь» это не чувствовалось, но вещи потихоньку осели на дно капсулы. В 14:42 после трех часов вращения штырь был отстрелен, и «Джемини» ушел от ракеты.


Из "Мировой пилотируемой космонавтики"



@темы: история, космос, проектирование

10:04 

ВАРП-двигатель: быстрее скорости света

Оригинал взят у holodilshik в ВАРП-двигатель: быстрее скорости света

А не замахнуться ли нам на мегалактические перелеты, друзья? И немного не пофантазировать о возможном будущем лет на сто, а то и двести вперед. Один из возможных в далеком будущем способов я предлагаю обсудить.

Эйнштейн выдвинул постулат,  что скорость света в вакууме является величиной постоянной и это предельная скорость движения частиц и передачи взаимодействий.
Учитывая величину космических расстояний и краткость жизни отдельного человека - понятно, что ограниченность скорости передвижения световой превращает освоение космоса в огромную проблему.

Писателей-фантастов давно занимает вопрос перемещения со скоростями больше скорости света, т.к. только это откроет возможности для достижения и колонизации человечеством дальнего космоса. Предлагалось много различных вариантов, в некоторых произведениях вообще перемещения со скоростью превышающую световую подается, как данность.

Наша вселенная постоянно меняется, галактики движутся друг относительно друга. Как же человечеству достичь дальних планет и звездных систем?


Источник: http://www.nasa.gov/centers/glenn/images/content/84575main_wormhole.jpg

Одно из решений этой проблемы было предложено в популярном фантастическом телесериале "Star Trek" ("Звездный путь";) еще в 60-х годах прошлого века. Там был предложена теория двигателя, позволяющая передвигаться быстрее скорости света. Он получил название ВАРП-двигатель и использовался на звездном крейсере Enterprise (Энтерпрайз). Этот двигатель имел возможность растягивания пространства. В целом, предложенная в сериале модель была весьма интересна и, как оказалось, совпала физически с реальной теоретической концепцией такого двигателя.

В 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре (Miguel Alcubierre) предложил пример растягивания пространства, причем не противоречащий теориям Эйнштейна. Предложенная модель,  объясняет возможность перемещаться в пространстве быстрее скорости света.
Как, я уже писал выше, такая концепция фигурировала в "Star Trek". Именно этот сериал по словам физика вдохновил его на обоснование данного эффекта.
Идея Алькубьерре была относительно проста: берем космическое пространство вокруг себя, сами мы остаемся при этом на месте, пространство впереди прижимаем к себе, а то что позади отодвигаем. Спереди мы сжимаем пространство равное тому, что остается позади. Таким образом, мы не ограничены скоростью, т.к. мы не двигаемся сами, двигается пространство. Мы сжимаем и разжимаем пространство, т.е. двигается пространство.
Применительно к кораблю можно сказать, что он вообще может быть неподвижен. Внутри будет казаться, что ничего не происходит. Все постулаты теории относительности сохраняются. Эта модель гипер-релятивиского локально-динамического пространства получила название пузыря Алькубьерре. Внутри пузыря время не растягивается и продолжает идти нормально.

Таким образом, по мнению Мигеля Алькубьерре должен видеть космос пилот космического корабля на ВАРП-двигателе. Напоминает картинку из "Звездных Войн".


Источник: http://www.nasa.gov/centers/glenn/images/content/84573main_warpsped.jpg

Однако, Алькубьерре - это теоретик. Его задача, выдвинуть и обосновать теорию, а вот как обратить теорию в практику - это уже немного другая задача.
По словам ученого: "Как это сделать с помощью механизма - это другая история."
Уже сейчас очевидно, что при воплощении этой идеи в жизнь ученым и инженерам придется столкнуться с огромными проблемами, как теоретического, так и практического характера. Основная из них - это создание антигравитации. Сам ученый уверен, что с существующей научной и технологической базой построить ВАРП-двигатель пока невозможно. Он считает, что человечество при благоприятном стечении обстоятельств научится стоить ВАРП-двигатели в течении следующих 200 лет.
Причем на данный момент основополагающим фактором для развития космоса он считает колонизацию и освоения Марса с применением существующих технических наработок. И уже потом попытки выхода за пределы Солнечной системы.

В предлагаемом Уйтом двигателе Алькубьерре кольцо вокруг космического корабля создает деформационный пузырь, который позволяет двигаться быстрее скорости света внутри него.


Источник: http://www.extremetech.com/wp-content/uploads/2012/09/warp_drive_starship.jpeg

Сейчас над разработкой теории такого двигателя работает Гарольд Дж.Уайт (Harold G. "Sonny" White), возглавляющий исследовательскую группу Eagleworks из Advanced Propulsion Physics Laboratory (лаборатория исследования продвинутых форм движения) в центре имени Линдона Джонсона NASA. Он и его коллеги считают, что их прогресс сделал модель куда более правдоподобной.
Он переработал модель теоретического корабля на варп-двигателе - и, в частности придумал кольцо вокруг него, что является ключом к его силовой установке и, по его мнению, позволит существенно сократить потребность в энергии.

На сегодняшний день ВАРП-двигатель - это не сбыточная мечта, которая требует огромного времени на разработку. Еще не доведена до конца теоретическая база, не говоря уже о инженерных решениях. Огромный простор для будущих ученых и инженеров.


Ролик - концепт космического корабля на ВАРП-двигателе



Источник 1 The New York Times
Источник 2 Интервью с Мигелем Алькубьерре (русский язык и субтитры)
Источник 3 Lenta.ru
Источник 4 NASA
Источник 5 Extremetech News



@темы: космос

01:38 

Thiokol или Очерк истории твердотопливных космических носителей

Оригинал взят у jr0 в Thiokol или Очерк истории твердотопливных космических носителей

  • Эскизы многоступенчатых пороховых ракет Kazimierz Siemenovwicz из Речи Посполитой, опубликованные в 1650 в Амстердаме.

1. Вроде бы, твердотопливные (пороховые) двигатели самые древние из ракетных, единственные древние. Широко и повсеместно применялись со средних веков. Искусство их изготовления все это время не утрачивалось.

Именно пороховые ракеты впервые стали многоступенчатыми. Послужили моделью полетов за пределы атмосферы на реактивной тяге. И, например, применялись как авиационное вооружение в первой мировой.

Фейерверки, сигналы, залповые артсистемы для пехоты, осады, защиты крепости, кораблей, самолетов, исследовательские ракеты. Это предыстория очерка.


2. История начинается с Годдарда (Robert Hutchings Goddard, 1882-1945), который в самом начале ХХ века сопоставил жидкостные и пороховые многоступенчатые ракеты для достижения космоса. В эксперименте он почти сосредоточился на ЖРД (пороховые все-таки тоже делал), но вопрос этот поставил как научный, открыто.

(В середине 20-ых годов ряд немецких исследователей решает заняться созданием космических ракет. Разработки пороховых ракет запрещены Версальским договором, потому сосредоточились на жидкостях.

Озарения в разных странах меня не волнуют здесь. Важна дорога к успеху и влиятельные попытки. Это не история Thiokol, но кроме них и нет других изготовителей в этой истории.)

3. Ключевым недостатком пороховых двигателей являлась тогда скорость горения заряда.

В 1926 два американских химика разрабатывали дешевый антифриз. Как побочный продукт получили вонючее вещество, которое не смогли удалить никаким растворителем. Подумав сочли, что стойкость к растворителям сама по себе полезна. Еще один синтетический каучук назвали тиокол. Для использования своего открытия в 1929 они создали фирму Thiokol Chemical Corp.

Потом выяснилось, что это и не резина, а топливо ракет.

4. Годдард был ученый одиночка, хотя охотно писал статьи в популярные журналы, но достижения скорее патентовал, чем обнародовал. Потому новая исследовательская группа в 1926 была создана не под его руководством, а возглавил ее фон Карман - американский аэродинамик - чистый теоретик из Австро-Венгрии, профессор Калифорнийского технологического института (Калтех), ученик Прандтля. Todor von Kármán, 1881-1963.

При Калтехе фон Карман создал и возглавил лабораторию: The Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT). Как видно из названия, на деньги из единственного источника - фонда Даниэля Гуггенхайма, горнодобытчика-металлурга. Гуггенхайм тратил по полмиллиона долларов в год на развитие аэронавтики, оплачивая несколько лабораторий. Тогда деньжищи! Лаборатория не государственная, а на дворе Великая депрессия. Пятнадцать лет участники этой группы обижались на закрытость Годдарда, но в войну им довелось поработать вместе.

5. В 1939 GALCIT получил от Национальной академии наук США (есть есть такая) заказ на исследование взлетных ускорителей для самолетов. Тогда стали строить огромные самолеты, а вот аэродромы, особенно на тихоокеанских островах, не велики. Грант, внимание, на одну тысячу долларов. Началась программа Jet-Assisted Take Off (JATO). "Естественно", GALCIT ухватился. Сын Гуггенхайма прекратил деятельность фонда, а фон Карман ясно понимал, что только правительство теперь может помочь лаборатории.

В том же году развернули постройку нескольких образцов: пороховой, ЖРД с самовоспламеняющимися компонентами и твердотопливный заряд с подачей жидкого окислителя. Ведь это ученые, им надо было исследовать границы применимости разных принципов питания реактивного двигателя, как научно-прикладную проблему. Выводы тех исследований используются до сих пор. Бывает, что в какой-то стране решают по другому, но все-равно возвращаются к этим выводам. Вкратце: если надо простое и всегда готовое изделие, с жидким топливом лучше не связываться.

После начала войны Годдарда призвали и дали звание. Военные подмяли и объединили все исследования. Когда деньги пошли от государства, в 1944, GALCIT мстительно переименовали в Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Пороховой состав не подходил, слишком быстро сгорает. А это избыток прочности и огромные ускорения. Внедрили битумные составы - асфальты, смешанные с окислителем - перхлоратом калия. Они горят медленнее, держат форму, но раскалываются. Переход на резину становится очевиден (на деле, три года поисков в тупиках). Заряд стали отливать в корпусе, тщательно разрабатывая форму каналов горения. С порохом также, но его шашки или зерна намного меньше, ведь большие разрушаются, а разрушившись быстрее горят, отчего крошатся вовсе.

Но это после войны. А за время ее главное достижение - пороховой двигатель диаметром под 300 мм, который горит 0.6 с, тягой в 25 тс. Он использовался, скажем, в большой авиационной НУР Tiny Tim (1944) и как первая ступень исследовательской высотной ракеты WAC Corporal (1945).


На асфальтах еще в 1941 испытали ускоритель для взлета, который горел 5 с. Это успех!

6. Но только в 1946 GALCIT совместно с фирмой Thiokol создает двигатель для ракеты воздух-воздух AAM Falcon. Первый успешный РДТТ на современном по сути смесевом топливе! Теперь его можно увеличивать в десятки раз по диаметру и в сотню по длине и времени горения, не меняя способ, а только оттачивая.

Вот ступени быстрого развития знаменитых двигателей Thiokol с годом первого испытания:

1)  1949, Hughes AAM-A-2 Falcon (семейство развилось в Phoenix).

2)  1951, Redstone Arsenal M31 Honest John (на вооружении в США до 1982).

3)  1955, Lockheed X-17 (первая многоступенчатая такая ракета и прообраз Polaris).

4)  1958, Lockheed UGM-27 Polaris A-1 (семейство развивалось до Trident-1). Опыт с работой ускорителя JATO под водой провели еще в 1943.

5)  1961, Boeing LGM-30 Minuteman-1 (семейство до сих пор на вооружении).

6)  1960, NACA Langley center Scout X-1 (это Castor, в основе, - первая ступень Polaris; универсальная ступень многих космических ракет-носителей по сию пору).

Почему иногда прогресс совершается за 20 лет, а потом 60 почти ничего нового? Потому что прогресс совершается сразу, а потом только другой прогресс.

Семейство ступеней Castor будет использоваться еще век, может быть. Тысячи раз. Собственно Scout - самая летавшая американская ракета, из наиболее надежных.

Надо бы закончить на Trident-II - 148 успешных пусков подряд. Не смог закончить: на Space Shuttle перезаряжаемые SRB успешно отработали 110 раз, это считается неудачей. Castor используется не только как первая, но и как последняя ступень космических современных носителей.

Thiokol вошел в ATK, а тот объединяется с Orbital Science в этом 2014 году. Стремлюсь перечислить ключевые имена и названия для любознательных: в JPL разработками двигателей руководил Френк Малина (Frank Joseph Malina, 1912-1981), смесевым топливом занимался оккультист и марксист Джон Парсонс (John Whiteside Parsons, 1914-1952, погиб при взрыве домашней лаборатории во время ее перевозки в Месксику!).

* * * *

И для сравнения летопись достижений последователей:

- В СССР разработку смесевых РДТТ начали в 1959. 1962 - первые испытания РТ-1, закончившиеся неудачно. На вооружение попала РТ-2, первый пуск в 1966. Для космических ракет ровно никаких достижений. Поэтому-то так распространено у нас мнение, что твердотопливные двигатели опасны и дороги. Не все.

- Во Франции начали в 1962. Испытания c 1966 - S112 (S-2). Это основа их надежных Ariane и, конечно, лодочных МБР.

- В Италии с середины 90-ых переняли французские технологии ускорителей для Ariane-4. Не стоило бы упоминания, но именно фирма Avio из Италии предлагает самые совершенные ускорители для Vega и будущей Ariane 6.

- В Японии работы над пороховыми ракетами массой менее кг начались только в 1955. А в 1958 геофизическая ракета семества Kappa достигла 50 км высоты, в 1966 попытались вывести спутник на Lambda-4S (см. Во Франции), а в 1970 - удачно. Стали четвертыми в мире со спутником (читай тогда: с МБР). Теперь производят ступени на основе технологии Castor - сильно и взаимно связаны с США. Семейства твердотопливных ракет там называют греческими буквами: Kappa (1956), Lambda (1966), Mu (1970), а теперь твердотопливный легкий носитель Epsilon (2013). Пусковой расчет которого, якобы, меньше десяти человек, что по крайней мере в десять раз лучше, чем предыдущее достижение. Это как в кино о Бонде, прямо. Хотят такое внедрить на новой H-III. Почти все их носители имеют твердотопливные ступени.

Этот очерк без выводов. О том как было и с датами.



@темы: вооружение, история, космос

11:10 

Спутники связи экономичнее выводить на орбиту с помощью газовой пушки

Show must go on, а экономика при этом должна быть экономной. Нынешний обвал рубля и финансовый кризис заставили вспомнить самое первое своё изобретение. Хотя правильнее назвать его не изобретением, а рацпредложением, позволяющим существенно экономить деньги из госбюджета на запусках спутников связи, грузовых кораблей и т.д. Было мне тогда 15 лет. Сидел как-то вечером дома, попивал с бабушкой и дедушкой чаёк, смотрел по телевизору программу "Время". Показывали запуск ракеты "Союз" на Байконуре. Полёт был пилотируемый, с двумя космонавтами на борту. И я подумал тогда, что больше половины запусков не показывают, поскольку они без космонавтов, на орбиту выводится только спутник. Дальше начал рассуждать вслух:
-  Искусственный спутник вместе с оборудованием способен выдерживать много большую перегрузку, чем живой человек. Это значит, что использовать каждый раз первую, самую дорогую разгонную ступень для спутников связи не слишком рационально. Для них вместо первой ступени ракеты-носителя хорошо бы сделать пушку с длиной ствола в 1000 метров и калибром 1.5 метра.
На что дедушка резонно заметил:
-  А не слишком ли дорогой получится пушка с длиной ствола в 1000 метров и калибром 1.5 метра?
-  Мне кажется, не дороже тоннеля в метро должно получиться. Например, тоннеля между станциями Волгоградская и Пролетарская.
Мы тогда как раз жили между двумя этими станциями. Дедушка, прикинув в уме расстояние между станциями, конкретно завис. Выйдя из ступора, начал спорить. Но, в конце концов, согласился, что вырыть вертикальную шахту в земле и хорошенько её забетонировать намного проще, чем построить, ту же Останкинскую телебашню. Подобные технологии столетиями совершенствовались в горнорудной и угольной промышленности. Забетонированная, да ещё в землю зарытая труба может выдержать чрезвычайно большое давление. А значит, в качестве ствола для такой "пушки на Луну" можно использовать самые обычные трубы большого диаметра, которые используются для газопроводов.

001
Главный калибр такого необычного космодрома может быть и 2, и даже 5 метров. Диаметр трубы, чисто техническая проблема. Суть рацпредложения, если совсем коротко - при одной и той же дальности стрельбы обычный артиллерийский снаряд намного дешевле реактивного. Жаль, что ни с кем кроме деда не обсуждал свою идею. Очень быстро забыл про неё. А теперь вот случайно вспомнил, и пока снова не забыл, решил описать со всеми подробностями.

В обычной пушке используется пороховой заряд. Космическая пушка намного длиннее, а давление в канале ствола меньше. С учётом этого дешевле использовать не порох, а 10%-ную смесь обычного бытового газа с воздухом. Представьте себе один кубометр сжиженного газа, используемый для приготовления взрывоопасной газовой смеси с воздухом. В пушке он придаст космическому кораблю больший импульс, чем в реактивных соплах. Другими словами, его использование будет более эффективным.

Дуло обычной пушки имеет небольшое сужение. Дуло космической пушки можно не сужать, а герметично накрывать сферическим стеклянным колпаком. Накануне старта воздух из канала ствола откачивается. Например, если откачать до 76 мм.рт.ст., сопротивление воздуха будет в 10 раз меньше. Вместе с тем, стеклянный колпак разрушится изнутри сжатыми остатками воздуха ещё до соприкосновения с остриём ракеты.

Спутник вместе со второй ступенью сначала опускается чуть ниже канала ствола, и охлаждается внизу жидким азотом. Охлаждение в шахте эффективнее, чем на открытой стартовой площадке. Затем ракета поднимается в ствол. Боковые герметичные резервуары с газовой смесью под ней открываются, воспламеняются, и производится выстрел. Небольшое хвостовое оперение позволяет изменить траекторию полёта ракеты после вылета из ствола и прохождения плотных слоёв атмосферы.

Ещё один важный момент. Конструкция космической пушки такова, что нет никаких ограничений по избыточному давлению в канале ствола. Это значит, что из такой пушки можно с одинаковой скоростью выстреливать вторую ступень как для ближней околоземной орбиты (5 м длиной), как для дальней геостационарной (10 м длиной), так и для межпланетной (20 м длиной). Разница только в количестве природного газа, используемого в 10%-ой смеси с воздухом для очередного выстрела в небо.

Чувствую, что есть тут какой-то подводный подземный камень, а какой именно не пойму. Похожая история и с магнитной пушкой Гаусса. Интересно всё-таки, почему оказались не реализованными подобные проекты. На первый взгляд преимущества очевидны. И себестоимость запуска спутников существенно снижается.  И надёжность значительно увеличивается, поскольку вероятность неудачного выстрела из пушки в тысячу раз меньше, чем вероятность неудачного ракетного пуска. Казалось бы, сочетание двух таких факторов позволяет захватить монополию на рынке коммерческих запусков спутников связи. Но почему-то никто не торопится захватывать.



@темы: космос, газ

23:17 

Космическая чесотка

По просьбе астронавтов на внутренней стороне шлема лунного скафандра был закреплен кусочек шершавой ткани-"липучки" (велькро) для чесания носа.

Аполлон-17 (1972)


Об использовании "липучки" в программе "Аполлон" (англ.)


@темы: космос, материалы, эргономика

01:55 

Интерстеллар и физика

Оригинал взят у krazzzer в Интерстеллар и физика
Как кино "Интерстеллар" великолепен. Это на моей памяти первая драма, которая завязана на проблемах пространства-времени. В условиях заданного мира все очень логично и связно, ни одна сюжетная линия не провисает, все шнурочки заправлены. Это потом все приестся, а сейчас очень даже смотрибельно.

Но это с точки зрения кино, а вот с точки зрения науки все не так радужно.
Ну что же, давайте глянем...

1. Грибок. Тот самый грибок, который в кино не только поел пшеницу с картошкой и подбирается к кукурузе (интересно, как это вообще возможно), но и сжирает азот воздуха...
Вот что я скажу - сейчас биологи молятся, чтобы такой азотный грибок появился.

Дело в том, что растения строят свою клетчатку с целлюлозой не только из воды и углекислого газа. Растениям еще нужен азот, фосфор и кучу
микроэлементов. Но азота нужно много и поэтому сейчас одно из главных удобрений это селитра.

И тут проблема - азот ну очччень не любит связанного состояния. А растения не любят его связывать, потому что слишком затратно энергетически, на связывание одного грамма атмосферного азота требуется 10 грам глюкозы. Поэтому сами растения это не делают, это делают разве что клубеньковые бактерии. Ну и еще при гниении органики образовывается аммиак, который много проще бактериям связывать (перегной поэтому удобрение).

Естественно, натуральной селитры не хватает. И, естественно, человек придумал химическую, для которой нужен цикл Габера, который работает при температуре 500 градусов и давлении в 300 атмосфер. И в котором для производства 1 тонны аммиака требуется энергия сжигания 4-х тонн нефти.

И тут... какой-то грибок.. на пустом месте... Да за этот связанный азот ему нужно памятник поставить!
Хочу такой грибок, я с ним стану миллиардером через пару лет!!

Так что если бы такой грибок появился - то тут же вывели бы растения, резистентные к нему.
И были бы фермы, на которых он плодится, и фермы, которые используют результаты его жизнедеятельности.
Сельское хозяйство получило бы такой толчок, которого не было со дня открытия селитры как удобрения!

Нефть перестали бы качать, все перешли бы на биодизель из рапса, который бы в цене сильно упал. И да - ездили бы все не на электромобилях, а на таких вот старых пикапах, как в кино. И, возможно, даже глобальное потепление бы закончилось, потому что растения резко бы разрослись и пожрали бы углекислый газ из атмосферы. Планета была бы не пустыней - планета превратилась бы в сплошные джунгли!

И еще один побочный эффект. Те пыльные бури и та пыль, которая показана в фильме, состояла бы из селитры и клеток погибших грибков. До рецепта черного пороха не хватает только серы, но и это, поверьте, вспыхивать будет со страшной силой.

Вывод: такой грибок будет скорее благом, чем злом.

2. Космический полет более-менее вменяемо показан до прибытия к сингулярности возле Сатурна.
Вопросы, кто строил сам корабль и поддерживал его на орбите вокруг Земли, оставляем за кадром, в конце концов ничего принципиально невозможного тут нет.
Но вот за сингулярностью...

Туда улетело 12 кораблей. И, как выясняется, каждый полетел к своей звездной системе. Они что там, на расстоянии Луны от Земли??
Каким образом они на химическом топливе так быстро добрались к другим звездам, если тут до несчастной Альфа Центавра (всего 4.7 световых года) никак не достаться? При этом отправилась не одна экспедиция, а 12? При этом корабль, который с нашими героями прилетел с Земли, побывал в трех звездных системах??
И что самое интересное - на третью систему он добрался на остатках топлива, отложенных для обратного полета (то есть от Сатурна на Землю).
Это, вообще, как???
Там за сингулярностью законы физики иные? Химический двигатель тянет круче фотонного?

Вывод: для того, чтобы провести исследовательский полет, который произошел до начала фильма, нужны были технологии, полученные в конце фильма.

3. Но это еще не все. На первой водяной планете сила тяжести 1.3g. И тут вступает в дело формула Циолковского о массе ракеты. Ведь на любой
планете удельный импульс химического двигателя мало меняется, а первая космическая заметно возрастает. 1.3g близко к ситуации, когда конструктивно такую громадную ракету просто невозможно построить.
И что?
Вместо гигантского ракето-носителя, в несколько раз больше современных ракет, мы видим копеечную игрушку у которой "вода в дюзы затекла"!
Ну как, как такая мелкая хреновина на химическом топливе может выйти на орбиту вообще где-нибудь?

Но и это не все. Планета ведь находится очень близко к черной дыре, и чтобы не только выйти на ее орбиту, но и в конце вообще уйти от черной дыры, нам нужно набрать третью космическую. А она для условий, когда тяготение сжимает семь лет до одного часа... Мне страшно представить, какая нужна скорость. Да там ракета нужна размером со всю эту планету!!

Не верите? Ну тогда чуть посчитаем. Замедление времени 7 лет за один час это замедление времени в чуть больше чем 61 тысячу раз.
Следовательно, для того чтобы уйти оттуда, скорость должна быть больше, чем 0.9999999 скорости света.

Но и это не все.
НИКАКАЯ планета в этих условиях не уцелеет. Просто потому, что время на ее стороне, обращенной к черной дыре будет идти в разы медленней, чем на стороне, противоположной черный дыре. Ее разорвет просто во время первого оборота.

Вывод: Замедление времени 7 лет за час настолько чудовищно, что его не выдержит ни планета, ни корабль. И не существует никакой возможности вернуться с того места, где настолько медленно течет время.

4. Когда герои сидели на первой планете и проскакивали семь лет за час, на большом космическом корабле время шло как надо.
Мне вот интересно - а на каком расстоянии корабль должен был находится от планеты? Световой год? Два световых года?
Это же черная дыра, там чудовищная гравитация!

Вывод: Создатели фильма просто брали правильные физические законы, но никто не удосужился посчитать числа, которые должны были получиться при тех вводных.

5. На второй планете нет поверхности. Она все состоит из замерзшего аммиака и прочей мути.
Однако, на ней сильные ветра. А на дюнах - явные следы эрозии, понятно что временами теплеет и какие-то вещества там превращаются в жидкости.
Так вот - эти ветра рано или поздно посдували бы это все в кучу и за считанные миллионы лет образовалась бы классическая поверхность.
Гравитация бы постаралась, никуда бы не делись.

Вывод: Все тела в космосе стремятся к шарообразности, даже комета Чурюмова-Герасименко. Но режиссерам не дают спать спокойно висячие сады Аватара.

6. Ну и очень порадовал эпизод, когда корабль сбрасывал в горизонт событий робота и главного героя.
Тут возникает несколько интересных вопросов.
Я даже не буду разбирать ситуацию, что твердое тело в цельном виде не может приблизится к горизонту событий. При этом "в НЕ цельном виде" это чтобы не то, чтобы на атомы разорвало, а с атомов электроны посдувало (гуглим "спагеттификация").
Вопрос в том, что горизонт событий - это орбита, на которой первая космическая будет равна скорости света. Свет при этом вырваться не может - вот и "черная дыра". Соответственно, на той орбите, которая показана в фильме, скорость корабля на орбите будет... ну скажем 0.999999999999 световой. А чтобы уйти от этой дыры (что корабль и сделал), соответственно, нужно больше.

0.99999999999 скорости света на химическом топливе? Вы шутите?
Да плевать на какой скорости, разве это вообще возможно для макроскопического объекта, а не протона в ускорителе??
Но интересно другое - а какое замедление времени будет при такой скорости? Семь лет за один час - мелочь. Есть подозрение, что по возвращению главный герой будет выглядеть примерно как для нас живой динозавр. Но беспокоится не стоит, кормить его в зоопарке будут хорошо.

Вывод: Фильм построен на замедлении времени, но самое основное замедление времени из сценария почему-то выпало. Как всегда, не удосужились посчитать реальные цифры.

P.S. Я бы это все не писал, если бы "Интерстеллар" не продвигали как "научно верное кино", у него не было бы научного консультанта (Кип Торн) и даже не снимали ролики на эту тему, например:



Или вот, где про физику в фильме рассказывает директор планетария в Нью-Йорке:



P.P.S. Я не замечал мелкие нестыковки. Например, как человек, надышавшийся аммиаком через полминуты будет вести космический корабль? Что за анабиоз в воде комнатной температуры? Как живые организмы выжили возле аккреционного диска черной дыры?

В конце концов, герои могут быть ГМО-организмами, только внешне похожими на людей. :D

Я поднимал только вопросы, на которые просто ОБЯЗАН был ответить Кип Торн, как научный консультант. Деньги-то ему наверняка уплачены.








@темы: космос, прочее, развлечения

RSS

главная